新型數(shù)字化農(nóng)業(yè)的發(fā)展及其應(yīng)用

○上海聯(lián)適導(dǎo)航技術(shù)有限公司 陳宏濤 沈培培

北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)作為GNSS全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的一員，自誕生之日便肩負(fù)著重要的使命。作為我國(guó)完全自主研究發(fā)射的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其在民用方面，特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)安全方面起著至關(guān)重要的作用。

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)安全至關(guān)重要，農(nóng)業(yè)的發(fā)展也關(guān)系著國(guó)家的發(fā)展。在當(dāng)前時(shí)期，農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化、數(shù)字化是農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，也是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。基于此，目前已可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)機(jī)械的全無(wú)人駕駛，作業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)等信息實(shí)時(shí)回傳信息化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、云端指導(dǎo)等功能。

數(shù)字農(nóng)業(yè)的建設(shè)與發(fā)展是建立在無(wú)人化作業(yè)的基礎(chǔ)上的，通過(guò)采集地塊數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)灌溉、施肥、打藥等，同時(shí)采集不同時(shí)期的作物作業(yè)數(shù)據(jù)，最后與其產(chǎn)量做關(guān)聯(lián)，進(jìn)而分析其生產(chǎn)的影響因素，做到有理有據(jù)的種植，有理有據(jù)的分析。

而無(wú)人化的作業(yè)離不開(kāi)機(jī)械化作業(yè)的輔助，通過(guò)對(duì)機(jī)械化作業(yè)的全過(guò)程輔以現(xiàn)代化的技術(shù)支持，便可以達(dá)到精準(zhǔn)化、數(shù)字化的高效率作業(yè)目標(biāo)。

一、無(wú)人駕駛系統(tǒng)

1.自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是無(wú)人駕駛系統(tǒng)的一個(gè)前身，經(jīng)過(guò)這幾年的發(fā)展，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)上已經(jīng)呈現(xiàn)出了百花齊放的效果。特別是在播種、施肥、打藥、中耕、收獲等不同作業(yè)環(huán)節(jié)發(fā)揮了其高效率的作用。

農(nóng)業(yè)用自動(dòng)駕駛系統(tǒng)即通過(guò)改裝拖拉機(jī)油路或者方向盤(pán)等部件，加裝相應(yīng)控制設(shè)備，自動(dòng)控制作業(yè)車(chē)輛的轉(zhuǎn)向，使其在自動(dòng)控制模式下以±2.5CM的控制精度進(jìn)行作業(yè)。

安裝自動(dòng)駕駛系統(tǒng)后，設(shè)備可以24h作業(yè)不間斷，大大提高了作業(yè)效率。通過(guò)對(duì)作業(yè)地塊的路線規(guī)劃，大大提高了土地利用率，同時(shí)也減輕機(jī)手的作業(yè)強(qiáng)度，降低勞動(dòng)人員的操作技術(shù)門(mén)檻。

2.無(wú)人駕駛系統(tǒng)。無(wú)人駕駛系統(tǒng)是目前比較熱門(mén)的一個(gè)話題，也是目前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)和未來(lái)的發(fā)展目標(biāo)。當(dāng)前，依托于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人駕駛系統(tǒng)已在插秧機(jī)上進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，且效果顯著。

通過(guò)將自動(dòng)駕駛系統(tǒng)安裝在插秧機(jī)上，并增添結(jié)構(gòu)件，控制其油門(mén)、剎車(chē)、秧盤(pán)的抬升與下降等，最后在控制器的作用下，各個(gè)功能區(qū)相互協(xié)調(diào)，從而可實(shí)現(xiàn)完全無(wú)人作業(yè)。

目前無(wú)人駕駛系統(tǒng)除插秧機(jī)外，已成功應(yīng)用在運(yùn)苗機(jī)、履帶式拖拉機(jī)、自走式打藥機(jī)、無(wú)級(jí)變速大馬力拖拉機(jī)等設(shè)備之上。

二、 智能?chē)婌F系統(tǒng)

北斗智能?chē)婌F控制系統(tǒng)可以根據(jù)作業(yè)車(chē)輛的速度快慢，自動(dòng)控制農(nóng)藥噴灑量，并且可以預(yù)先設(shè)定每畝打藥量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑的效果。其主要通過(guò)北斗定位模塊、顯示屏、控制器以及大小流量控制閥組組成，安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，其有效控制精準(zhǔn)度可達(dá)99%以上。

安裝智能?chē)婌F控制系統(tǒng)的打藥機(jī)

三、衛(wèi)星整地系統(tǒng)

衛(wèi)星整地系統(tǒng)是基于衛(wèi)星定位技術(shù)，結(jié)合北斗基準(zhǔn)站系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)定需要的基準(zhǔn)高度，配合液壓油閥等控制部件，可以實(shí)時(shí)地操作平地鏟進(jìn)行升降，在地勢(shì)高的地方鏟土，地勢(shì)低的地方進(jìn)行卸土，通過(guò)幾個(gè)來(lái)回的作業(yè)，達(dá)到土地整平的效果。

