讓種田精準(zhǔn)高效
——衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

● 文|北京空間科技信息研究所 贠敏

讓種田精準(zhǔn)高效
——衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

● 文|北京空間科技信息研究所 贠敏

俗語道：民以食為天。農(nóng)業(yè)是我們的衣食之源，生存之本，我們每天的生活都與農(nóng)業(yè)息息相關(guān)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是一種現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)理念，就是將最先進的科技應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，從而達到科學(xué)合理利用農(nóng)業(yè)資源、提高農(nóng)作物產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染、提高農(nóng)產(chǎn)經(jīng)濟效益的目的。目前中國糧食連續(xù)多年穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，已儼然是一個農(nóng)業(yè)大國，但并非農(nóng)業(yè)強國，原因在于中國平原較少，機械化程度不高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力仍然并長期落后的現(xiàn)實難以改變。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)代表著當(dāng)今科技含量最高、綜合性最強的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)。農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化生產(chǎn)，將是我國農(nóng)業(yè)走上現(xiàn)代化道路的一個重要標(biāo)志。更好更快地發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)將是中國從農(nóng)業(yè)大國邁向農(nóng)業(yè)強國的重要一環(huán)。

一、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（Precision Agriculture）是依靠信息技術(shù)支撐，實現(xiàn)精準(zhǔn)播種、精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)灌溉、精準(zhǔn)動態(tài)管理和精準(zhǔn)收獲，通過精細(xì)化管理實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效益、可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)發(fā)展新潮流。其核心是全球衛(wèi)星定位技術(shù)、地理信息技術(shù)、遙感技術(shù)和計算機自動控制技術(shù)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)這一概念最早是20世紀(jì)80年代末由美國、加拿大的一些農(nóng)業(yè)科研部門提出的。1993年，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)首先在美國明尼蘇達州的兩個農(nóng)場進行試驗，結(jié)果當(dāng)年用GPS指導(dǎo)施肥的作物產(chǎn)量比傳統(tǒng)施肥的作物產(chǎn)量提高30%左右，同時減少了化肥施用總量，經(jīng)濟效益大大提高。此后，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)開始興起，目前已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種普遍趨勢。多年實踐經(jīng)驗表明，引入衛(wèi)星導(dǎo)航的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)能夠使不同地區(qū)、不同條件下的作物增產(chǎn)3% 到50%，大大降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人力、資金和原材料（種子、肥料、農(nóng)藥、能源等）成本。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)主要包括農(nóng)業(yè)機械控制、精準(zhǔn)病蟲防治和灌溉、農(nóng)田資源的普查和規(guī)劃等。

1.農(nóng)業(yè)機械控制

衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械控制中的應(yīng)用主要包括變量施肥播種機、聯(lián)合收割機、無人駕駛拖拉機等。

（1）變量施肥播種機

精細(xì)農(nóng)業(yè)變量控制的出發(fā)點是把大田塊細(xì)化為小田塊，按小田塊收集田間狀態(tài)信息，根據(jù)其差異性做出作業(yè)決策，即依據(jù)當(dāng)前土壤養(yǎng)分狀況和作物生長狀況等田間狀態(tài)信息編制出田間施肥或播種變量作業(yè)處方信息。作業(yè)處方信息包括田間不同區(qū)域應(yīng)有的施肥量或播種量、定位信息、步進電機步進值等農(nóng)事變量作業(yè)信息，并有針對性地加以實施。但不同的農(nóng)田，農(nóng)田信息分布空間差異較大，導(dǎo)致單位網(wǎng)格作業(yè)面積的大小定義差距較大，這樣就必須根據(jù)網(wǎng)格大小采用不同精度的GNSS或DGPS數(shù)據(jù)。

☆ 變量施肥播種機

（2）聯(lián)合收割機

在聯(lián)合收割機上安裝全球定位系統(tǒng)接收機和地理信息系統(tǒng)，在農(nóng)作物收獲的時候，利用GNSS技術(shù)和產(chǎn)量傳感器，由此獲得農(nóng)田作業(yè)區(qū)內(nèi)不同區(qū)域、不同地塊的農(nóng)作物產(chǎn)量分布，把這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后可以制作產(chǎn)量分布圖。之后，再將影響農(nóng)作物生產(chǎn)的種種因素數(shù)據(jù)輸進計算機，從而通過產(chǎn)量數(shù)據(jù)對比的方式，確定農(nóng)作物產(chǎn)量分布不均勻的原因，并且制定相應(yīng)有效的措施。由此，設(shè)計出農(nóng)業(yè)機械的智能控制軟件。在農(nóng)田作業(yè)過程中，根據(jù)按需投入的原則，推進分布式投入，并綜合分析某個農(nóng)田、具體田塊的總產(chǎn)量有沒有提高或者減產(chǎn)，然后制定新的針對性更強的田間投入方式。相應(yīng)的利用農(nóng)作物的產(chǎn)量分布圖，可以控制聯(lián)合收割機的行駛速度、割幅，從而控制收割速度、脫粒喂入量，達到最佳的收割效果和最大的收割效率。

