精确农业
精确农业技术体系的组成、关键技术原理及其应用前景如何
一、精确农业的概念
精确农业亦称作“精细农业”或“精准农业”。它建立在“空间差异”和“时间差异”的数据采集和处理上。实时测知作物(畜禽)个体小体或小地块生长及疫病的实际情况。进而确定其针对件投入的最佳数量和时机，以求最优效果最低代价。
精确农业有广义和狭义之分。广义的精确农业（PrecisionAgriculture）又叫精准农业、精细农业，包含种植业、养殖业、农产品加工业，即所谓的大农业，是指为了挖掘并谋求种植业和畜牧业利润最大化，所采取的精确投入的农业生产管理手段。包含精细农作（PrecisionFarming）、精确养殖（PrecisionFeeding）和精确加工（PrecisionProcessing）等方面。狭义的精确农业是指单纯的种植业，即面向大田作物生产的“精确农作”（PrecisionFarming）技术，是基于农业信息技术与机械装备技术集成的现代农田“精耕细作”技术。所谓精确农业或精确农作是一种基于农田小区作物生长环境差异性实施变量投入的生产管理技术，能按照田间每一操作单元的具体条件精细准确地调整各项土壤和作物管理措施，最大限度地优化各项农业投入，以获取最高产量和最大效益，同时保护农业生态环境和农
业资源。
综上所述，精确农业是指利用全球卫星定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感（RS）、决策支持系统（DSS）和变量控制技术（VRT）等现代高新技术，与农学、土壤、植保等学科相结合，获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素（如土壤结构、地形、植物营养、含水量、病虫草害等）实际存在的空间和时间差异性信息，分析影响小区产量差异的原因，采取技术上可行、经济上有效的调控措施，区别对待不同农田小区，按需实施定位调控的“处方农作”。
二、精确农业的体系组成
精确农业做为一种管理战略，从实施过程角度看，由三部分组成：(1)在适当的规模和频率下，采集数据；(2)解释和分析这些数据；(3)在适当的规模和时空上实施管理决策，验证管理反映。精确农业最重要最有影响的部分是管理决策如何解释并符合作物生产体系中的时空易变性。
三、关键技术原理
精确农业技术的关键技术主要包括：
1、全球定位系统（GPS）
精确农业中的定位信息采集与处方农作实施。需要采用全球卫星定位系统。它一般由卫星、地面站组和用户设备等组成。现投入运行的有美国GPs系统和俄罗斯的GOLNASS系统。近几年来。GPs产业技术发展迅速。若干大公司迅速涉足农业领域。提供了用于农田测鼋的DGPS产品。现有国外农机厂商配套的GPs产品，大多采用EJI方式引进关键部件进行二次开发后嵌入农业机械应用系统中。可使性能价格比屁著改善。CPs作为农业空间信息管理的基础设施。一旦建立起来，即不但可服务于精细农作，也可用于农村规划、土地测量、资源管理、环境监测等定位服务。其农业应用技术开发的前景广阔。
2、 地理信息系统（GIS）
地理信息系统可比作精确农业的大脑。主要由计算机硬件系统、软件系统、空间数据库和管理人员组成。它可将传感器或监测系统采集的数据随时输入。带有持久性的数据可以一次事先存入或定期存入。专家系统及其它决策支持系统也可事先存人。在精确农业技术体系中主要用于建立农田土地管理、土壤数据、自然条件、作物苗情、病虫害发生发展趋势、作物产量的空间分布等的空间信息数据库和进行空间信息的地理统计处理、图形转换与表达等。为
分析差异性和实施调控提供处方信息。由于农业活动涉及广阔的地理空间和各种管理信息都有明显的空间随机分布性，GIS在农业中具有广泛的应用价值。
3、 遥感（RS）
遥感技术是精确农作技术体系获得田间数据的重要来源，它可以提供大量的田间时空变化信息。基本上达到了实时监测。该系统具有时效强、灵活、精度高等特点。目前已用于森林虫害监测。果园病虫害监测、农作物病虫害监测、产量和肥
