精确农业 Precision Agriculture

Digital Agriculture 课程授课讲义课程授课讲义

东北农业大学计算机科学系东北农业大学计算机科学系计算机专业教研室计算机专业教研室20042004年年 88月月

精确农业Precision Agriculture

NEAU Computer Science and Technology

agenda

• 研究背景• 精确农业精确农业的含义• 精细农业技术思想 • 精确农业精确农业的技术体系• 面临问题• 国外 PA 的发展


研究背景 • 九十年代初以来在一些发达国家在农业领域开展了一种具有

创新意义的技术思想体系的研究与实践 -Precision Agriculture

• 美国国家研究委员会（ National Research Council ）为此立项组织一批多学科著名专家对有关发展研究进行了评估，研究报告经过由美国科学院，工程院和医学科学院院士组成的评估组进行审议。

• 1997 年发表了“ Precision Agriculture in the 21st Century－ Geospatial and Information Technologies in Crop Management” 研究专著，全面分析了美国农业面临的压力、信息技术为改善作物生产管理决策和改善经济效益提供的巨大潜力，阐明了 PA 的技术体系研究的发展现状，面临的问题及其支持技术产业化开发研究的机遇。


• 1997 下半年起，我国科技界在研究推进新的农业科技革命中，对国外这一技术体系的发展趋势，也引起了广泛的关注。新闻媒体陆续有了一些报导，国内外有关的学术交流与合作联系开始活跃，国外有关产业界开始关注中国走向 21 世纪实现农业现代化、信息化中这一巨大的潜在技术市场。


相关名词• 空间变动作物生产（ Spatial—Variable Crop Produ

ction ）• 基于 GPS 的作物管理（ GPS—Based Crop Manage

ment ）• 处方笺管理（ Prescription Management ）、• 基于小区的农业（ Site—Specific Agriculture ）• 精确农作（ Precision Farming ）• 精准农业• 精细农业等


PA 和 PF 区别• PA （ Precision Agriculture ）与 PF （ Prec

ision Farming ）本质上没有什么• PA 的意义更广，指的是更大范围内农业的信息化集成管理，涉及到耕种、养殖和加工等领域的产业系统

• PF 一般是指田间作物生产的精细管理• 从目前的发展状况上讲， PA 与 PF 可认为是一致的，美国人称 PA ，而欧洲人喜欢称 PF 。


ASAE 的定义• ASAE-- （ American Society of Agricultural

Engineers ）美国农业工程师协会 • 精确农业就是针对田间不同的局部地块（或称小区）的土壤、地理等条件，通过适当的方法在适当的位置投入适量的物质（如种子、农药、化肥等）而实施的一种田间管理方式，其目的就是同时实现生产效率的提高和环境保全的持续发展。


精确农业精确农业的含义

• 定义　　它是基于作物处于农田地块环境条件的差异性，精确地定位、定量、定时获取作物及其生长环境的信息数据，按照效益最优、环境污染最小的原则，根据这些信息及时或实时做出合理决策，自动生成耕作指令数字图，指令智能化农机具实施灌溉、施肥、杀虫、除草等相应的耕作措施，这样一整套农业生产技术称之为精确农业。


精细农业技术思想


中国精确农业发展• 分三个阶段实施，是一个渐进过程• 第一阶段为引进、试验、示范阶段。从根本上讲，最重要的是引进精确农业的概念。要根据中国实际，引进必要的技术和装备，建立试验示范点，探索精确农业规律和技术，摸索经验

• 第二阶段将试验示范工作扩展到大型国营农场和小型农户，即抓一大一小，大小并举，特别要注重在小型农户中实施精确农业的概念和方法，进一步探索规律和积累经验

• 第三阶段，在多点试验示范基础上，形成中国特色的“精确农业模式”，并在部分地区形成农业实用化和产业化。


精确农业精确农业的技术体系• 全球定位系统（ GPS ）• 地理信息系统 (GIS)

• 遥感技术 (RS)

• 作物生产管理智能化辅助决策支持系统 (DSS)

• 收获机械产量计量与产量分布图生成技术 • 农田信息采集与处理技术 • 智能化处方农作机械 • 系统集成技术 • 计算机自动控制技术　


面临问题• 1 、认识不足问题 • 2 、社会经济问题 • 3 、工程技术问题 • 4 、农业信息技术问题 • 5 、技术推广问题


1 、认识不足问题 • “精确农业”首先是一种基于信息和知识科学管理农业资源的新理念，因此，从某种意义上来说，精确农业技术的技术思想可以在任何地区、不同农业生产条件、不同作物生产上进行推广应用。一些研究人员，由于受到其研究领域的约束，对国际精确农业技术发展现状及趋势不太了解，对精确农业技术思想往往产生一些错误的认识。


