文 | 卜一平 侯瑛男 陳思 趙超越

哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司

一、引言

2021 年2 月，中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》，提出“建立農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)體系，推動(dòng)新一代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)深度融合?！蓖? 月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳發(fā)布了《關(guān)于申報(bào)2021 年度全國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化示范基地的通知》，指出“重點(diǎn)支持示范基地發(fā)展，鼓勵(lì)示范基地率先承擔(dān)農(nóng)業(yè)農(nóng)村改革試點(diǎn)示范任務(wù)，為加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化奠定基礎(chǔ)?！笨梢妵?guó)家為推廣無人農(nóng)場(chǎng)理念，出臺(tái)農(nóng)業(yè)相關(guān)政策及規(guī)劃，全面提升了農(nóng)業(yè)無人化作業(yè)模式在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的應(yīng)用范圍，不斷加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。

無人農(nóng)場(chǎng)作為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，綜合應(yīng)用生物技術(shù)、農(nóng)機(jī)監(jiān)控技術(shù)和信息化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)。其中“北斗+高分”技術(shù)作為我國(guó)自主研發(fā)的導(dǎo)航遙感技術(shù)，為農(nóng)機(jī)作業(yè)的定位導(dǎo)航、自動(dòng)控制和無人農(nóng)場(chǎng)的信息化、數(shù)字化、智能化管理提供了有力支撐。

二、研究背景及現(xiàn)狀

1.無人農(nóng)場(chǎng)現(xiàn)狀

無人農(nóng)場(chǎng)可以定義為通過對(duì)設(shè)施、裝備、機(jī)械等的智能控制，實(shí)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)全空間、全天候、全過程無人化生產(chǎn)作業(yè)的一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織模式。英國(guó)哈珀·亞當(dāng)斯大學(xué)（Harper Adams University）與Precision Decision 公司建成了世界上首個(gè)無人農(nóng)場(chǎng)（Hands-Free Farm）。目前，歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家建設(shè)的無人農(nóng)場(chǎng)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。在無人農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行農(nóng)事活動(dòng)時(shí)，農(nóng)戶幾乎不用進(jìn)入田間，而是依靠物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能和自動(dòng)農(nóng)機(jī)控制等高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)事作業(yè)。“無人化”是無人農(nóng)場(chǎng)的基本要求以及顯著特征。我國(guó)的無人農(nóng)場(chǎng)目前也進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)研究階段，無人農(nóng)場(chǎng)的建立和普及逐漸成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢(shì)。本文研究對(duì)象為大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過高分遙感影像、農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施等高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土地、作物、環(huán)境、農(nóng)機(jī)、投入品等數(shù)據(jù)的觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、決策，形成全天候、全過程的無人化作業(yè)模式的無人農(nóng)場(chǎng)。

2.北斗導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

隨著北斗導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)，將北斗導(dǎo)航技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)機(jī)導(dǎo)航、農(nóng)情監(jiān)測(cè)等深度融合。北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正式運(yùn)行，標(biāo)志著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入國(guó)際化服務(wù)新時(shí)期，也意味著可以為農(nóng)業(yè)信息化升級(jí)提供更多支撐。以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)需求和技術(shù)，打造了“北斗+農(nóng)業(yè)”新發(fā)展模式，顯著提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)性，為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展升級(jí)提供了有力保障。在生產(chǎn)實(shí)踐中,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)還可以和其他先進(jìn)農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)有機(jī)融合,從而全面提高農(nóng)作物產(chǎn)出效益。未來衛(wèi)星定位技術(shù)將更加實(shí)際地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展,同時(shí)結(jié)合農(nóng)機(jī)機(jī)械化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無人駕駛和自動(dòng)收割。

北斗導(dǎo)航技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛、農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測(cè)、農(nóng)機(jī)智能作業(yè)等方面，精準(zhǔn)、全面、立體化地獲取大田環(huán)境數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)控制農(nóng)機(jī)田間作業(yè)，有效降低生產(chǎn)成本，提升農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提升耕地精度，提高作業(yè)效率，針對(duì)農(nóng)作物種植全過程提供科學(xué)的解決方案。在農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛方面，通過北斗高精度定向定位天線和差分技術(shù)，監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)的實(shí)時(shí)位置信息和方向信息等，并以此為依據(jù)結(jié)合控制算法模型控制農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛。在農(nóng)情監(jiān)測(cè)方面，采用了依托北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)、云計(jì)算、無線通信等前沿技術(shù)，對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行大區(qū)域、全生命周期的監(jiān)控，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)施深耕、插秧、灌溉、施肥等農(nóng)事活動(dòng)。