☆ 聯(lián)合收割機

（3）無人駕駛拖拉機

無人駕駛拖拉機是由固定操作站控制的無人駕駛農(nóng)業(yè)機械，在衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)或在田間附近地面系統(tǒng)的導(dǎo)航下工作，具有很多優(yōu)越性：可實現(xiàn) 24小時內(nèi)連續(xù)精確作業(yè)；沒有駕駛員，就沒有必要安裝駕駛室和操縱機構(gòu)；可增加空間來安裝農(nóng)具，并減少機器重量，可提高機組工作效率。

☆ 無人駕駛拖拉機

☆ 無人駕駛拖拉機工作原理

2.精準(zhǔn)病蟲防治和灌溉

衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)在精準(zhǔn)病蟲防治和灌溉中的應(yīng)用主要包括精準(zhǔn)噴藥、精準(zhǔn)灌溉等。

（1）精準(zhǔn)噴藥

☆ 精準(zhǔn)噴藥飛機

精準(zhǔn)噴藥是運用GNSS監(jiān)測病蟲草害，是預(yù)測預(yù)報的新手段，通過GNSS系統(tǒng)連接高質(zhì)量視頻攝像系統(tǒng)拍攝分析圖像，可以收集原始數(shù)據(jù)，監(jiān)測大田作物，得出田間病蟲草害分布大小位置，并可以通過逐次拍攝確認(rèn)害蟲的遷飛路線、種群數(shù)量和為害程度，以及病蟲草害發(fā)展方向及流行趨勢。如要對大面積農(nóng)田集中進行噴藥，則可選擇裝有差分GNSS（DGPS）的飛機。DGPS航空導(dǎo)航系統(tǒng)可以引導(dǎo)飛行員從機場直接前往作業(yè)區(qū)，在已設(shè)計的航線和高度飛行噴灑藥物，若飛行員加滿藥物再次返回作業(yè)區(qū)時，系統(tǒng)還能讓飛機到達上次藥物噴灑停止時的準(zhǔn)確地點，以確保既無重復(fù)噴灑又無遺漏區(qū)域。

（2）精準(zhǔn)灌溉

精確灌溉既能滿足作物生長過程中對灌水時間、灌水量、灌水位置、灌水成分的精確要求，又能按照田間的每個操作單元的具體條件，精細(xì)準(zhǔn)確地調(diào)整農(nóng)業(yè)用水管理措施，最大限度地提高水的利用效率。在田間運用GNSS土地參數(shù)采樣器采集植物生長的環(huán)境參數(shù)，如土壤濕度、地溫等，通過GNSS中心控制基站，利用專家系統(tǒng)進行植物分析，可以調(diào)控植物生長環(huán)境，精確調(diào)控節(jié)水灌溉系統(tǒng)。

☆ 精準(zhǔn)灌溉

3.農(nóng)田資源的普查和規(guī)劃

☆ 農(nóng)田普查GNSS手持機

在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，綜合應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、GIS和遙感技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)田信息的數(shù)字化、可視化管理應(yīng)用。技術(shù)人員利用GNSS手持機可以獲得農(nóng)田的地理位置信息。運用衛(wèi)星定位測量技術(shù)，能夠快速、高效、準(zhǔn)確地量算出作業(yè)面積等參數(shù)。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機獲得的農(nóng)田定位信息通過GIS轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的圖形，同田間的各種信息結(jié)合，形成反映該信息的專題圖和處方圖，如肥力分布圖、病蟲害分布圖等，用于農(nóng)作物科學(xué)施肥、病蟲害防治和估產(chǎn)等。

增加了衛(wèi)星導(dǎo)航定位功能的土壤水分溫度檢測儀在測試土壤含水率的同時，可以測定測點的精確定位信息（經(jīng)度、緯度），可隨時顯示采樣點的位置信息，并可將位置和水分、組數(shù)等信息存儲到主機內(nèi)，也可通過計算機導(dǎo)出。因而，能夠反映土壤水分的空間差異。不僅有利于實施節(jié)水灌溉，同時精確的供水也有利于提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。實現(xiàn)了含水率和三維位置信息的自動采樣處理。 通過衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)掌握土壤的水分（墑情）的分布狀況，為差異化的節(jié)水灌概提供科學(xué)的依據(jù)，同時精確的供水也有利于提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