2 、社会经济问题 • 中国各地的自然条件、社会经济条件差异明显，农业生产水平差距较大，多数地区实行家庭经营小生产方式，机械化程度不高。耕种规模很小，土质不同，土地分散，实践精细农业技术显然是一种制约因素。如何发展规模经营，如何推广适合我国国情的精确农业技术组装模式有待进行研究。另外，实施精确农业技术要有一些必需的软硬件系统，需要基本的资金投入，这些投入的回报周期、经济效益评估甚至是环境效益评估等社会经济问题也有待研究。


3 、工程技术问题 • 国际上几个大型的农机制造企业相继生产出带有 G

PS定位系统和产量传感器的收割机，并研制开发了相应的信息处理系统。在我国，精确农业技术试验示范已经开始，但主要是靠技术设备的引进。这种方式显然不能在我国广大地区推广使用。目前我国支持精确农业实践的一些关键技术尚未解决，例如土壤肥力信息定位快速采集技术、收获机械谷物流量监测与作物产量空间分布信息生成技术、智能化变量机械控制技术等。因此，在我国推广精确农业技术，需要大力开展有关精确农业关键技术的科学研究和培养相关人才。


4 、农业信息技术问题 • 精确农业技术实践成功与否，很大程度上取决于农业信息化的技术水平，建立区域性农业信息数据库，其中包括大量农田边界测量数据、密集测量的土壤属性数据、若干年的各个地块的投入、产量、收益、利用率、气候、生产条件等历史数据等


已经建立的资源• 中国农作物种质资源数据库• 全国农业经济统计资料数据库• 植物检疫病虫草害名录数据库


• 但这些农业宏观信息数据库，因为缺乏整体规划和标准化以及数据管理共享政策等原因，而没有发挥其应有的作用

• 更为突出的问题是：对于我们这样地域辽阔，农业生产的地区特性十分明显的国家，我们的快速有效获取信息的手段还很不成熟，影响对农业发展的现状和趋势的准确掌握。


5 、技术推广问题 • 在我国，精细农业的技术思想已经在农业发达地区开始传播，在科技和产业界引起了重视。精细农业技术试验示范在部分地区开始启动，部分高等院校开设了有关精细农业的课程。但是，精细农业技术的推广是面向农田使用者，而大部分农田用户的技术素质普遍比较低，农业生产水平不高，产业化程度低，接受农业新技术新方法的意识和观念比较淡薄，对农业新技术的推广认识不明确。农业技术推广队伍的规模较小，服务领域较窄，多集中在产中服务方面，缺乏进行系统化服务和帮助农民用户获得信息和效益的能力。我国尚未健全适应社会主义市场经济体制的推广体系，推广经费严重缺乏，处于“勉强养兵，无钱打仗”的状态。这些都是制约精细农业技术推广效果的重要因素。



国外 PA 的发展


美国 TASC/WSI 公司的精确农业遥感

• 该公司由三个分公司组成：信息获取、信息处理、信息分析• 目前利用小型机载 Kodak DC460 CCD 相机加上 GPS 和 IMU像移补偿装置进行全色、彩色和彩红外摄影。 CCD相机尺寸为 3k ×2k ， f=28mm, 像素为 9μm 。每次飞行 3.5h , 达到 300hm2 面积，经 48h 加工后将成品用CD-ROM形式向农民提供 (几何精度为 0.2~1.0m) 。农业技术员通过实地抽样调查得到征兆图，供采取对策和行动使用。


GER 公司的 GEROS 计划• 这是一个美籍华人公司提出的农业监测小卫星计划。计划由 6颗小卫星组成，每颗卫星扫描带宽为 120km, 重访周期为 3天左右。主要装有可见光、短波红外两种遥感器，从第三颗卫星起，再装上一台热红外扫描仪以获取地表温度等信息，用于农作物长势、病虫害、水灾旱灾监测，为 " 精细农业 "服务，收费估计为每英亩 1 美元。


美国 21 世纪资源公司• 该计划的精细农业是将由 4颗小卫星组成的遥感系统与 GPS 、

GIS 技术相结合，实现从 "征兆 "图到 "诊断图 " 以及制定 " 实施计划 " 的信息农业。四颗卫星的基本参数为：

• ·重量 500kg, 三轴稳定 , 地面分辨率 10m, 短波红外为 20m 。

• 5波段多光谱遥感器：蓝 0.45~0.52 μm, 信噪比 119~49;• 绿 0.52~0.60 μm, 信噪比 140~50;• 红 0.63~068 μm, 信噪比 123~36;• 近红外 0.77~0.90 μm, 信噪比 171~52;• 短波红外 1.55~l.65 μ m, 信噪比 464~133• ·15.9 。推扫式成像• 205km 地面带宽• ·176GB 数据存贮能力


AFS 凯斯先进农作系统 • AFS （ Advanced Farming System ）是美国

Case IH公司开发的一个支持精细农业技术的先进农业管理系统。 AFS 的宗旨是挖掘农作物产量潜力，提高生产收益。


AFS 包括六个阶段• 第一个阶段是规划（ Planning ） • 第二阶段是整地（ Preparing ） • 第三阶段是播种（ Planting ） • 第四阶段是栽培管理（ Growing ） • 第五阶段是植保（ Protecting ） • 第六阶段是收获（ Harvesting ）