力图制作。可显示出由于农田土壤和作物特性的空间反向光谱变异性，提供农田作物生长的时宅变异性的信息。在一季节中不同时间采集的图像。可用于确定作物长势和条件的变化。由于应用卫星遥感的成本比航空摄影的成本低一半以上。卫星遥感技术预计在21世纪的前5年内。在精确农业技术体系中扮演重要角。
4、 收获机械产量计量与产量分布图生成技术
产量分布图记录了作物收获时产量的相对空间分布，收集了基于地理位置的作物产量数据及湿度含量等特性值，是确定空间处理方案的基础，也是实施精确农业管理的起点。农作物收
获过程中的产量自动计量传感器是精确农业田间产量信息采集的关键技术。其产品仍集中于小麦、玉米、水稻、大豆等谷类作物收获机械方面。能够记录谷物流量、谷物湿度、收获面积等农田小区产量数据以及DGPS定位数据。
5、 田间变量信息采集与处理技术
快速、有效采集和描述影响作物生长环境的空间变量信息，是实践精确农业的重要基础。优先需要考虑的主要是土壤含水量、肥力、SOM、土壤压实、耕作层深度和作物病、虫、草害及作物苗情分布信息采集等。
现有的土壤信息采集方法是基于定点采样与实验室分析相结合，耗资费时、空间尺度大、难于较精细地描述这些信息的空间变异性，不能满足精确农业管理的需要。
6、 作物生产管理决策支持系统
决策支持系统是能对计划、管理、高度、作战指挥和方案寻优等应用问题进行辅助决策的计算机程序系统。一般决策过程由问题识别、建立模型、执行模型、评判决策、修改模型五个阶段组成。近年来。不少专家提出应把专家系统的技术加入到决策支持系统中去。建造“智能
决策支持系统。以提高系统的决策水平和决策自动化稃度。
7、 变量控制技术（VRT）
包括可改变特定物质投入量，甚至同时成倍地增加投入量的专业化控制器，达到适合于特定田块的理想施人量的技术。主要有两种，一种是基于图谱的技术，需要GPS／DGPS和可贮存适于每一田块不同位置的理想施入量设计的指令装置；另一种是基于传感器的技术，不需要地理信息系统，但包括通过对土壤的实测分析和作物传感器测定，确定特定地块的物质投入的动态指令装置。
8、 智能化变量农作机械
智能化变量农作机械是实践精确农业的标志。比较成功和效益较好的智能化变量农业机械有施肥、喷药、播种和灌溉等农业机械，能够实施按处方图进行农田投入调控。
精确农业中大功率、高速度、大幅宽作业机械安装有作业智能导航和自动驾驶技术。农田作业机械导航系统可分为辅助导航和自动导航类型，按照工作原理又可分为机器视觉导航、GPS姿态传感器导航和多传感器融合导航等。
四、国内外精确农业的前景
1、国外精确农业研究的现状和趋势
精确农业首先始于发达国家。随着发达国家农业生产市场化程度的提高，农业生产中降低成本、提高投入产出率、发展优质高效农业的要求以及环境保护、资源利用、农业可持续发展等方面的要求，迫切呼唤经济效益、社会效益、生态效益同步增长的新型农业的出现。在20世纪80年代美国提出精确农业构想，其间微电子技术发展推动的智能化监控技术的发展以及作物生长模拟、栽培管理、测土配方施肥等农业专家系统构成了精确农业早期技术基础。1990年海湾战争以后，美国将GPS全球定位系统）技术应用到农业生产领域，标志着精确农业技术体系的初步形成，1992年4月在美国召开第一次精确农业学术研讨会，精确农业这一概念逐渐被人们所接受。1993—1994年，美国明尼苏达州农场进行了精确农业技术试验，取得了巨大的成功，用GPS指导施肥的作物产量比传统平衡施肥作物产量提高30%左右，而且减少了化肥施用总量，经济效益大大提高。精准农业的试验成功，使得其技术思想得到了广泛发展，小麦、玉米、大豆等作物生产管理都开始应用精确农业技术。1995年美国一些地区农场开始采用装备了全球卫星定位系统的联合收割机。通过电子传感器和全球定位卫星，
