楊哲煒 ，王英皓 ，雷云帆 ，李 洋 ，王國賓

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049）

精細農(nóng)業(yè)的核心是對農(nóng)田作物信息的快速提取，即通過全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感技術(shù)（RS）、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等獲取農(nóng)田作物產(chǎn)量及周邊環(huán)境信息（如土壤結(jié)構(gòu)、壟距、病蟲害）等，實現(xiàn)作物評估、病蟲害檢測等[1]。

1 3S技術(shù)

3S技術(shù)即全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）。在精準農(nóng)業(yè)中，單純地運用GPS、GIS、RS中的某一種技術(shù)并不能完全滿足實際作業(yè)過程中的需要，還需要將GPS、GIS、RS有機結(jié)合起來，用GPS精確定位地面位置，用GIS對地面信息進行存儲、分析、輔助決策，用RS進行宏觀控制[2]。

1.1 通過全球定位系統(tǒng)GPS實現(xiàn)定位

1.1.1 GPS技術(shù)概述

近年來，GPS技術(shù)發(fā)展迅猛，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，提供了用于農(nóng)田信息測量、定位、信息采集和與智能化農(nóng)機配備的差分GPS（DGPS）設(shè)備[3]。GPS是通過“時間同步，單程測距”的原理來實現(xiàn)定位，就是用戶向四個衛(wèi)星分別進行距離測量，從而定出用戶空間上的位置。但是，由于這樣操作存在較大的誤差，所以人們越來越重視差分GPS的研究。差分技術(shù)就是使用用戶接收機外還使用一臺GPS基準接收機，圖 1為差分GPS定位示意圖，由圖1可知，通過用戶站和基準站發(fā)送的數(shù)據(jù)進行差分解算，得到更正值，消除兩者的公共誤差源，從而大大提高測量精度[4]。差分GPS技術(shù)根據(jù)基準站發(fā)送的差分信息的不同可以分為位置差分技術(shù)、距離差分中的偽距差分技術(shù)和距離差分中的載波相位差分技術(shù)（RTK）。

圖1 差分GPS定位示意圖

1.1.2 GPS技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

美國Trimble公司專門為精細農(nóng)業(yè)研制了載波相位差分技術(shù)（RTK）厘米級測量型DGPS接收系統(tǒng)，如AgGPS 124等，可以接受信標臺發(fā)布的地區(qū)性差分校正信號免費服務(wù)或由近地衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的差分校正信號收費服務(wù)[5]。載波相位差分技術(shù)（RTK）厘米級測量型接收系統(tǒng)，這項技術(shù)在我國得到了大量應(yīng)用，可以幫助農(nóng)業(yè)無人機精準播種噴藥等[6-7]。目前，國內(nèi)使用的GPS定位系統(tǒng)大多采用美國的GPS技術(shù)，相較美國本土，中國的GPS服務(wù)費較高。我國的北斗系統(tǒng)已進入第二期應(yīng)用階段，但在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域里的應(yīng)用還處于前期研發(fā)探索階段[8]。

1.2 通過遙感技術(shù)RS宏觀控制

1.2.1 RS技術(shù)概述

遙感是非接觸的，遠距離進行探測和識別的技術(shù)，一般指應(yīng)用傳感器/遙感器對物體的電磁波輻射反射特性的探測?，F(xiàn)有的衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取的遙感圖像像素較低，難以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的監(jiān)測，雖然地面遙感技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于獲取農(nóng)田作物信息，但監(jiān)測范圍小，需要的成本高，難以實現(xiàn)大范圍的監(jiān)測[9]。多光譜和高光譜設(shè)備的快速普及，數(shù)字測量技術(shù)的日趨成熟使無人機遙感技術(shù)迅速發(fā)展[10]。

