北斗在農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)作業(yè)中的應(yīng)用及思考

吳才聰

1 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）作為空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)支撐，是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。GNSS在農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)管、農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)操控和農(nóng)場(chǎng)精細(xì)管理等方面，有著重要和廣泛的應(yīng)用。通過(guò)透視發(fā)達(dá)國(guó)家和中國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展歷程，也可以看出GNSS對(duì)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展所起到的關(guān)鍵性和基礎(chǔ)性作用。作為我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou），其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅可以提高GNSS的可用性和精度，還可以極大提高中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全。

本文在分析GNSS在國(guó)際精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹北斗在中國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用概況，總結(jié)中國(guó)對(duì)北斗精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的支持措施，并針對(duì)北斗在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用存在的問(wèn)題，提出若干發(fā)展建議，供同行業(yè)者參考。

2 GNSS農(nóng)業(yè)應(yīng)用

2.1 國(guó)際應(yīng)用

縱觀國(guó)際GNSS的應(yīng)用發(fā)展，無(wú)不把精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)列為創(chuàng)新應(yīng)用和規(guī)模應(yīng)用的重要領(lǐng)域。近年歐洲衛(wèi)星導(dǎo)航局（GSA）連續(xù)發(fā)布的《GNSS市場(chǎng)報(bào)告》指出，農(nóng)業(yè)在行業(yè)應(yīng)用中名列前茅，其比重已高于測(cè)繪和航空應(yīng)用。2017年CropLife雜志與普渡大學(xué)所做的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)經(jīng)銷(xiāo)商調(diào)查表明，GPS自動(dòng)駕駛導(dǎo)航和GPS驅(qū)動(dòng)噴灑應(yīng)用分別達(dá)到78%和73%，GPS土壤取樣和GPS農(nóng)田測(cè)繪也分別達(dá)到78%和75%。由此可見(jiàn)GPS的重要性、普遍性和對(duì)于美國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的支撐作用。

GPS公開(kāi)服務(wù)信號(hào)精度約5 m，不能滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)高精度應(yīng)用需求。據(jù)普渡大學(xué)統(tǒng)計(jì)，針對(duì)分米級(jí)應(yīng)用，近70%的美國(guó)農(nóng)戶在使用廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）。針對(duì)厘米級(jí)應(yīng)用，主要有3種方式，即單站RTK、網(wǎng)絡(luò)RTK和星基差分增強(qiáng)。單站RTK通過(guò)電臺(tái)或移動(dòng)通信鏈路向拖拉機(jī)播發(fā)RTK差分信號(hào)。多基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)（CORS）通過(guò)移動(dòng)通信鏈路提供網(wǎng)絡(luò)RTK差分服務(wù)。星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）則通過(guò)衛(wèi)星通信鏈路提供服務(wù)，例如約翰迪爾StarFire和天寶OmniStar。這3種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，單站精度高，一次性投資，但受傳播距離和地形的影響；網(wǎng)絡(luò)差分精度高、覆蓋面較大，但需繳納通信費(fèi)和使用費(fèi)，依賴于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；星基增強(qiáng)精度略低，初次定位速度慢，收費(fèi)較高，但鏈路的可靠性高，覆蓋面積大。2017年8月，作者在亞利桑那森丹斯農(nóng)場(chǎng)考察，觀測(cè)到其4臺(tái)拖拉機(jī)均通過(guò)電臺(tái)連接至7.8英里外的約翰迪爾基準(zhǔn)站。在實(shí)際使用中，由于自動(dòng)駕駛對(duì)定位精度和可靠性要求均極高，企業(yè)往往為農(nóng)場(chǎng)提供2種以上的差分增強(qiáng)服務(wù)，互為備份，可實(shí)現(xiàn)快速切換。例如，當(dāng)單站RTK或網(wǎng)絡(luò)RTK信號(hào)失鎖時(shí)，Trimble xFill斷點(diǎn)續(xù)測(cè)技術(shù)可以在20 min內(nèi)維持RTK固定解。xFill將單基準(zhǔn)站或CORS作為主差分信號(hào)源，將星基信號(hào)作為副差分信號(hào)源。主副差分信號(hào)瞬時(shí)切換，沒(méi)有延時(shí)。