二、格雷格夫婦玩轉(zhuǎn)三千英畝農(nóng)場

美國農(nóng)業(yè)人口占其全國人口總數(shù)的比例不到2%，不但養(yǎng)活了3億美國人，而且是全球谷物出口大國。美國農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)主要依賴家庭農(nóng)場，兩三個人一年就可以生產(chǎn)出上千噸的小麥或是玉米。美國220多萬戶的農(nóng)場中，大約有350多萬的農(nóng)業(yè)勞動力，其余的是小孩和老人等，每個農(nóng)場主平均經(jīng)營400英畝（大約2400畝）的土地。每個農(nóng)場的勞動力平均為1.6個。2010年，美國收入超過100萬美元的農(nóng)場有88%是屬于家庭農(nóng)場，而生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品占全美農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)量的79%。

☆ 格雷格夫婦家

格雷格夫婦是美國北達科他州河谷市的一家農(nóng)場的主人。格雷格夫婦的“家”并不是農(nóng)家小院，而是一棟普通的兩層民居，看上去跟美國城鎮(zhèn)里的大多數(shù)私人住宅沒有任何區(qū)別。格雷格的辦公室里是全套的現(xiàn)代化辦公設(shè)備，除了打印傳真一體機外，還有一臺通過衛(wèi)星連接上網(wǎng)的電腦。格雷格夫婦的農(nóng)場大約有3000英畝（約18000畝），農(nóng)場的主要農(nóng)作物是大豆、小麥、玉米和蕎麥。

格雷格的倉庫里停放著聯(lián)合收割機、四輪驅(qū)動拖拉機、風(fēng)鉆機、農(nóng)用軌道拖車、捆草機、播種機……這些農(nóng)業(yè)機械的總價值大約為22萬美元。這些農(nóng)業(yè)機械每個都有特定用途，正是它們把格雷格從繁重的體力勞動中解脫出來。格雷格十分珍愛他的“秘密武器”——一臺安裝了GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的大型拖拉機。這套自動駕駛和衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以使拖拉機由電腦控制作業(yè)，無需人工操作，而且耕地質(zhì)量高。

三、衛(wèi)星導(dǎo)航讓遼闊新疆棉糧滿倉

新疆位于我國西北部，總面積166萬平方千米，占全國陸地面積的1/6，主要作物有棉花及小麥、玉米、番茄等。新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團是我國重要的優(yōu)質(zhì)商品棉生產(chǎn)基地，2012年棉花產(chǎn)量占全國的20.68%。2015年，農(nóng)機管理標(biāo)準(zhǔn)化團場將達到90%以上，農(nóng)業(yè)綜合機械化作業(yè)水平達到93%，基本建成全國農(nóng)業(yè)機械化示范推廣基地。

☆ 棉花播種

☆ 棉花鋪膜

兵團應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航定位自動駕駛進行棉花播種，能一次完成鋪膜、鋪滴灌帶和播種一條龍作業(yè)，1000m播行垂直誤差不超過2cm，接茬準(zhǔn)確率達到2cm，徹底解決了農(nóng)機播種作業(yè)中出現(xiàn)的“播不直、接不上茬”的老大難問題。農(nóng)機駕駛員操作時只需踩油門和剎車，不用操作方向盤，實現(xiàn)24小時不間斷播種，有效降低了駕駛員勞動強度，播種率達100%，播行非常端直精準(zhǔn)，接茬準(zhǔn)確，對以后作物中耕打藥、施肥、收獲作業(yè)可保證不重不漏，農(nóng)機工作效率提高了50%。這項新技術(shù)的應(yīng)用，為農(nóng)作物后續(xù)田間作業(yè)打下了堅實基礎(chǔ)。

2013年，一四九團東阜城農(nóng)業(yè)公司使用衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)播種棉花5萬畝,僅節(jié)省土地這一項，5萬畝地能比原來多播1000畝，可增收250萬元。同時GNSS自動定位導(dǎo)航技術(shù)播種還可以提高種子、化肥、灌溉水的利用率，為今后一四九團發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)夯實基礎(chǔ)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化、機械化、精細(xì)化，最終實現(xiàn)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化效益，實現(xiàn)節(jié)本增效，進一步促進農(nóng)民增收。

四、衛(wèi)星導(dǎo)航讓“北大荒”變身“北大倉”