3.高分遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

隨著我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的基本建成，高分遙感應(yīng)用加速落地。衛(wèi)星遙感具有覆蓋范圍廣、時(shí)效性高等優(yōu)勢(shì)，是農(nóng)作物類型識(shí)別的主要技術(shù)途徑，并且我國(guó)高分遙感衛(wèi)星的核心技術(shù)指標(biāo)達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平，所獲取的高質(zhì)量多光譜遙感數(shù)據(jù)已在農(nóng)林、生態(tài)、環(huán)保、防災(zāi)減災(zāi)及國(guó)家安全等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，結(jié)合基于衛(wèi)星遙感的農(nóng)作物類型分類與辨識(shí)技術(shù)，可以較為細(xì)致地刻畫作物空間分布信息，并以此為種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、保障農(nóng)田安全、制訂合理的農(nóng)業(yè)政策等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的深入發(fā)展，面向大宗農(nóng)作物類型的“數(shù)據(jù)—樣本—算法優(yōu)化”研究應(yīng)該是當(dāng)前農(nóng)作物遙感算法研究的重點(diǎn)努力方向。

高分遙感技術(shù)在土地信息調(diào)查、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效果評(píng)估、農(nóng)村種植格局監(jiān)測(cè)等工作中提供了有力支撐，為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了真實(shí)可靠的判斷依據(jù)。在產(chǎn)量預(yù)估方面，可觀測(cè)指定作物的實(shí)際種植區(qū)域并計(jì)算相應(yīng)面積，結(jié)合作物生長(zhǎng)情況及單位產(chǎn)量信息，預(yù)測(cè)出該農(nóng)作物的大概產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)產(chǎn)量預(yù)估，同時(shí)節(jié)約了農(nóng)業(yè)大田數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)成本。在作物生長(zhǎng)監(jiān)管方面，依據(jù)作物長(zhǎng)勢(shì)結(jié)合實(shí)際生長(zhǎng)情況，不斷調(diào)整反演模型參數(shù)，監(jiān)測(cè)農(nóng)作物關(guān)鍵參數(shù)如葉面積系數(shù)、葉綠素、氮含量、氮累積量等信息，通過這些參數(shù)評(píng)估作物長(zhǎng)勢(shì)，幫助農(nóng)戶計(jì)劃何時(shí)實(shí)施播種、灌溉、施肥等農(nóng)事活動(dòng),同時(shí)可提供預(yù)測(cè)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的參考依據(jù)。在災(zāi)害預(yù)警方面，根據(jù)自然災(zāi)害如干旱、寒潮、洪澇的相應(yīng)判斷模型，若監(jiān)測(cè)到災(zāi)情及時(shí)進(jìn)行提醒、報(bào)警，從而盡可能減少自然災(zāi)害帶來的損失，并針對(duì)災(zāi)情狀況，進(jìn)行補(bǔ)種、搶收、灌溉、追肥或排水排漬等抗災(zāi)措施。

三、“北斗+高分”系統(tǒng)在無人農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)管理中的探索

“北斗+高分”系統(tǒng)作為我國(guó)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星和高分遙感衛(wèi)星的綜合應(yīng)用，高分遙感衛(wèi)星提供耕地影像數(shù)據(jù)，是作物信息和環(huán)境數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)提供定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，可對(duì)遙感影像顯示的內(nèi)容進(jìn)行高精度、高可靠性定位。在此基礎(chǔ)上與GIS 系統(tǒng)深度結(jié)合，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)、直觀、實(shí)時(shí)、數(shù)字化、廣域、各行業(yè)各層級(jí)都易于使用的農(nóng)業(yè)管理平臺(tái)?！氨倍?高分”系統(tǒng)無人農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用如圖1 所示。

圖 1 “北斗+高分”系統(tǒng)無人農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用示意圖

“北斗+高分”系統(tǒng)應(yīng)用于各個(gè)農(nóng)場(chǎng)、合作社等大型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體，通過北斗導(dǎo)航衛(wèi)星和高分遙感衛(wèi)星的深度融合，針對(duì)當(dāng)前農(nóng)作物種植整個(gè)流程中土地、作物、環(huán)境、農(nóng)機(jī)、投入品等數(shù)據(jù)的觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、決策等需求。以北斗導(dǎo)航衛(wèi)星技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為基礎(chǔ)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取高精度、可靠及時(shí)、全方位的糧食作物生產(chǎn)活動(dòng)信息，同時(shí)通過對(duì)歷年農(nóng)業(yè)遙感影像結(jié)合天氣、農(nóng)事活動(dòng)等信息的數(shù)據(jù)匯總、整理、分析，并以此作為依據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)大田農(nóng)業(yè)的精確管控，能夠顯著節(jié)約用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的投入成本，為后續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃以及農(nóng)機(jī)調(diào)度提供良好的數(shù)據(jù)分析支撐和決策輔助作用。同時(shí)憑借這些數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)資源統(tǒng)籌、土地使用調(diào)查、作物產(chǎn)量預(yù)估、農(nóng)業(yè)投保理賠等方面提供必需的數(shù)據(jù)匯總、整理、分析、決策等服務(wù)。如今，“北斗+高分”系統(tǒng)已經(jīng)在黑龍江、新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)等地的大型農(nóng)場(chǎng)中廣泛應(yīng)用。下面對(duì)“北斗+高分”系統(tǒng)在無人農(nóng)場(chǎng)種植產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后三個(gè)場(chǎng)景的具體應(yīng)用分別進(jìn)行分析。