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用

當(dāng)前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正從第二代向第三代發(fā)展，在區(qū)域系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建設(shè)全球系統(tǒng)，同時(shí)保留有中國(guó)特色的短報(bào)文功能。北斗全球系統(tǒng)建成后，將可以更好地服務(wù)于“一帶一路”國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，更有利于我國(guó)實(shí)施農(nóng)業(yè)走出去的發(fā)展部署。北斗系統(tǒng)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)系，可以概括為相互需要和相互促進(jìn)。通過(guò)應(yīng)用北斗導(dǎo)航技術(shù)，不僅可以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化與精確化作業(yè)水平，提升農(nóng)業(yè)行業(yè)的整體生產(chǎn)效率，還可以有效保障我國(guó)糧食生產(chǎn)的安全。例如，以自動(dòng)駕駛導(dǎo)航為代表的農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)操控技術(shù)，將不可避免地、迅速地替代大量具備較高作業(yè)技能的農(nóng)機(jī)手。顯然，依賴于國(guó)外GNSS系統(tǒng)將在我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中埋下巨大的隱患，一旦國(guó)外導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)出現(xiàn)異常，將造成時(shí)效性和連貫性極強(qiáng)的大規(guī)模農(nóng)機(jī)作業(yè)陷入混亂甚至癱瘓。

當(dāng)前，北斗在中國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的規(guī)模化應(yīng)用，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。一是農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用。中國(guó)從全部進(jìn)口國(guó)外產(chǎn)品到自主研發(fā)產(chǎn)品，大約用了5年的時(shí)間，到目前國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品已占據(jù)主導(dǎo)地位。在東北（主要指黑龍江）、西北（主要指新疆）和華北等地，農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)已深入人心，其推廣應(yīng)用非常迅速。二是農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)管應(yīng)用。針對(duì)農(nóng)機(jī)深松作業(yè)和秸稈還田作業(yè)補(bǔ)貼監(jiān)管，各省市農(nóng)機(jī)主管部門(mén)紛紛安裝GNSS監(jiān)測(cè)終端和傳感器，部署管理服務(wù)平臺(tái)，用于作業(yè)質(zhì)量監(jiān)督和作業(yè)面積統(tǒng)計(jì)。當(dāng)前全國(guó)每年約2億畝農(nóng)田開(kāi)展深松作業(yè)，對(duì)于深松機(jī)具及GNSS深松監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用需求異常巨大。三是農(nóng)機(jī)管理服務(wù)應(yīng)用。例如，通過(guò)在采棉機(jī)上安裝GNSS監(jiān)測(cè)終端，可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)計(jì)劃、進(jìn)度統(tǒng)計(jì)、保養(yǎng)記錄、管理調(diào)度等功能，可以顯著提高農(nóng)機(jī)服務(wù)組織的管理效率。

3 北斗農(nóng)業(yè)應(yīng)用支持

3.1 財(cái)政補(bǔ)貼

自2013年起，財(cái)政部、農(nóng)業(yè)部在國(guó)家農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼目錄中，增加精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)設(shè)備小類，對(duì)農(nóng)業(yè)用北斗終端（含漁船用）進(jìn)行財(cái)政補(bǔ)貼。該政策的實(shí)施，帶動(dòng)了國(guó)家有關(guān)部委和地方政府的投資，促進(jìn)了一批北斗導(dǎo)航企業(yè)自主研制農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)、著力培育精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，形成了良好的技術(shù)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局，為我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上，農(nóng)業(yè)部鼓勵(lì)各地以新產(chǎn)品的形式，對(duì)北斗預(yù)裝進(jìn)行試點(diǎn)補(bǔ)貼，以加快先進(jìn)適用技術(shù)的快速推廣應(yīng)用。2017年，湖北省首次將農(nóng)用北斗終端納入了購(gòu)機(jī)補(bǔ)貼范圍。補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)按照導(dǎo)航精度、是否帶自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等配置，分為四檔：第一檔，帶自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，導(dǎo)航精度±2.5 cm，補(bǔ)貼額30000元；第二檔，帶自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，導(dǎo)航精度±10 cm，補(bǔ)貼額20000元；第三檔，不帶自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，帶深松作業(yè)或秸稈粉碎還田監(jiān)測(cè)裝置，補(bǔ)貼額640元；第四檔，不帶自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，也不帶深松作業(yè)或秸稈粉碎還田監(jiān)測(cè)裝置，但是帶有北斗定位、圖像采集和顯示設(shè)備，補(bǔ)貼額400元。