这些农机在收获季节可以不间断记录下几乎每平方米的产量及其他信息。有些数据可以利用专门的电脑软件由农场的计算机加以处理，农场就可以据此绘制出农场各地块产量的地图，从而剔除一些产量低的作物品种。由于精确农业实行了因土而异、因时而异、因作物而异的耕作方法，它在节约各种原料的投入、降低农业生产成本、提高土地收益率和环境保护等方面都明显优于传统农业。
美国非常重视精确农业的实践与发展，国家研究委员会专门立项对有关发展战略进行研究，经过由美国科学院、美国工程院院士组织评估，于1997年发表了“21世纪的精确农业———地理信息技术在农业管理中的应用”研究报告，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“精确农业”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。1998年美国副总统戈尔提出要建立1米分辨率的“数字地球”的概念，在地理信息学术界引起了广泛的反响，并有力地推动了精确农业的实践与发展。到1998年末，在美国主要农业区，采用这项集成技术的农场，包括只采用一项组分技术的占农场总数的20%以上。据专家预测，到2005年美国将全面进入精确农业时代。
联邦德国农业研究所最近在马格德堡推出一种高精度犁，这种新型犁能根据不同土质和地型地貌精确地进行松土，德国农业和土地利用研究中心特别研制了一套播种软件，在卫星遥测技术的配合下，这套软件能够精确计算出不同地点的播种密度，使得高精度犁更加适合于开沟播种。日本农林水产省和一些大型农业机械生产厂家正合作研究将卫星技术用于农业生产，计划在202年前开发出利用卫星定位系统的农业机械。英国、荷兰、巴西、马来西亚等国也开始精确农业的试验示范应用。
现阶段美国在精确农业研究与应用领域处于领先地位，在美国加里福尼亚及德克萨斯州部分地区已经实现用精确农业技术耕作。美国各大学农业工程系均在进行精确农业技术研究及推广应用。目前，美国农业fT程界正致力于土壤元素含量测定技术及装备的研究，以及产最监测系统研究。如：新型移动或土壤肥力测定器与手动探测方法对比研究。多功能图像仪及地理系统用于处方农业管理及产量监测确定施肥变量的研究等。瑞典农业T程研究所进行了变量氮肥对作物产量及质量影响的研究。法国谷物研究所进行了根据作物及土壤特性采用变量氮肥实施技术研究。日本农业工程科研机构在农业生产设备自动化控制技术方面进行了大量的研究。
2、我国精确农业应用的现状及前景
目前我国精确农业尚处于探索研究阶段。政府对精确农业工作十分重视，国家“十五”时期科技战略重点将发展精确农业技术、提高农业生产水平作为重中之重，国家863计划在全国20个省市开展了“智能化农业信息技术应用示范工程”；我国广大农业科技工作者积极投身这一农业前沿科技领域的研究，在精确农业技术的研究、示范推广中开展了卓有成效的工作。目前，我国已有了自己的精确农业研究机构，即以中国工程院院士汪懋华为学科带头人的中国农业大学精细农业研究中心，该中心已在国际国内多种期刊和重大农业会议上发表了数篇论文，有利地推动了我国精细农业理论研究发展。目前正在从事GPS定位试验、谷物产量传感器、土壤水分测试和水果图像分级等方面的研究，并参与了“北京市精准农业示范工程”的实施。辽宁省用GPS农业致富项目地理信息系统进行下辽河平原农业生态管理的应用研究；国家973项目“地球表面时空多变要素的定量遥感理论及应用”的科研人员于2000年10月至2001年5月小麦生长期间，在北京顺义地区开展大型星、机、地一体化定量遥感综合试验；一些地区已将精确农业技术引入农业生产实践并取得了可观的经济效益。如新疆生产建设兵团一二七团从1996年开始就实施精确农业技术措施，拓宽了团场经济发展致富路，该团十四连2000年棉花总产达$196万公斤，比1999年增加60万公斤。

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