安裝有衛(wèi)星整地系統(tǒng)的作業(yè)車(chē)輛

整個(gè)系統(tǒng)操作過(guò)程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，整平后的土地可以更好地進(jìn)行土地灌溉，包括進(jìn)行一些水田整平的作業(yè)。

四、精量播種系統(tǒng)

目前農(nóng)機(jī)作業(yè)的重要一環(huán)便是播種作業(yè)。為了達(dá)到更高的投入產(chǎn)出比，需要對(duì)種子、肥料、農(nóng)藥等精準(zhǔn)把控，盡可能的減少浪費(fèi)，降低投入成本，保證最高產(chǎn)量，進(jìn)而達(dá)到更高的效益。

目前國(guó)內(nèi)多個(gè)廠家，其中包括播種機(jī)廠家均有這方面的研究，其設(shè)備不僅做到精準(zhǔn)播種，還可以實(shí)時(shí)對(duì)播種量和施肥量進(jìn)行監(jiān)控，獲取單位面積播種量等信息，并可以將信息回傳至信息化平臺(tái)，為后面的數(shù)字化農(nóng)業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

五、土壤探測(cè)系統(tǒng)

1.系統(tǒng)簡(jiǎn)介。數(shù)字化農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要數(shù)字化的作業(yè)數(shù)據(jù)以及理論支撐。由于不同地塊的土壤成分相差較大，我們可以通過(guò)土壤探測(cè)系統(tǒng)TSM（Topsoil Mapper），實(shí)時(shí)掃描區(qū)域內(nèi)土壤在一定深度范圍內(nèi)的電導(dǎo)率信息，通過(guò)數(shù)字化處理軟件生成區(qū)域內(nèi)的數(shù)字化地圖，進(jìn)而為變量播種、變量施肥等提供支持。

安裝有TSM土壤探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備

2.系統(tǒng)組成。TSM土壤探測(cè)系統(tǒng)，由前部的傳感器掃描系統(tǒng)、高精度定位天線、顯示控制平板等組成。通過(guò)人工作業(yè)行駛到需要掃描的區(qū)域，掃描完成后將數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出到本地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

TSM土壤探測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

3. 數(shù)據(jù)分析。將掃描獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析軟件Topsoil Data Analyzer里面進(jìn)行數(shù)字化處理，可以獲取到該區(qū)域內(nèi)不同深度的電導(dǎo)率信息，進(jìn)而分析其不同深度的含水量、不同區(qū)域的壓實(shí)度以及土壤成分結(jié)構(gòu)信息。

通過(guò)分析繪制的土壤信息，可以為下一步的變量施肥、變量播種進(jìn)行科學(xué)地分析。結(jié)合后續(xù)的作業(yè)規(guī)劃，在不同的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行針對(duì)性的施肥、播種、灌溉等作業(yè)。

六、數(shù)字化農(nóng)業(yè)發(fā)展

1.數(shù)字化農(nóng)業(yè)簡(jiǎn)述。前面的內(nèi)容主要簡(jiǎn)述了目前機(jī)械化作業(yè)的一些應(yīng)用案例，包括北斗無(wú)人駕駛系統(tǒng)、北斗自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、北斗智能?chē)婌F控制系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星整地系統(tǒng)、北斗精量播種系統(tǒng)，以及TSM土壤探測(cè)系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)的應(yīng)用為數(shù)字化農(nóng)業(yè)提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。

目前數(shù)字化農(nóng)業(yè)主要包括高標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)田建設(shè)、數(shù)據(jù)化的變量播種/施肥作業(yè)、不同作業(yè)季的田間管理、采集各個(gè)區(qū)域作物產(chǎn)量信息。

同時(shí)還需要獲取其生長(zhǎng)期間的氣象數(shù)據(jù)等外部環(huán)境數(shù)據(jù)，不同時(shí)期的農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況等信息，將同時(shí)期信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)匯總，并記錄回傳至信息化平臺(tái)。

2.數(shù)字化農(nóng)業(yè)應(yīng)用。目前在黑龍江建三江地區(qū)、上海嘉定地區(qū)已成功進(jìn)行了數(shù)字化農(nóng)業(yè)與無(wú)人農(nóng)場(chǎng)的試驗(yàn)。

無(wú)人農(nóng)場(chǎng)是數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。數(shù)字農(nóng)業(yè)可分為以下四個(gè)階段：

1）以感知設(shè)備為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；

2）以農(nóng)業(yè)產(chǎn)銷(xiāo)全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)；

3）以單農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)智能控制硬件為基礎(chǔ)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)；

4）以大數(shù)據(jù)平臺(tái)+智能精準(zhǔn)硬件為基礎(chǔ)的智慧農(nóng)業(yè)。

3.數(shù)字化農(nóng)業(yè)無(wú)人農(nóng)場(chǎng)的建設(shè)。

（1）標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)。通過(guò)北斗衛(wèi)星整地系統(tǒng)，將現(xiàn)有小型、不規(guī)則、高低不平的田塊進(jìn)行整合，從而建設(shè)出標(biāo)準(zhǔn)化的利于進(jìn)行無(wú)人作業(yè)路徑規(guī)劃、適于農(nóng)機(jī)具作業(yè)的農(nóng)田。

