基于北斗衛(wèi)星的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)應(yīng)用探索

文 | 梁志國 張朋永 沈洋 褚超 宋振強(qiáng)

哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司

一、引言

2020年7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，標(biāo)志著北斗邁進(jìn)全球服務(wù)新時代。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。目前已在交通運(yùn)輸、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象測報、通信授時、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、公共安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。當(dāng)前，北斗衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)呈現(xiàn)出從以導(dǎo)航應(yīng)用為主向?qū)Ш脚c衛(wèi)星遙感、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等融合應(yīng)用轉(zhuǎn)變，從終端應(yīng)用為主向產(chǎn)品與服務(wù)并重轉(zhuǎn)變的發(fā)展趨勢，不斷拓展出新的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用場景[1]。

農(nóng)業(yè)是保障國家安全的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)穩(wěn)則天下安。我國大力推行“藏糧于技”，2019年12月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中央網(wǎng)信辦印發(fā)《數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃（2019-2025年）》中指出，建立健全農(nóng)業(yè)農(nóng)村數(shù)據(jù)采集體系、天空地一體化觀測網(wǎng)絡(luò)體系、農(nóng)業(yè)農(nóng)村基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源體系，數(shù)字技術(shù)與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系、生產(chǎn)體系、經(jīng)營體系加快融合。數(shù)字農(nóng)業(yè)將是實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化必不可少的組成部分[2]。

本文旨在探討如何利用北斗、遙感、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，構(gòu)建基于北斗的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)天空地一體化新模式，推動農(nóng)業(yè)全方位、全角度、全鏈條數(shù)字化改造，進(jìn)一步釋放數(shù)字化對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的放大、疊加、倍增作用，促進(jìn)生產(chǎn)成本節(jié)約、要素配置優(yōu)化、供求有效對接、管理精準(zhǔn)高效，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展質(zhì)量變革、效率變革、動力變革。

二、北斗系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理

北斗定位系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中應(yīng)用范圍廣泛，效果顯著，借助于北斗定位系統(tǒng)可以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的數(shù)字化與精細(xì)化作業(yè)水平，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化手段和綜合效率。高精度定位技術(shù)是發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵，將北斗高精度定位技術(shù)應(yīng)用在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，是實(shí)現(xiàn)“數(shù)字農(nóng)業(yè)”的基礎(chǔ)。通過北斗差分定位技術(shù)可提供厘米級的定位精度，在農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航駕駛、農(nóng)田信息的監(jiān)測管理等方面都發(fā)揮著巨大作用，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理及精細(xì)化作業(yè)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，大幅度提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和土地資源的利用率[3]。

當(dāng)前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，基于北斗的應(yīng)用主要包括農(nóng)田信息采集、土壤養(yǎng)分及分布調(diào)查、特種作物種植區(qū)監(jiān)控、農(nóng)業(yè)機(jī)械無人駕駛、無人機(jī)植保等應(yīng)用，其中農(nóng)業(yè)機(jī)械無人駕駛、農(nóng)田起壟播種、無人機(jī)植保等應(yīng)用對高精度北斗服務(wù)需求強(qiáng)烈。當(dāng)前我國基于北斗的農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)管平臺實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程管理與精準(zhǔn)作業(yè)，服務(wù)農(nóng)機(jī)設(shè)備超過5萬臺，精細(xì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量提高5%以上，農(nóng)機(jī)油耗節(jié)約10%以上。北斗衛(wèi)星技術(shù)在數(shù)字化、精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中主要應(yīng)用于以下兩個方面[4]。

1. 農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航駕駛

基于北斗差分技術(shù)的農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)在工作中實(shí)時通過移動通信網(wǎng)絡(luò)接收由若干個CORS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)匯集而成的數(shù)據(jù)中心傳輸來的差分?jǐn)?shù)據(jù)，與車載衛(wèi)星接收天線接收到的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時聯(lián)合解算，為農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)提供厘米級的定位精度?；诒倍凡罘旨夹g(shù)的農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航駕駛應(yīng)用系統(tǒng)示意圖如圖1所示。農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)首先根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)需求，規(guī)劃農(nóng)機(jī)作業(yè)路線；然后導(dǎo)航控制器將差分?jǐn)?shù)據(jù)和車載衛(wèi)星接收天線接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，結(jié)合車輪的轉(zhuǎn)向和角度數(shù)據(jù)，實(shí)時向轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)發(fā)送指令參數(shù)，通過控制農(nóng)機(jī)液壓系統(tǒng)油量的流量大小、流動方向，或者控制方向盤的轉(zhuǎn)向大小、轉(zhuǎn)動方向，進(jìn)而控制農(nóng)機(jī)的行駛方向，確保農(nóng)機(jī)能按照設(shè)定的路線行駛，從而保證農(nóng)機(jī)作業(yè)過程中作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率?；诒倍凡罘旨夹g(shù)的農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)在黑龍江、吉林、遼寧、河南、新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，作業(yè)精度可達(dá)到±2.5cm，作業(yè)效率可提高30%以上。