十二五和十三五期間，農(nóng)業(yè)部連續(xù)發(fā)布了《全國(guó)農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)實(shí)施規(guī)劃（2011-2015）》、《全國(guó)農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)實(shí)施規(guī)劃（2016-2020年）》，我國(guó)適宜地區(qū)的7億畝耕地將全部進(jìn)行深松整地作業(yè)，并進(jìn)入“同一地塊三年深松一次”的作業(yè)周期。深松作業(yè)補(bǔ)貼極大地促進(jìn)了北斗/GNSS終端及質(zhì)量監(jiān)測(cè)傳感器的應(yīng)用推廣。endprint

2017年9月，農(nóng)業(yè)部對(duì)政協(xié)十二屆全國(guó)委員會(huì)第五次會(huì)議提出的關(guān)于加大對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械補(bǔ)貼力度的提案進(jìn)行答復(fù)時(shí)表示，農(nóng)業(yè)部將研究開(kāi)展補(bǔ)貼機(jī)具分類分檔優(yōu)化工作，重點(diǎn)選取大型、多功能、復(fù)式作業(yè)、具有綠色生態(tài)特征和結(jié)構(gòu)型式變化的機(jī)具，以省為單位進(jìn)一步細(xì)化分檔，提升補(bǔ)貼檔次的精準(zhǔn)性，提高資金使用效益。該措施有望進(jìn)一步促進(jìn)以北斗為核心支撐的智能農(nóng)機(jī)具的研發(fā)和應(yīng)用推廣。

3.2 項(xiàng)目資助

發(fā)改委、農(nóng)業(yè)部等國(guó)家部委及北斗專項(xiàng)，也通過(guò)示范項(xiàng)目的方式，支持北斗系統(tǒng)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。例如，2014年國(guó)家發(fā)改委支持新疆兵團(tuán)第八師開(kāi)展區(qū)域精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范，該示范項(xiàng)目為首批800臺(tái)套的北斗農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)，提供1萬(wàn)元的項(xiàng)目補(bǔ)貼，極大地促進(jìn)了自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)的規(guī)?；瘧?yīng)用。到目前，第八師已安裝自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)約1600臺(tái)套。由于自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)提高了作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，使得未安裝該系統(tǒng)的農(nóng)機(jī)戶，難以獲得作業(yè)訂單，部分農(nóng)機(jī)戶甚至面臨被淘汰的風(fēng)險(xiǎn)。

農(nóng)業(yè)部自2017年起開(kāi)始實(shí)施“數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)試點(diǎn)項(xiàng)目”，在大田種植方向，提出“建設(shè)北斗精準(zhǔn)時(shí)空服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施”，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械高精度自動(dòng)作業(yè)、精準(zhǔn)導(dǎo)航與實(shí)時(shí)信息采集。在十三五期間，農(nóng)業(yè)部將持續(xù)支持適宜地區(qū)開(kāi)展數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)試點(diǎn)，并給予每個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目不超過(guò)2000萬(wàn)的國(guó)家項(xiàng)目資金支持。

中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室通過(guò)北京市北斗衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用示范、江蘇省北斗綜合應(yīng)用示范、湖北省北斗衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用示范等項(xiàng)目，也支持了北斗精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用，有力地促進(jìn)了北斗系統(tǒng)在中國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。

