精細(xì)農(nóng)業(yè)中農(nóng)田信息獲取技術(shù)綜述*

楊哲煒 ，王英皓 ，雷云帆 ，李 洋 ，王國(guó)賓

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049）

精細(xì)農(nóng)業(yè)的核心是對(duì)農(nóng)田作物信息的快速提取，即通過(guò)全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感技術(shù)（RS）、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等獲取農(nóng)田作物產(chǎn)量及周邊環(huán)境信息（如土壤結(jié)構(gòu)、壟距、病蟲(chóng)害）等，實(shí)現(xiàn)作物評(píng)估、病蟲(chóng)害檢測(cè)等[1]。

1 3S技術(shù)

3S技術(shù)即全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，單純地運(yùn)用GPS、GIS、RS中的某一種技術(shù)并不能完全滿足實(shí)際作業(yè)過(guò)程中的需要，還需要將GPS、GIS、RS有機(jī)結(jié)合起來(lái)，用GPS精確定位地面位置，用GIS對(duì)地面信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、輔助決策，用RS進(jìn)行宏觀控制[2]。

1.1 通過(guò)全球定位系統(tǒng)GPS實(shí)現(xiàn)定位

1.1.1 GPS技術(shù)概述

近年來(lái)，GPS技術(shù)發(fā)展迅猛，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，提供了用于農(nóng)田信息測(cè)量、定位、信息采集和與智能化農(nóng)機(jī)配備的差分GPS（DGPS）設(shè)備[3]。GPS是通過(guò)“時(shí)間同步，單程測(cè)距”的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，就是用戶向四個(gè)衛(wèi)星分別進(jìn)行距離測(cè)量，從而定出用戶空間上的位置。但是，由于這樣操作存在較大的誤差，所以人們?cè)絹?lái)越重視差分GPS的研究。差分技術(shù)就是使用用戶接收機(jī)外還使用一臺(tái)GPS基準(zhǔn)接收機(jī)，圖 1為差分GPS定位示意圖，由圖1可知，通過(guò)用戶站和基準(zhǔn)站發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算，得到更正值，消除兩者的公共誤差源，從而大大提高測(cè)量精度[4]。差分GPS技術(shù)根據(jù)基準(zhǔn)站發(fā)送的差分信息的不同可以分為位置差分技術(shù)、距離差分中的偽距差分技術(shù)和距離差分中的載波相位差分技術(shù)（RTK）。

圖1 差分GPS定位示意圖

1.1.2 GPS技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

美國(guó)Trimble公司專門(mén)為精細(xì)農(nóng)業(yè)研制了載波相位差分技術(shù)（RTK）厘米級(jí)測(cè)量型DGPS接收系統(tǒng)，如AgGPS 124等，可以接受信標(biāo)臺(tái)發(fā)布的地區(qū)性差分校正信號(hào)免費(fèi)服務(wù)或由近地衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的差分校正信號(hào)收費(fèi)服務(wù)[5]。載波相位差分技術(shù)（RTK）厘米級(jí)測(cè)量型接收系統(tǒng)，這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)得到了大量應(yīng)用，可以幫助農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)播種噴藥等[6-7]。目前，國(guó)內(nèi)使用的GPS定位系統(tǒng)大多采用美國(guó)的GPS技術(shù)，相較美國(guó)本土，中國(guó)的GPS服務(wù)費(fèi)較高。我國(guó)的北斗系統(tǒng)已進(jìn)入第二期應(yīng)用階段，但在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域里的應(yīng)用還處于前期研發(fā)探索階段[8]。

