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、國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于全面推進鄉(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，推動新一代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營深度融合。”同年3 月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳發(fā)布了《關(guān)于申報2021 年度全國農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化示范基地的通知》，指出“重點支持示范基地發(fā)展，鼓勵示范基地率先承擔(dān)農(nóng)業(yè)農(nóng)村改革試點示范任務(wù)，為加快推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化奠定基礎(chǔ)?！笨梢妵覟橥茝V無人農(nóng)場理念，出臺農(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，不斷加快推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。

無人農(nóng)場作為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，綜合應(yīng)用生物技術(shù)、農(nóng)機監(jiān)控技術(shù)和信息化技術(shù)等先進技術(shù)。其中“北斗+高分”技術(shù)作為我國自主研發(fā)的導(dǎo)航遙感技術(shù)，為農(nóng)機作業(yè)的定位導(dǎo)航、自動控制和無人農(nóng)場的信息化、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)場現(xiàn)狀

無人農(nóng)場可以定義為通過對設(shè)施、裝備、機械等的智能控制，實現(xiàn)農(nóng)場全空間、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無人農(nóng)場（Hands-Free Farm）。目前，歐美、日本等發(fā)達國家建設(shè)的無人農(nóng)場已經(jīng)應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。在無人農(nóng)場進行農(nóng)事活動時，農(nóng)戶幾乎不用進入田間，而是依靠物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能和自動農(nóng)機控制等高新技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)事作業(yè)?！盁o人化”是無人農(nóng)場的基本要求以及顯著特征。我國的無人農(nóng)場目前也進入了實驗研究階段，無人農(nóng)場的建立和普及逐漸成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢。本文研究對象為大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過高分遙感影像、農(nóng)機自動駕駛、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施等高新技術(shù)，實現(xiàn)對土地、作物、環(huán)境、農(nóng)機、投入品等數(shù)據(jù)的觀測、統(tǒng)計、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。

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)機導(dǎo)航、農(nóng)情監(jiān)測等深度融合。北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正式運行，標(biāo)志著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進入國際化服務(wù)新時期，也意味著可以為農(nóng)業(yè)信息化升級提供更多支撐。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)先進性，為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展升級提供了有力保障。在生產(chǎn)實踐中,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)還可以和其他先進農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)有機融合,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)將更加實際地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展,同時結(jié)合農(nóng)機機械化技術(shù)重點實現(xiàn)無人駕駛和自動收割。

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)機自動導(dǎo)航駕駛、農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測、農(nóng)機智能作業(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，降低勞動強度，提升耕地精度，提高作業(yè)效率，針對農(nóng)作物種植全過程提供科學(xué)的解決方案。在農(nóng)機自動駕駛方面，通過北斗高精度定向定位天線和差分技術(shù)，監(jiān)測農(nóng)機的實時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)機自動駕駛。在農(nóng)情監(jiān)測方面，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、云計算、無線通信等前沿技術(shù)，對農(nóng)作物進行大區(qū)域、全生命周期的監(jiān)控，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)實施深耕、插秧、灌溉、施肥等農(nóng)事活動。

3.高分遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

隨著我國高分辨率對地觀測系統(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、時效性高等優(yōu)勢，是農(nóng)作物類型識別的主要技術(shù)途徑，并且我國高分遙感衛(wèi)星的核心技術(shù)指標(biāo)達國際領(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技術(shù)，可以較為細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)效果評估、農(nóng)村種植格局監(jiān)測等工作中提供了有力支撐，為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了真實可靠的判斷依據(jù)。在產(chǎn)量預(yù)估方面，可觀測指定作物的實際種植區(qū)域并計算相應(yīng)面積，結(jié)合作物生長情況及單位產(chǎn)量信息，預(yù)測出該農(nóng)作物的大概產(chǎn)量，實現(xiàn)精準(zhǔn)產(chǎn)量預(yù)估，同時節(jié)約了農(nóng)業(yè)大田數(shù)據(jù)統(tǒng)計成本。在作物生長監(jiān)管方面，依據(jù)作物長勢結(jié)合實際生長情況，不斷調(diào)整反演模型參數(shù)，監(jiān)測農(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)評估作物長勢，幫助農(nóng)戶計劃何時實施播種、灌溉、施肥等農(nóng)事活動,同時可提供預(yù)測農(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)測到災(zāi)情及時進行提醒、報警，從而盡可能減少自然災(zāi)害帶來的損失，并針對災(zāi)情狀況，進行補種、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)場生產(chǎn)管理中的探索