4 北斗農(nóng)業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用思考

北斗在中國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用方興未艾，在取得可喜成績(jī)的同時(shí)，也應(yīng)該看到在發(fā)展的過(guò)程中暴露出的諸多問(wèn)題。例如，在財(cái)政補(bǔ)貼方面，各省市推進(jìn)力度不一樣，未能實(shí)現(xiàn)對(duì)北斗農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行敞開(kāi)補(bǔ)貼。在項(xiàng)目資助方面，各部門(mén)自行其是，缺乏協(xié)調(diào)和統(tǒng)籌，重復(fù)投資普遍，重點(diǎn)方向不突出。在差分增強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，固定式和移動(dòng)式單基準(zhǔn)站廣泛使用，因缺失技術(shù)和管理協(xié)調(diào)，使得基準(zhǔn)站無(wú)效冗余嚴(yán)重、同近頻干擾現(xiàn)象普遍。此外，北斗預(yù)裝和后裝標(biāo)準(zhǔn)的缺失，也使得市場(chǎng)銷(xiāo)售的產(chǎn)品良莠不齊，損害了購(gòu)機(jī)戶的利益，同時(shí)也導(dǎo)致各地難以對(duì)這類新產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)和鑒定，影響了地方農(nóng)機(jī)部門(mén)對(duì)北斗應(yīng)用的積極性。鑒于此，作者提出以下發(fā)展建議。

（1）梳理中國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)、裝備和服務(wù)體系。部農(nóng)機(jī)化司已委托中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，根據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的具體國(guó)情，借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，梳理有中國(guó)特色的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)、裝備和服務(wù)體系，以有效指導(dǎo)中國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)體系的研究和建設(shè)。各部門(mén)在開(kāi)展北斗農(nóng)業(yè)應(yīng)用支持時(shí)，宜經(jīng)充分協(xié)調(diào)溝通，形成合力，避免重復(fù)投資，共同推動(dòng)中國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

（2）統(tǒng)籌建設(shè)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)需要的北斗差分增強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施。面向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用，需要綜合考慮北斗差分增強(qiáng)服務(wù)的精度、可靠性、廣度和成本。通過(guò)合理布局，分層次地建設(shè)分米級(jí)和厘米級(jí)農(nóng)用北斗差分增強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施。特別是針對(duì)無(wú)線電頻段應(yīng)用，建議國(guó)家農(nóng)機(jī)主管部門(mén)與國(guó)家無(wú)線電管理局開(kāi)展協(xié)調(diào)，規(guī)劃農(nóng)業(yè)用無(wú)線電頻段。

（3）統(tǒng)籌制定北斗精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系。目前，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化協(xié)會(huì)、中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)均在組織研制北斗精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用相關(guān)的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，缺乏必要的統(tǒng)籌和協(xié)作，不利于行業(yè)發(fā)展和滿足應(yīng)用急需。北斗精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系的統(tǒng)籌研究勢(shì)在必行。

（4）發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備檢驗(yàn)檢測(cè)服務(wù)機(jī)構(gòu)。為落實(shí)國(guó)務(wù)院“放管服”改革精神要求，適應(yīng)行政事業(yè)性收費(fèi)改革新形勢(shì)，部農(nóng)機(jī)化司于2017年推進(jìn)了農(nóng)機(jī)試驗(yàn)鑒定工作改革，對(duì)《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定辦法》（農(nóng)業(yè)部令2015年第2號(hào)）進(jìn)行了修訂，形成了《農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定辦法（征求意見(jiàn)稿）》，并將于2018年1月1日正式施行。此次修訂的一個(gè)重要內(nèi)容是“明確第三方機(jī)構(gòu)通過(guò)相應(yīng)能力認(rèn)定可承擔(dān)鑒定的檢驗(yàn)檢測(cè)業(yè)務(wù)”。因此，具有一定技術(shù)基礎(chǔ)和檢驗(yàn)檢測(cè)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)，均應(yīng)響應(yīng)市場(chǎng)需求，拓展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備相關(guān)的檢驗(yàn)檢測(cè)業(yè)務(wù)。endprint