圖1 基于北斗差分技術(shù)的農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航駕駛應(yīng)用系統(tǒng)示意圖

2. 農(nóng)田信息的監(jiān)測管理

在農(nóng)田信息的監(jiān)測管理方面，北斗差分技術(shù)提高了農(nóng)田信息測量的精度，提升了農(nóng)田定界、采樣和監(jiān)測的便利性和精準(zhǔn)性。農(nóng)田是農(nóng)業(yè)規(guī)劃、生產(chǎn)、管理的基本單元，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息的信息采集、實(shí)時監(jiān)測是農(nóng)業(yè)數(shù)字化、信息化的基礎(chǔ)。根據(jù)精確的坐標(biāo)信息，可以繪制作物與生長環(huán)境的空間位置關(guān)系，建立完善的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，方便查詢、管理土地以及作物等信息。此外，通過與GIS技術(shù)結(jié)合，還支持圖形輸出、地理統(tǒng)計(jì)等。在農(nóng)田信息采集過程中，采集人員手持差分定位設(shè)備，實(shí)時通過移動通信網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)中心的差分?jǐn)?shù)據(jù)，使手持差分定位設(shè)備得到高精度的定位數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息的精準(zhǔn)測量?；诒倍凡罘旨夹g(shù)的農(nóng)田信息監(jiān)測示意圖如圖2所示。

圖2 基于北斗差分技術(shù)的農(nóng)田信息監(jiān)測示意圖

三、“北斗+”應(yīng)用于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化

通過北斗與其他技術(shù)的融合應(yīng)用，“北斗+”可將衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)融合衛(wèi)星遙感技術(shù)、大數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)、信息通信技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)平臺，創(chuàng)造新的發(fā)展生態(tài)。

“北斗+遙感”是北斗衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星的綜合應(yīng)用，遙感衛(wèi)星是提供空間信息的數(shù)據(jù)源，是信息采集和數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可獲取精確的空間位置信息和時間信息，可對遙感圖像顯示的內(nèi)容進(jìn)行準(zhǔn)確定位，二者與地理信息系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，形成一個動態(tài)的、可視的、不斷更新的、通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)能夠傳輸?shù)?、三維立體的、不同地域、行業(yè)和層次都可以使用的綜合信息管理平臺?！氨倍?遙感”農(nóng)業(yè)綜合應(yīng)用場景示意圖如圖3所示。

圖3 “北斗+遙感”農(nóng)業(yè)綜合應(yīng)用示意圖

“北斗+遙感”綜合信息管理平臺是針對當(dāng)前農(nóng)作物數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析、決策支持需求設(shè)計(jì)的高分辨率衛(wèi)星遙感影像應(yīng)用系統(tǒng)，“北斗+遙感”農(nóng)業(yè)綜合信息管理平臺如圖4所示。以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合地面監(jiān)測系統(tǒng)獲取準(zhǔn)確、及時、全面的作物生產(chǎn)信息，通過對歷年遙感、氣象、農(nóng)事等信息的綜合分析，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)情、農(nóng)事的精準(zhǔn)管理，可大大節(jié)省用于生產(chǎn)的人力、物力投入，為農(nóng)機(jī)調(diào)度和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有利的數(shù)據(jù)支撐和決策支持。主要遙感數(shù)據(jù)服務(wù)包括：土地利用專題服務(wù)、土壤肥力監(jiān)測專題服務(wù)、作物種植格局專題服務(wù)、農(nóng)情災(zāi)害監(jiān)測、農(nóng)業(yè)作物長勢監(jiān)測服務(wù)、農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)估等，“北斗+遙感”農(nóng)業(yè)監(jiān)測專題圖如圖5所示。系統(tǒng)能夠面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的“產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后”各環(huán)節(jié)，及時準(zhǔn)確地獲取、處理衛(wèi)星遙感影像。在農(nóng)業(yè)資源調(diào)查、土地利用現(xiàn)狀分析、產(chǎn)量估算、農(nóng)業(yè)投保理賠等方面提供全方位的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和成果的生成與可視化輸出。目前此系統(tǒng)已經(jīng)在黑龍江、新疆、河北、江蘇等地廣泛應(yīng)用。

圖4 “北斗+遙感”農(nóng)業(yè)綜合信息管理平臺

四、基于北斗的天地一體化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)應(yīng)用

黨的十九大報告提出實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，構(gòu)建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系、生產(chǎn)體系、經(jīng)營體系。通過利用北斗固有的時空特性推進(jìn)“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)三大體系”的建設(shè)工作，建立以北斗為核心的新型農(nóng)業(yè)天空地一體化生態(tài)圈，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的立體態(tài)勢感知、精準(zhǔn)決策控制、完備管理服務(wù)。打通企業(yè)在農(nóng)作物的種植、收獲、加工、倉儲、物流、銷售各環(huán)節(jié)監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)星與物、人與物、物與物互聯(lián)互通，促使中國農(nóng)業(yè)進(jìn)入智能化、信息化和智慧化的新時代。新型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈構(gòu)想如圖6所示。