1.“北斗+高分”系統(tǒng)在產(chǎn)前環(huán)節(jié)的應(yīng)用

在產(chǎn)前環(huán)節(jié)中，由于耕地是農(nóng)業(yè)建設(shè)、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)管理的重點(diǎn)對(duì)象，農(nóng)田地塊、土壤信息是無人農(nóng)場(chǎng)備春耕階段重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。為保證生產(chǎn)計(jì)劃安排、種植物資儲(chǔ)備等活動(dòng)順利開展，可通過高分衛(wèi)星遙感影像結(jié)合北斗土壤信息采集終端在特定地區(qū)針對(duì)田間土壤成分、農(nóng)田肥力、地塊信息等農(nóng)情信息進(jìn)行快速、大范圍的監(jiān)測(cè)。通過對(duì)上述信息的匯總、整理、分析，制作土地信息分布圖、生產(chǎn)計(jì)劃、施肥建議卡等生產(chǎn)資料，作為農(nóng)作物種植規(guī)劃，農(nóng)機(jī)工作調(diào)度，種子、肥料、地膜、農(nóng)藥儲(chǔ)備等工作的依據(jù)?；诟叻诌b感技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)如圖2 所示。

圖2 高分遙感技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)示意圖

2.“北斗+高分”系統(tǒng)在產(chǎn)中環(huán)節(jié)的應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，基于北斗導(dǎo)航技術(shù)的農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)依據(jù)生產(chǎn)作業(yè)的需要，設(shè)定農(nóng)機(jī)行駛路線，并依據(jù)當(dāng)前農(nóng)機(jī)位置信息以及農(nóng)機(jī)行駛方向、車輪當(dāng)前角度數(shù)據(jù)，結(jié)合控制算法模型得到轉(zhuǎn)向指令并發(fā)送至主控機(jī)構(gòu)，而主控機(jī)構(gòu)再通過改變農(nóng)機(jī)液壓系統(tǒng)或者方向盤，改變農(nóng)機(jī)車輪方向，調(diào)節(jié)農(nóng)機(jī)的行駛方向，確保農(nóng)機(jī)能按沿著指定路徑行駛，進(jìn)而提高了農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量和農(nóng)事生產(chǎn)效率。基于北斗差分技術(shù)的農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛應(yīng)用系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛應(yīng)用系統(tǒng)示意圖

同時(shí)，高分衛(wèi)星遙感技術(shù)通過遙感影像數(shù)據(jù)獲取氣候監(jiān)測(cè)、農(nóng)情災(zāi)害、作物品種、種植面積、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)等農(nóng)情信息，上述數(shù)據(jù)結(jié)合地理坐標(biāo)信息，可以繪制農(nóng)作物與土地二者相互關(guān)聯(lián)的專題圖，便于人們查詢、分析、管理有關(guān)土壤和作物的信息。通過對(duì)上述農(nóng)情信息的整理與發(fā)布，為農(nóng)業(yè)管理部門和生產(chǎn)單位追肥計(jì)劃、災(zāi)害預(yù)防等決策工作提供信息支持。此外，通過分析農(nóng)作物光譜，配合農(nóng)學(xué)知識(shí)可以建立不同條件下的產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，為銀行信貸、保險(xiǎn)理賠等服務(wù)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)專題圖如圖4 所示。

圖4 農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)專題圖

3.“北斗+高分”系統(tǒng)在產(chǎn)后環(huán)節(jié)的應(yīng)用

在產(chǎn)后環(huán)節(jié)中，無人農(nóng)場(chǎng)作為高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)農(nóng)田為滿足消費(fèi)者糧食安全、產(chǎn)品可追溯的需求，需要對(duì)農(nóng)作物的倉(cāng)儲(chǔ)、物流的全過程進(jìn)行監(jiān)管，通過北斗導(dǎo)航技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛集中統(tǒng)一的信息化管理和運(yùn)輸過程的可視化。通過定位終端提供實(shí)時(shí)的物流車輛和貨物位置信息，同時(shí)為運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)查看和回放提供數(shù)據(jù)，獲取貨物運(yùn)輸狀況。監(jiān)管部門可隨時(shí)掌握物流車輛的運(yùn)行狀況、任務(wù)的執(zhí)行情況，下達(dá)調(diào)度命令。進(jìn)而補(bǔ)全對(duì)農(nóng)作物從種植到收獲、從倉(cāng)儲(chǔ)到銷售全過程的生產(chǎn)及物流數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品的質(zhì)量安全溯源提供數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)糧食安全全程監(jiān)控追溯。

四、結(jié)論

如今智能化無人農(nóng)場(chǎng)正快速發(fā)展，但整體上對(duì)無人農(nóng)場(chǎng)技術(shù)的研發(fā)還處于探索階段。獲取可靠準(zhǔn)確的農(nóng)機(jī)農(nóng)情信息，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化作業(yè)成為最關(guān)鍵的問題?！氨倍?高分”信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)科技高度融合，廣泛用于高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田中并建立起自身領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)，為促進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐，具有廣泛的農(nóng)業(yè)應(yīng)用前景。未來實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，無人農(nóng)場(chǎng)能否借助“北斗+高分”系統(tǒng)取代傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)，還需要進(jìn)一步的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用實(shí)踐。