（2） 地理信息系統(tǒng)及基礎(chǔ)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。無(wú)人農(nóng)場(chǎng)由大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)、智能農(nóng)機(jī)和傳感器物聯(lián)網(wǎng)組成，數(shù)據(jù)傳輸依賴(lài)穩(wěn)定可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，需要在農(nóng)場(chǎng)建設(shè)不低于4G的通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，5G通信技術(shù)具有更好的邊緣計(jì)算能力和更小的延時(shí)，更適合用于打造數(shù)字化無(wú)人農(nóng)場(chǎng)。

另外通過(guò)無(wú)人機(jī)多光譜數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，可以對(duì)地理信息進(jìn)行采集。

通過(guò)架設(shè)多個(gè)北斗GNSS網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)服務(wù)站，網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站的部署遵循半徑30km的覆蓋范圍，可以滿足智能農(nóng)機(jī)的導(dǎo)航、平地、測(cè)繪等基礎(chǔ)服務(wù)。

（3）田間物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。田間物聯(lián)感知系統(tǒng)包括小型氣象站監(jiān)測(cè)、田間視頻監(jiān)測(cè)、土壤信息監(jiān)測(cè)等。

田間小型氣象監(jiān)測(cè)站

（4）無(wú)人農(nóng)業(yè)智能生產(chǎn)硬件。數(shù)字化無(wú)人農(nóng)場(chǎng)的作業(yè)生產(chǎn)過(guò)程依托于無(wú)人智能駕駛系統(tǒng)，其包括無(wú)人播種作業(yè)、無(wú)人插秧作業(yè)、無(wú)人田間管理、無(wú)人施肥/打藥作業(yè)、無(wú)人收割作業(yè)、無(wú)人田間信息采集等，通過(guò)這些無(wú)人化的作業(yè)，其作業(yè)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)有效的傳送到數(shù)字化農(nóng)業(yè)信息化平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而改善工藝，提高產(chǎn)量。

無(wú)人水田打漿作業(yè)

（5）基于大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的AI智慧農(nóng)業(yè)信息化平臺(tái)。無(wú)人農(nóng)場(chǎng)的物聯(lián)網(wǎng)指的是構(gòu)成農(nóng)場(chǎng)的各個(gè)基礎(chǔ)要素之間的互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)互傳共享，達(dá)到信息實(shí)時(shí)反饋，及時(shí)感知、收集各個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。其核心即基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)人農(nóng)場(chǎng)智慧管理云平臺(tái)，其分支節(jié)點(diǎn)則由各種智能傳感器、無(wú)人農(nóng)機(jī)具、基礎(chǔ)地理信息等部分組成。具體包括：

1）基礎(chǔ)地理信息采集與共享。

2）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能傳感器。

3）基于高精度定位的無(wú)人駕駛設(shè)備。

4.數(shù)字化無(wú)人農(nóng)場(chǎng)精準(zhǔn)化。通過(guò)農(nóng)業(yè)“耕種管收”生產(chǎn)中的多類(lèi)型數(shù)據(jù)的采集、甄別和大數(shù)據(jù)分析，確定各有效數(shù)據(jù)的權(quán)重因子，最終建立標(biāo)準(zhǔn)有效數(shù)據(jù)與土壤肥力圖之間的函數(shù)關(guān)系，從而根據(jù)預(yù)期產(chǎn)量生成施肥處方圖；通過(guò)智能農(nóng)機(jī)裝備實(shí)現(xiàn)變量施肥、減肥增產(chǎn)或不減產(chǎn)，減少或避免倒伏，響應(yīng)國(guó)家“一控、二減、三基本”國(guó)策。

自動(dòng)駕駛、北斗衛(wèi)星平地等精準(zhǔn)智能農(nóng)機(jī)裝備的投入使用，是建立高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田、獲取標(biāo)準(zhǔn)有效數(shù)據(jù)的必要途徑，為最終生成土壤肥力分布圖提供有效的數(shù)據(jù)支持；以光譜技術(shù)，如無(wú)人機(jī)多光譜/高光譜、衛(wèi)星高光譜等技術(shù)為用戶(hù)提供定期的大面積作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)，及時(shí)針對(duì)不同區(qū)域的長(zhǎng)勢(shì)情況作出處置，做到合理的田間管理。

以智慧農(nóng)業(yè)服務(wù)云平臺(tái)為入口，以手機(jī)App和小程序的方式為用戶(hù)提供全生命生產(chǎn)周期的定制化技術(shù)服務(wù)，打通農(nóng)業(yè)科技與種植戶(hù)之間的最后一公里。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然階段，下一個(gè)發(fā)展階段即為智慧農(nóng)業(yè)的代表形態(tài)無(wú)人農(nóng)場(chǎng)。