1.2 通過(guò)遙感技術(shù)RS宏觀控制

1.2.1 RS技術(shù)概述

遙感是非接觸的，遠(yuǎn)距離進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別的技術(shù)，一般指應(yīng)用傳感器/遙感器對(duì)物體的電磁波輻射反射特性的探測(cè)?，F(xiàn)有的衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取的遙感圖像像素較低，難以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)，雖然地面遙感技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于獲取農(nóng)田作物信息，但監(jiān)測(cè)范圍小，需要的成本高，難以實(shí)現(xiàn)大范圍的監(jiān)測(cè)[9]。多光譜和高光譜設(shè)備的快速普及，數(shù)字測(cè)量技術(shù)的日趨成熟使無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)迅速發(fā)展[10]。

1.2.2 RS技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

RS技術(shù)可應(yīng)用于作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)、病蟲(chóng)害預(yù)測(cè)、土地狀況調(diào)查、種植面積獲取等。趙靜等[11]提出一種基于FCN的無(wú)人機(jī)玉米遙感圖像壟中心線提取方法。通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取的高精度農(nóng)田圖像，用FCN對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到整片田地的壟中心線柵格圖，方便農(nóng)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行全局規(guī)劃。蘭玉彬等[12]通過(guò)低空無(wú)人機(jī)高光譜影像進(jìn)行一系列處理對(duì)果園黃龍病植株進(jìn)行判別，有效提高了果園管理效率。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的研究主要應(yīng)用于北方大田作物上，受氣候和作物種類多變的影響，如何將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于南方丘陵山地等地方還有待研究[9]。

1.3 通過(guò)地理信息系統(tǒng)GIS進(jìn)行信息處理

1.3.1 GIS技術(shù)概述

地理信息系統(tǒng)是一個(gè)用于描繪地球和其他地理要素并突出其特征，從而顯示和分析經(jīng)空間配準(zhǔn)的信息的系統(tǒng)。將表格數(shù)據(jù)變成地理圖形顯示，從而為農(nóng)田制定決策和農(nóng)田情況分析服務(wù)。此項(xiàng)工作主要借助地圖來(lái)實(shí)現(xiàn)。GIS地圖是一個(gè)交互式的窗口，通過(guò)GIS地圖可以訪問(wèn)和使用所有地理信息，數(shù)據(jù)以及GIS人員創(chuàng)建的豐富的空間分析模型[13]。

1.3.2 GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

GIS是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的大腦，具有很強(qiáng)的分析、查詢和幫助制定決策的功能。應(yīng)用該系統(tǒng)可以將土地邊界、土地類型、歷年土壤測(cè)試結(jié)果、化肥和農(nóng)藥使用情況、歷年產(chǎn)量做成地理信息系統(tǒng)圖管理起來(lái)，找出影響產(chǎn)量的主要限制因素，為分析差異性實(shí)施調(diào)控提供處方信息[14]。徐霞等[15]基于地理信息系統(tǒng)作出了對(duì)河南省小麥區(qū)域節(jié)肥減排潛力評(píng)價(jià)。目前的GIS軟件都是基于二維平面，設(shè)計(jì)三維GIS模型和可視化問(wèn)題還有待研究。

1.4 3S技術(shù)集成

作為單項(xiàng)的GPS、RS、GIS在許多領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的成就，但隨著3S技術(shù)的研究和應(yīng)用的不斷深化，運(yùn)用其中單獨(dú)一種技術(shù)已經(jīng)不能滿足一些情況的需要，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)三者的真正集合。目前3S集成的應(yīng)用比較簡(jiǎn)單淺顯，一般是對(duì)于遙感已獲取的圖像通過(guò)遙感圖像處理，通過(guò)GPS進(jìn)行精確定位，最后將結(jié)果輸入GIS中進(jìn)行分析處理。目前3S集成較好的例子有美國(guó)的集CCD攝像機(jī)、GPS、GIS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的移動(dòng)式測(cè)繪系統(tǒng)，CCD攝像機(jī)實(shí)時(shí)攝得數(shù)字圖像，GPS和導(dǎo)航系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)字圖像實(shí)時(shí)求得線路上目標(biāo)（如兩旁建筑物和道路標(biāo)志）的位置并隨時(shí)送入GIS中，而GIS中原先存有道路網(wǎng)和數(shù)字地圖信息用來(lái)修正GPS和CCD成像的系統(tǒng)誤差[16]。