1.2.2 RS技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

RS技術(shù)可應(yīng)用于作物產(chǎn)量預(yù)測、病蟲害預(yù)測、土地狀況調(diào)查、種植面積獲取等。趙靜等[11]提出一種基于FCN的無人機玉米遙感圖像壟中心線提取方法。通過無人機獲取的高精度農(nóng)田圖像，用FCN對圖像進行處理，得到整片田地的壟中心線柵格圖，方便農(nóng)業(yè)機器人進行全局規(guī)劃。蘭玉彬等[12]通過低空無人機高光譜影像進行一系列處理對果園黃龍病植株進行判別，有效提高了果園管理效率。目前，國內(nèi)外有關(guān)無人機遙感技術(shù)的研究主要應(yīng)用于北方大田作物上，受氣候和作物種類多變的影響，如何將無人機遙感技術(shù)應(yīng)用于南方丘陵山地等地方還有待研究[9]。

1.3 通過地理信息系統(tǒng)GIS進行信息處理

1.3.1 GIS技術(shù)概述

地理信息系統(tǒng)是一個用于描繪地球和其他地理要素并突出其特征，從而顯示和分析經(jīng)空間配準的信息的系統(tǒng)。將表格數(shù)據(jù)變成地理圖形顯示，從而為農(nóng)田制定決策和農(nóng)田情況分析服務(wù)。此項工作主要借助地圖來實現(xiàn)。GIS地圖是一個交互式的窗口，通過GIS地圖可以訪問和使用所有地理信息，數(shù)據(jù)以及GIS人員創(chuàng)建的豐富的空間分析模型[13]。

1.3.2 GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

GIS是精準農(nóng)業(yè)的大腦，具有很強的分析、查詢和幫助制定決策的功能。應(yīng)用該系統(tǒng)可以將土地邊界、土地類型、歷年土壤測試結(jié)果、化肥和農(nóng)藥使用情況、歷年產(chǎn)量做成地理信息系統(tǒng)圖管理起來，找出影響產(chǎn)量的主要限制因素，為分析差異性實施調(diào)控提供處方信息[14]。徐霞等[15]基于地理信息系統(tǒng)作出了對河南省小麥區(qū)域節(jié)肥減排潛力評價。目前的GIS軟件都是基于二維平面，設(shè)計三維GIS模型和可視化問題還有待研究。

1.4 3S技術(shù)集成

作為單項的GPS、RS、GIS在許多領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的成就，但隨著3S技術(shù)的研究和應(yīng)用的不斷深化，運用其中單獨一種技術(shù)已經(jīng)不能滿足一些情況的需要，還沒有實現(xiàn)三者的真正集合。目前3S集成的應(yīng)用比較簡單淺顯，一般是對于遙感已獲取的圖像通過遙感圖像處理，通過GPS進行精確定位，最后將結(jié)果輸入GIS中進行分析處理。目前3S集成較好的例子有美國的集CCD攝像機、GPS、GIS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的移動式測繪系統(tǒng)，CCD攝像機實時攝得數(shù)字圖像，GPS和導(dǎo)航系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)字圖像實時求得線路上目標（如兩旁建筑物和道路標志）的位置并隨時送入GIS中，而GIS中原先存有道路網(wǎng)和數(shù)字地圖信息用來修正GPS和CCD成像的系統(tǒng)誤差[16]。

2 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)即萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)是通過智能傳感器技術(shù)、無線傳輸技術(shù)等多種技術(shù)按照約定的協(xié)議將物品連接到互聯(lián)網(wǎng)上，以實現(xiàn)智能化識別、定位、監(jiān)測等功能的一種網(wǎng)絡(luò)。圖 2為物聯(lián)網(wǎng)簡單工作圖，由圖2可知，通過傳感器采集數(shù)據(jù)，主控模塊處理分析，發(fā)布到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺等平臺上，用戶可以通過移動端或者PC端查閱[17]。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)簡單工作圖