美国凯斯先进农作系统（ AFS ）图


Field Star—AGCO 农田之星系统

• Field star 是英国 Massey Ferguson公司研制开发的支持精细农业技术体系的一个农田信息管理系统。它利用先进的传感技术和 GPS技术自动记录产量和其他有关数据，自动控制和优化实施播种、施肥和喷药作业。其最终目标是获取最大利润，改善对环境的影响。


Fieldstar 包括三个循环部分。 • 第一部分是记录数据 • 第二部分是数据分析和制定处方 • 第三部分是机械控制和处方实施


英国 AGCO 农田之星系统（ FieldStar ）示意图


Green Star — John Deere 绿色之星系统

• Green Star 是美国 John Deere公司研制开发的支持精确农业技术体系的一个农业管理系统。它能够“按需投入”实施农田作业，即在农田低产区避免过多的投入，而在高产区满足作物需求，以提高经济效益和环境效益为目的管理好作物生产。 Green Star 分四个部分，即精细农作、农机管理、计划管理和农艺管理。


Greenstar 包括四个循环部分• 精细农作• 农机管理• 农艺管理• 计划管理


美国迪尔绿色之星系统（ Green Star ）


精确农业精确农业系统的集成实例



PA 国内发展现状


精细农业示范工程项目• 北京和上海精细农业示范工程项目已开始启动实施

• 我国还有哪些精细农业示范工程？


新疆生产建设兵团



引进机械• 东北垦区近两年已分别引进了 CASE 和 John

Deere 公司生产的，带产量监视器的谷物联合收割机各一台，华南农大引进了一台带 DGPS 和 Field Star 农田之星的 Massey Fegurson 拖拉机，着手开展引进技术的试验研究。


开展研究工作• 中国农业大学精细农业研究中心、中国农业科学院土肥所、浙江大学农业工程与食品科学学院、西北农林科技大学机电工程学院、华南农业大学等单位，近两年来先后引进了 DGPS 、 GIS 、 RS设备开展了有关的研究工作。

• 农作物生长性状遥感监测、土壤养分和水分快速监测、作物生长模型、专家系统、决策支持系统、施肥、喷药、灌溉的智能化技术研究已在中国农业大学、中国科学院、中国农业科学院、北京市农林科学院等单位展开。


机构建立• 中国农业大学在农业电气化与自动化部级重点学科基础上，于 1998 年正式建立了我国第一个“精细农业”研究中心，发展了与国外同行的广泛交流合作，加强了支持技术研究开发，为全国许多地区和单位立项提供了技术咨询服务；并带动了在浙大、华南农大、西北农林科技大学和河北农业大学等精细农业研究试验室的建立和研究生的培养工作。


已有成果• 中国科学院南京土壤所和中国农业大学等单位在国家基金委和中国科学院的资助下，经过近 20 年的研究，基本完成了能与国际接轨的中国土壤系统分类，并在基层分类研究做了深入工作。

• 这对精细农业技术实施中的基本数据详查和数字化以及已有资料的转换具有重要指导作用


• 在农田土壤和植物养分、水分监测的方法和技术方面做了大量研究。

• 其中以电化学理论为基础的农田养分速测仪已经进入市场

• 农田节水灌溉智能监控系统、温室和水体环境智能监控系统已在全国十多个省市得到推广。



应用技术


变量施肥


遥感图像


变量播种、施肥


联合收割机的应用


土壤采样及分布图


GIS 系统


产量分布图


变量灌溉


土壤电导率的测量



温室智能控制系统温室智能控制系统


智能温室控制系统

NEAU Computer Science and Technology室外气象站

各种传感器

摄像设备

CO2

传感器

光照传感器

温湿度传感器


智能温室环境测量控制系统的状态显示窗口


韩村河蔬菜生产示范基地

小汤山特菜基地。


在生产温室安装的环境测控系统传感器


• 在北京花乡示范点安装温室智能控制系统



农业地理信息系统农业地理信息系统

NEAU Computer Science and Technology部分土壤养分空间分布图


农田地理信息系统：田块属性信息专题分析功能


浏览推理过程


灌溉管理信息系统

文件管理模块

灌区描述模块

灌区需水模块

配水计划模块

用水统计模块

灌溉进度模块

数据传递模块

渠系监控模块

水费管理模块

系统维护模块

灌区用水管理软件基本框架


精量控制用水系统


精量控制用水系统

灌溉自动化计算机控制系统软件


作物水分信息 - 基于冠层温度的便携式灌溉管理系统

基于冠层温度的便携式灌溉管理系统集成方案


精量控制用水系统 - 智能控制设备研制

智能控制设备研制组图


实时感应作物水分状况


土壤含水量测定传感器



Thanks!

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