圖6 新型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈構(gòu)想圖

1. 新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，為農(nóng)業(yè)生態(tài)圈提供能源動力

2020年3月4日，我國提出“加快推進(jìn)國家規(guī)劃已明確的重大工程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度”。地面基礎(chǔ)設(shè)施和衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星遙感等空間基礎(chǔ)設(shè)施的有效融合，可以構(gòu)建全國范圍、天地一體的農(nóng)業(yè)應(yīng)用“一張圖”，推進(jìn)數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的匯聚和共享協(xié)同。

2. “北斗+”融合新手段，為農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈搭建聯(lián)通橋梁

通過將北斗融合遙感、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)，即可以發(fā)揮衛(wèi)星技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測、作物監(jiān)測、災(zāi)害監(jiān)測、精細(xì)作業(yè)；發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物集智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理于一體；發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)涉農(nóng)電子商務(wù)、直播帶貨銷售新模式；發(fā)揮大數(shù)據(jù)和云計(jì)算優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)、自然資源數(shù)據(jù)、社會資源數(shù)據(jù)等公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的智能化供應(yīng)與管理，以上技術(shù)融合為實(shí)現(xiàn)星地聯(lián)動、物物聯(lián)通提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，最終形成一種“你就是我，我就是你”的新經(jīng)濟(jì)形態(tài)，對整個農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、社會、文化、生態(tài)各方面帶來深刻的變革。

3. 建立智慧農(nóng)業(yè)全新的服務(wù)運(yùn)營模式，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)圈持續(xù)健康運(yùn)行

發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)除了依托先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈條的互融互通、智能化健康發(fā)展，還要依托國家的宏觀政策和保障體系，建立智慧農(nóng)業(yè)全新的服務(wù)運(yùn)營模式，實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)運(yùn)營服務(wù)，要以人為本、以市場為導(dǎo)向、以產(chǎn)品為基本單元，新型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)土地一體化生態(tài)體系服務(wù)運(yùn)營模式如圖7所示。

圖7 新型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)土地一體化生態(tài)服務(wù)運(yùn)營模式

通過北斗和遙感衛(wèi)星、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、視頻監(jiān)控等基礎(chǔ)設(shè)施感知各類農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸，將從基礎(chǔ)設(shè)施層采集到的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的分類存儲與管理、分布式并行計(jì)算等數(shù)據(jù)處理后，為基于數(shù)據(jù)的生態(tài)圈應(yīng)用服務(wù)和大數(shù)據(jù)發(fā)掘提供及時有效的數(shù)據(jù)支撐。生態(tài)圈的生產(chǎn)領(lǐng)域指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中涉及到的各類活動，如農(nóng)技支持、智能大棚/溫室/倉儲、農(nóng)機(jī)管理、農(nóng)情監(jiān)測等旨在提高耕種效率、降低成本、促進(jìn)農(nóng)民增產(chǎn)增收的應(yīng)用服務(wù)。生態(tài)圈的監(jiān)管領(lǐng)域是政府部門主導(dǎo)對農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域開展的監(jiān)督指導(dǎo)類活動，如農(nóng)業(yè)資訊、農(nóng)資安全執(zhí)法、農(nóng)產(chǎn)品安全、精準(zhǔn)扶貧、農(nóng)人管理、土地產(chǎn)權(quán)交易等活動，通過專業(yè)的指導(dǎo)和智能化的監(jiān)管手段，引導(dǎo)農(nóng)民脫貧致富，保障全產(chǎn)業(yè)鏈健康有序發(fā)展。生態(tài)圈的經(jīng)營領(lǐng)域指社會各界圍繞涉農(nóng)產(chǎn)品這一核心開展的各類活動，如農(nóng)產(chǎn)品深加工、涉農(nóng)電子商務(wù)（農(nóng)產(chǎn)品、農(nóng)機(jī)、種子、化肥等）、都市涉農(nóng)旅游等活動， 為農(nóng)民、消費(fèi)者、涉農(nóng)企業(yè)帶來更大商機(jī)、更多實(shí)惠。

五、結(jié)論

當(dāng)前是我國全面建成小康社會目標(biāo)、全面打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)和實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的關(guān)鍵時期。借助北斗三號衛(wèi)星全球組網(wǎng)完成的重大時機(jī)，應(yīng)以衛(wèi)星應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、電子商務(wù)等信息化為載體，實(shí)現(xiàn)星地聯(lián)動，全力打造基于北斗的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新模式，促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效，提高單位土地產(chǎn)出效益，促使農(nóng)業(yè)從低端產(chǎn)品向高端品牌邁進(jìn)，促進(jìn)我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，真正實(shí)現(xiàn)強(qiáng)農(nóng)富農(nóng)惠農(nóng)。