(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是通過自動化技術(shù)與“3S”技術(shù)的綜合應(yīng)用,“3S”技術(shù)(簡稱3S)是遙感技術(shù)(RS)、全球定位技術(shù)(GPS)和地理信息技術(shù)(GIS)的集成,以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)目標(biāo)生產(chǎn)要素的獲取、存貯、管理、更新、分析和應(yīng)用[1]。RS是利用遙感系統(tǒng)獲取目標(biāo)作物不同形式的數(shù)據(jù)信息,并對作物生長全部過程進(jìn)行探測與監(jiān)管;GPS是利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全方位、全時段、高精度提供目標(biāo)作物空間位置、速度的導(dǎo)航信息,并隨著目標(biāo)作物生長環(huán)境變化,實(shí)時更新數(shù)據(jù)信息;GIS是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的處理能力科學(xué)管理和綜合分析目標(biāo)作物的相關(guān)地理數(shù)據(jù),并在計(jì)算機(jī)硬件與軟件協(xié)同作用下對目標(biāo)作物進(jìn)行規(guī)劃、管理、決策、分析與應(yīng)用[2]。通過自動化技術(shù)融合“3S”技術(shù)科學(xué)且合理研究與應(yīng)用,對我國傳統(tǒng)粗放型農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變具有重要的影響[3]。

1 “3S”技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用“3S”技術(shù)對目標(biāo)作物進(jìn)行集成管理,獲取目標(biāo)作物各種差異性數(shù)據(jù)信息(環(huán)境溫度與濕度、土壤結(jié)構(gòu)與含水量、作物生長情況與病蟲害等),分析目標(biāo)差異原因,結(jié)合最優(yōu)處方圖數(shù)據(jù),采取“因地制宜”對目標(biāo)作物管理、決策與應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高產(chǎn)量、低消耗的可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1.1 在遙感技術(shù)方面

基于多波段的反射光譜數(shù)據(jù),遙感系統(tǒng)實(shí)時采集農(nóng)作物生長狀態(tài)與系統(tǒng)分析農(nóng)作物發(fā)展趨勢,幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者及時準(zhǔn)確地了解農(nóng)田、土壤、作物和環(huán)境的發(fā)展變化,保證農(nóng)業(yè)機(jī)械精準(zhǔn)作業(yè),從而實(shí)現(xiàn)了在農(nóng)作物長勢監(jiān)測及產(chǎn)量估算、農(nóng)作物播種情況監(jiān)測及估算、農(nóng)作物災(zāi)害預(yù)警及監(jiān)測等方面的廣泛應(yīng)用。

1.2 在全球定位技術(shù)方面

基于差分校正全球衛(wèi)星定位技術(shù),全球定位系統(tǒng)“點(diǎn)對點(diǎn)”地精準(zhǔn)采集農(nóng)作物的三維位置、三維速度和時間信息等,保證農(nóng)作物目標(biāo)精準(zhǔn)定位及農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)自適應(yīng)導(dǎo)航與準(zhǔn)確測量,從而實(shí)現(xiàn)了在田間地質(zhì)情況測繪、農(nóng)作物土壤分布調(diào)查、農(nóng)作物精準(zhǔn)施肥灌溉植保等方面的廣泛應(yīng)用。

1.3 在地理信息技術(shù)方面

基于不同類型農(nóng)田及作物的空間數(shù)據(jù)采集、原因狀況分析、趨勢邏輯推理等,通過地理信息系統(tǒng)能有效掌握與及時了解農(nóng)作物的實(shí)際生產(chǎn)情況,結(jié)合生長農(nóng)作物的環(huán)境對相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行優(yōu)化與整理,保證農(nóng)業(yè)機(jī)械精準(zhǔn)作業(yè),從而實(shí)現(xiàn)在農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)管理、農(nóng)業(yè)專題地圖分析、農(nóng)業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)共享等廣泛應(yīng)用[4-5]。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械中“3S”集成控制模式