“北斗+高分”系統(tǒng)作為我國北斗導(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)航和授時服務(wù)，可對遙感影像顯示的內(nèi)容進行高精度、高可靠性定位。在此基礎(chǔ)上與GIS 系統(tǒng)深度結(jié)合，形成一個動態(tài)、直觀、實時、數(shù)字化、廣域、各行業(yè)各層級都易于使用的農(nóng)業(yè)管理平臺?！氨倍?高分”系統(tǒng)無人農(nóng)場應(yīng)用如圖1 所示。

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

“北斗+高分”系統(tǒng)應(yīng)用于各個農(nóng)場、合作社等大型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體，通過北斗導(dǎo)航衛(wèi)星和高分遙感衛(wèi)星的深度融合，針對當(dāng)前農(nóng)作物種植整個流程中土地、作物、環(huán)境、農(nóng)機、投入品等數(shù)據(jù)的觀測、統(tǒng)計、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)測設(shè)備獲取高精度、可靠及時、全方位的糧食作物生產(chǎn)活動信息，同時通過對歷年農(nóng)業(yè)遙感影像結(jié)合天氣、農(nóng)事活動等信息的數(shù)據(jù)匯總、整理、分析，并以此作為依據(jù)實現(xiàn)對大田農(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)計劃以及農(nóng)機調(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)兵團等地的大型農(nóng)場中廣泛應(yīng)用。下面對“北斗+高分”系統(tǒng)在無人農(nóng)場種植產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后三個場景的具體應(yīng)用分別進行分析。

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)營管理的重點對象，農(nóng)田地塊、土壤信息是無人農(nóng)場備春耕階段重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。為保證生產(chǎn)計劃安排、種植物資儲備等活動順利開展，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)針對田間土壤成分、農(nóng)田肥力、地塊信息等農(nóng)情信息進行快速、大范圍的監(jiān)測。通過對上述信息的匯總、整理、分析，制作土地信息分布圖、生產(chǎn)計劃、施肥建議卡等生產(chǎn)資料，作為農(nóng)作物種植規(guī)劃，農(nóng)機工作調(diào)度，種子、肥料、地膜、農(nóng)藥儲備等工作的依據(jù)。基于高分遙感技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田信息監(jiān)測如圖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)機自動駕駛系統(tǒng)依據(jù)生產(chǎn)作業(yè)的需要，設(shè)定農(nóng)機行駛路線，并依據(jù)當(dāng)前農(nóng)機位置信息以及農(nóng)機行駛方向、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)送至主控機構(gòu)，而主控機構(gòu)再通過改變農(nóng)機液壓系統(tǒng)或者方向盤，改變農(nóng)機車輪方向，調(diào)節(jié)農(nóng)機的行駛方向，確保農(nóng)機能按沿著指定路徑行駛，進而提高了農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量和農(nóng)事生產(chǎn)效率?；诒倍凡罘旨夹g(shù)的農(nóng)機自動駕駛應(yīng)用系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 農(nóng)機自動駕駛應(yīng)用系統(tǒng)示意圖

同時，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、農(nóng)情災(zāi)害、作物品種、種植面積、農(nóng)作物長勢等農(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)知識可以建立不同條件下的產(chǎn)量預(yù)報模型，實現(xiàn)作物產(chǎn)量的監(jiān)測預(yù)報，為銀行信貸、保險理賠等服務(wù)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。農(nóng)業(yè)監(jiān)測專題圖如圖4 所示。

圖4 農(nóng)業(yè)監(jiān)測專題圖

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)場作為高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)農(nóng)田為滿足消費者糧食安全、產(chǎn)品可追溯的需求，需要對農(nóng)作物的倉儲、物流的全過程進行監(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輸過程的可視化。通過定位終端提供實時的物流車輛和貨物位置信息，同時為運動軌跡的實時查看和回放提供數(shù)據(jù)，獲取貨物運輸狀況。監(jiān)管部門可隨時掌握物流車輛的運行狀況、任務(wù)的執(zhí)行情況，下達調(diào)度命令。進而補全對農(nóng)作物從種植到收獲、從倉儲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)場正快速發(fā)展，但整體上對無人農(nóng)場技術(shù)的研發(fā)還處于探索階段。獲取可靠準(zhǔn)確的農(nóng)機農(nóng)情信息，從而實現(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，為促進現(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。未來實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，無人農(nóng)場能否借助“北斗+高分”系統(tǒng)取代傳統(tǒng)農(nóng)場，還需要進一步的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用實踐。