曾經(jīng)渺無人煙的北大荒如今已建起了我國耕地規(guī)模最大、機械化程度最高、綜合生產(chǎn)能力最強的國有農(nóng)場群，初步形成了以水利化、機械化、規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化為主要特征的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式，并成為國家重要的商品糧基地、糧食戰(zhàn)略后備基地和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地，被譽為“中華大糧倉”。60 多年來，黑龍江墾區(qū)累計生產(chǎn)糧豆3639億斤，向國家上交商品糧2538億斤。目前，黑龍江墾區(qū)用全省1/5的土地，生產(chǎn)出了全省1/3的糧食，其中商品糧占全省的1/2。

☆ 現(xiàn)代化農(nóng)機作業(yè)

建設(shè)現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)，需要現(xiàn)代化的大農(nóng)機。墾區(qū)農(nóng)機裝備水平和農(nóng)機化發(fā)展水平保持國內(nèi)領(lǐng)先，達到世界發(fā)達國家先進水平。2004年以來，墾區(qū)引進具有世界先進水平的大馬力拖拉機、大型聯(lián)合收割機和配套的具有保護性耕作技術(shù)的農(nóng)機具。截至目前，已擁有世界智能化大馬力現(xiàn)代農(nóng)機裝備600臺(套)，重點裝備了226個作業(yè)區(qū)。這些大“寶貝”集衛(wèi)星定位、自動導(dǎo)航、精量播種、變量施肥于一體，一次完成深松、淺翻、整地、播種、和墑、鎮(zhèn)壓6項作業(yè)，使墾區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率大幅提高，過去20天的活兒，現(xiàn)在三五天就結(jié)束了。

五、北斗與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的完美結(jié)合

溫濕度感應(yīng)、自動光照、智能灌溉……農(nóng)民只需要一臺電腦甚至一部手機，就能掌握田間地頭分分秒秒的變化，做出合理的資源調(diào)配，對農(nóng)田進行“精雕細(xì)刻”……這是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為我們展現(xiàn)的現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的美好圖景。

☆ 北京現(xiàn)代農(nóng)業(yè)萬畝示范區(qū)示意圖

2013年7月，國內(nèi)首個“基于北斗系統(tǒng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用示范”項目，在北京順義現(xiàn)代農(nóng)業(yè)萬畝示范區(qū)趙全營鎮(zhèn)興農(nóng)天力農(nóng)機服務(wù)合作社通過驗收。該項目首次成功將我國自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗定位和TD-LTE移動通信技術(shù)結(jié)合，并推廣應(yīng)用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理過程，為北京農(nóng)業(yè)打造了首個“基于北斗系統(tǒng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”的新型應(yīng)用及管理平臺。該項目自行研究的“多種差分算法”，成功將北斗農(nóng)機定位的誤差控制在5cm范圍內(nèi)，為北斗定位真正服務(wù)于精準(zhǔn)播種、施肥、打藥等農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)機械化作業(yè)提供了全新的、可靠的技術(shù)保障，系統(tǒng)依托TD-LTE移動寬帶通信平臺，有效實現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)高清影像、圖片、數(shù)據(jù)等信息實時傳輸?shù)焦芾碇行?，通過基于GIS的農(nóng)機作業(yè)現(xiàn)場管理平臺，可實現(xiàn)包括作業(yè)調(diào)度、電子圍欄、作業(yè)量統(tǒng)計、病蟲害監(jiān)測、收成評估等多功能的農(nóng)機綜合管理。

☆ 北京順義現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)驗收

北京順義都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)萬畝示范區(qū)建設(shè)工程意味著在不久的將來，京郊將實現(xiàn)現(xiàn)實版“智能種菜”——農(nóng)民也能在家里足不出戶運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和3S技術(shù)，操作智能農(nóng)機在田間精準(zhǔn)耕種、管理和收獲莊稼。該萬畝示范區(qū)具體目標(biāo)將實現(xiàn)增產(chǎn)增效，糧食單產(chǎn)要提高10%～20%，經(jīng)濟效益要增加15%；節(jié)資節(jié)本提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約水、肥、藥等，降低勞動力投入；基礎(chǔ)設(shè)施要建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型基礎(chǔ)建設(shè)；現(xiàn)代裝備通過現(xiàn)代裝備配套基本實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程機械化和信息化；生態(tài)景觀將打造優(yōu)美農(nóng)田景觀，建立農(nóng)業(yè)、農(nóng)村生態(tài)環(huán)境景觀建設(shè)技術(shù)體系；經(jīng)營機制要探索規(guī)模經(jīng)營實現(xiàn)途徑和生態(tài)環(huán)境管護機制。

參考文獻

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