農(nóng)業(yè)機(jī)械“3S”技術(shù)主要是選用RS、GPS、GIS中兩者或三者組合而成的集成控制模式,如圖1所示,地理信息系統(tǒng)GIS相當(dāng)于農(nóng)業(yè)機(jī)械中控制系統(tǒng)的處理單元,對農(nóng)作物及農(nóng)業(yè)機(jī)械采集信息進(jìn)行系統(tǒng)分析和數(shù)據(jù)管理,遙感系統(tǒng)RS和全球定位系統(tǒng)GPS相當(dāng)于農(nóng)業(yè)機(jī)械中控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元,對農(nóng)作物及農(nóng)業(yè)機(jī)械采集信息進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和空間定位,“3S”集成控制模式實(shí)時動態(tài)地對農(nóng)作物及工作農(nóng)業(yè)機(jī)械觀測、分析和應(yīng)用[6-7]。

圖1 農(nóng)機(jī)“3S”集成控制示意圖

農(nóng)業(yè)機(jī)械中“3S”集成控制模式主要為RS與GPS集成,GPS與GIS集成,GIS與RS集成,RS、GPS與GIS集成的四種控制模式,其中,RS與GPS集成主要是利用全球定位系統(tǒng)GPS精確定位目標(biāo)作物及農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)時位置,改善遙感系統(tǒng)RS 定位精度低、識別速度慢的問題,通過RS與GPS集成同步與非同步切換工作,實(shí)現(xiàn)不同種類的空間數(shù)據(jù)綜合處理、動態(tài)存儲和集成管理的智慧農(nóng)業(yè)管理模式。

RS與GIS集成是“3S”集成控制核心組合模式,遙感系統(tǒng)RS將為“3S”集成控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定且可靠的原始數(shù)據(jù),結(jié)合地理信息系統(tǒng)GIS,主要功能模塊如圖2所示,空間數(shù)據(jù)資源與綜合分析能力,完成多種農(nóng)情數(shù)據(jù)動態(tài)管理與不同農(nóng)機(jī)信息在線決策,通過RS與GIS集成控制集成不同處理平臺,采集多種信息數(shù)據(jù),實(shí)時在線通訊、在線分析及在線處理等。

圖2 GIS系統(tǒng)主要功能框圖

GPS與GIS集成主要是基于全球定位系統(tǒng)GPS實(shí)時定位功能,地理信息系統(tǒng)GIS實(shí)時處理多種組合空間信息,提供農(nóng)機(jī)作業(yè)區(qū)域的農(nóng)作物及農(nóng)業(yè)機(jī)械的靜態(tài)相對位置坐標(biāo),實(shí)時反饋到全球定位系統(tǒng)GPS的電子地圖上,保證“3S”集成控制系統(tǒng)實(shí)時、準(zhǔn)確、形象地獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息,并及時采集、更新和修正相關(guān)數(shù)據(jù)。

RS、GPS與GIS有機(jī)統(tǒng)一、優(yōu)勢互補(bǔ)地集成控制模式,通過對農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確定位、快速獲取、動態(tài)更新,可提供多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、不同農(nóng)業(yè)作業(yè)模式等的現(xiàn)場數(shù)據(jù)查詢與科學(xué)分析判斷,實(shí)現(xiàn)實(shí)時、準(zhǔn)確、在線、高精度、高可靠、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化控制,從而為各種實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜農(nóng)業(yè)問題提供科學(xué)依據(jù)與解決方法。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)械中“3S”集成控制優(yōu)勢特征

3.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高質(zhì)量

農(nóng)業(yè)機(jī)械中“3S”集成控制的應(yīng)用有利于農(nóng)業(yè)機(jī)械使用、維護(hù)和調(diào)整,改變傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)具單一的使用模式,依靠“3S”集成控制系統(tǒng),傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械與現(xiàn)代“大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)形成一個有機(jī)整體,使農(nóng)業(yè)機(jī)械在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中利用系統(tǒng)實(shí)時采集準(zhǔn)確動態(tài)數(shù)據(jù),科學(xué)自主調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作業(yè)狀態(tài),有效改善傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中“過去時與現(xiàn)在時”嚴(yán)重脫節(jié)不合理問題。同時,在“3S”集成控制協(xié)作下,集成控制系統(tǒng)對對應(yīng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時反饋與性能監(jiān)控,及時發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械與工作環(huán)境存在的問題,實(shí)施降速工作或停機(jī)保修,最大程度上保證農(nóng)業(yè)機(jī)械的平穩(wěn)運(yùn)行與作業(yè)效能,從而,有助于保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量,促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化高質(zhì)量生產(chǎn)。