2.1.1 無線傳輸技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)所使用的現(xiàn)代主流通信技術(shù)包括ZigBee、NB-LOT、GPRS、LORA。ZigBee是一種新興的無線傳輸技術(shù)。低功耗低成本，功能可以滿足農(nóng)業(yè)監(jiān)測的要求，但相關(guān)行業(yè)標準等未完善，未來的前景十分可觀。楊宇輝等[18]設(shè)計了基于ZigBee的農(nóng)田土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)，通過測試，節(jié)點之間的距離在50 m內(nèi)可以保持穩(wěn)定的通信，滿足對信息的高效、精準監(jiān)測的需求。NB-LOT技術(shù)也是物聯(lián)網(wǎng)的一種新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，具有低功耗低成本、廣覆蓋等特點。張?zhí)系萚19]設(shè)計了基于NB-LOT的土壤溫濕度監(jiān)測終端系統(tǒng)，在農(nóng)田進行了實驗，證明了NB-LOT終端系統(tǒng)可以滿足農(nóng)田監(jiān)測的要求。GPRS技術(shù)是基于GSM系統(tǒng)發(fā)展的一種新通信技術(shù)，使數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和移動用戶進行連接，采用分組交換的思想，用戶可以同時占多個通道，多個用戶也可以占一個通道，大大提高了通信效率。LORA技術(shù)是一種基于網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)的通信技術(shù)，通過網(wǎng)關(guān)接入以太網(wǎng)，使設(shè)備擁有更長的傳輸距離，相較ZigBee，LORA工作頻率較低，傳輸距離更長，是一種獨特的傳輸技術(shù)[20]。

2.1.2 傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是當今世界最受人矚目且發(fā)展迅速的高新技術(shù)之一，美國在20世紀80年代就已聲稱世界已經(jīng)進入了傳感器時代，日本把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù)之一[21]。多傳感器的信息融合也是發(fā)展趨勢，可以避免單一傳感器的局限性，提高采集能力和精確度[22]。19世紀80年代，Mouazen等[23]開發(fā)了土壤在線分析光譜裝置，圖3為土壤在線分析光譜裝置，由圖3可知，在犁鏟部分安裝有光源和光學(xué)探頭，可以將光入射到溝底表面并收集反射光，通過分光計，測量其吸光率從而反映出了其物質(zhì)的量。該裝置可以用來較精確地分析碳素含量、含水量、pH值等指標。

圖3 土壤在線分析光譜裝置

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，2 0世紀初開始日本shibushawa團隊成功研制了多功能田間在線多功能土壤檢測裝置，并已將其作為商品售賣。不僅加入了土壤電導(dǎo)率傳感器，還通過較精密的光譜儀獲得的高精度光譜對土壤含水量、有機質(zhì)含量、氮含量以及電導(dǎo)率進行了精確的分析。雖然日本shibushawa研制的在線多功能土壤檢測裝置加入了土壤電導(dǎo)率傳感器，但是這時電導(dǎo)率測量還只是輔助裝置，并沒有和光譜分析有機結(jié)合起來。從20世紀90年代開始，Lund E D就從事土壤電導(dǎo)率在線檢測系統(tǒng)的開發(fā)，開發(fā)出了Veris系列土壤電導(dǎo)率測試系統(tǒng)。進入21世紀之后，組合了土壤光學(xué)傳感器，研究開發(fā)了土壤電導(dǎo)率/光學(xué)在線傳感系統(tǒng)。利用土壤電導(dǎo)率傳感器和光學(xué)傳感器相結(jié)合，實現(xiàn)土壤SOM和CEC的高精度預(yù)測分析[24]。從上述土壤在線分析光譜裝置優(yōu)化過程中可以看出，精細農(nóng)業(yè)對傳感器技術(shù)的要求也越來越高，多傳感器的有機結(jié)合也是未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、施肥管理、農(nóng)業(yè)病蟲防治等。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)田安裝傳感器，實時采集農(nóng)田中空氣溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、土壤溫濕度的信息，對作物生長環(huán)境進行實時監(jiān)測[25]。吳澤全等[26]設(shè)計開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)的水田無線監(jiān)控系統(tǒng)，能實時采集水田環(huán)境數(shù)據(jù)，還能通過數(shù)據(jù)進行自動決策生成，控制水泵和閥的通斷，進行水田的自動補水斷水。

3 結(jié)束語

實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)是社會發(fā)展的必然趨勢。信息獲取技術(shù)的整合可以有效管理各種農(nóng)業(yè)資源，將信息收集、分析、決策整合為一個共同信息流，降低生產(chǎn)成本，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，是走向精細農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。因此，相關(guān)工作人員應(yīng)當充分掌握對農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)在實際生產(chǎn)中的有效應(yīng)用，實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)，以滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展需要。