3.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高精度

農(nóng)業(yè)機(jī)械中“3S”集成控制的應(yīng)用有利于智能化農(nóng)機(jī)發(fā)展,農(nóng)業(yè)管理和農(nóng)戶通過海量的數(shù)據(jù)庫資源與高效率信息處理模式,智能農(nóng)機(jī)系統(tǒng)利用相關(guān)動態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行科學(xué)判斷與智能決策,依據(jù)實(shí)時采集的動態(tài)數(shù)據(jù),更新相關(guān)農(nóng)業(yè)信息,不斷調(diào)整農(nóng)業(yè)作業(yè)流程,改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依靠“農(nóng)民經(jīng)驗(yàn)”判斷不全面的問題。同時,在“3S”集成控制協(xié)作下,農(nóng)業(yè)機(jī)械的控制系統(tǒng)通過多種傳感器(溫度、濕度、速度、位置傳感器)采集相關(guān)農(nóng)情數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,反饋農(nóng)業(yè)機(jī)械及相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài),并實(shí)時調(diào)整農(nóng)業(yè)機(jī)械及相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)定參數(shù)與工作流程,改善傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械及相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)性能,避免農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,農(nóng)業(yè)機(jī)械“漏、重、錯、過”的不合理問題,從而,有助于保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精準(zhǔn)性,促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化“高精度”作業(yè)。

3.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效率

農(nóng)業(yè)機(jī)械中“3S”集成控制的應(yīng)用有利于農(nóng)業(yè)機(jī)械高質(zhì)量、高精度智能化發(fā)展,也有利于降低傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(播種、植保、收獲)的生產(chǎn)成本,減少農(nóng)業(yè)植保(灌溉、施肥、噴藥)的化肥、農(nóng)藥等用量。在“3S”集成控制協(xié)作下,集成控制系統(tǒng)降低農(nóng)業(yè)機(jī)械故障率,避免農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中因維修耽誤農(nóng)時的問題,提高農(nóng)業(yè)機(jī)械有效利用率。同時,隨著“3S”集成控制與人工智能技術(shù)融合應(yīng)用的不斷進(jìn)步,現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程對于傳統(tǒng)人工需求不斷減少,在降低農(nóng)業(yè)用工成本的基礎(chǔ)上,大幅度改善農(nóng)業(yè)精細(xì)化作業(yè)水平,保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量,有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)效率,促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化“高效率”作業(yè)。

3.4 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高可靠性

農(nóng)業(yè)機(jī)械中“3S”集成控制的應(yīng)用有利于農(nóng)業(yè)機(jī)械利用控制系統(tǒng)中的大量的檢測元件完成目標(biāo)農(nóng)業(yè)作業(yè)對象的狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)收集及信息處理等的“自主”工作,還可以利用大量檢測元件組合傳感器對農(nóng)業(yè)機(jī)械的傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、農(nóng)業(yè)機(jī)械行駛狀況、周圍農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境等信息進(jìn)行動態(tài)的數(shù)據(jù)采集,并根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械“實(shí)際狀態(tài)”與“標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)”進(jìn)行對比,第一時間發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的問題,實(shí)時進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械狀態(tài)的動態(tài)預(yù)警、及時修正、實(shí)時調(diào)整及故障反饋與快速維修,確保農(nóng)業(yè)機(jī)械及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)始終處于正常、正確、規(guī)范運(yùn)行狀態(tài),有助于保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定,促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化“高可靠性”作業(yè)[8]。

4 結(jié)論

隨著我國的社會發(fā)展與科技進(jìn)步,傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正面臨著巨大挑戰(zhàn),通過“3S”技術(shù)中的RS、GPS和GIS 3大技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用討論,深入地分析了農(nóng)業(yè)機(jī)械中RS與GPS集成,GPS與GIS集成,GIS與RS集成,RS、GPS與GIS集成的控制模式,探析了農(nóng)業(yè)機(jī)械中“3S”集成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高質(zhì)量、高精度、高效率、高可靠性的主要優(yōu)勢特征,為實(shí)現(xiàn)我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向高質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、可持續(xù)的現(xiàn)代化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變提供參考。