2 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)即萬(wàn)物相連的互聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)智能傳感器技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)等多種技術(shù)按照約定的協(xié)議將物品連接到互聯(lián)網(wǎng)上，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、監(jiān)測(cè)等功能的一種網(wǎng)絡(luò)。圖 2為物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)單工作圖，由圖2可知，通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)，主控模塊處理分析，發(fā)布到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等平臺(tái)上，用戶可以通過(guò)移動(dòng)端或者PC端查閱[17]。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)單工作圖

2.1.1 無(wú)線傳輸技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)所使用的現(xiàn)代主流通信技術(shù)包括ZigBee、NB-LOT、GPRS、LORA。ZigBee是一種新興的無(wú)線傳輸技術(shù)。低功耗低成本，功能可以滿足農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)的要求，但相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等未完善，未來(lái)的前景十分可觀。楊宇輝等[18]設(shè)計(jì)了基于ZigBee的農(nóng)田土壤濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)試，節(jié)點(diǎn)之間的距離在50 m內(nèi)可以保持穩(wěn)定的通信，滿足對(duì)信息的高效、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的需求。NB-LOT技術(shù)也是物聯(lián)網(wǎng)的一種新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，具有低功耗低成本、廣覆蓋等特點(diǎn)。張?zhí)系萚19]設(shè)計(jì)了基于NB-LOT的土壤溫濕度監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)，在農(nóng)田進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證明了NB-LOT終端系統(tǒng)可以滿足農(nóng)田監(jiān)測(cè)的要求。GPRS技術(shù)是基于GSM系統(tǒng)發(fā)展的一種新通信技術(shù)，使數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)用戶進(jìn)行連接，采用分組交換的思想，用戶可以同時(shí)占多個(gè)通道，多個(gè)用戶也可以占一個(gè)通道，大大提高了通信效率。LORA技術(shù)是一種基于網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)的通信技術(shù)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)接入以太網(wǎng)，使設(shè)備擁有更長(zhǎng)的傳輸距離，相較ZigBee，LORA工作頻率較低，傳輸距離更長(zhǎng)，是一種獨(dú)特的傳輸技術(shù)[20]。

2.1.2 傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是當(dāng)今世界最受人矚目且發(fā)展迅速的高新技術(shù)之一，美國(guó)在20世紀(jì)80年代就已聲稱世界已經(jīng)進(jìn)入了傳感器時(shí)代，日本把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù)之一[21]。多傳感器的信息融合也是發(fā)展趨勢(shì)，可以避免單一傳感器的局限性，提高采集能力和精確度[22]。19世紀(jì)80年代，Mouazen等[23]開(kāi)發(fā)了土壤在線分析光譜裝置，圖3為土壤在線分析光譜裝置，由圖3可知，在犁鏟部分安裝有光源和光學(xué)探頭，可以將光入射到溝底表面并收集反射光，通過(guò)分光計(jì)，測(cè)量其吸光率從而反映出了其物質(zhì)的量。該裝置可以用來(lái)較精確地分析碳素含量、含水量、pH值等指標(biāo)。

圖3 土壤在線分析光譜裝置

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，2 0世紀(jì)初開(kāi)始日本shibushawa團(tuán)隊(duì)成功研制了多功能田間在線多功能土壤檢測(cè)裝置，并已將其作為商品售賣。不僅加入了土壤電導(dǎo)率傳感器，還通過(guò)較精密的光譜儀獲得的高精度光譜對(duì)土壤含水量、有機(jī)質(zhì)含量、氮含量以及電導(dǎo)率進(jìn)行了精確的分析。雖然日本shibushawa研制的在線多功能土壤檢測(cè)裝置加入了土壤電導(dǎo)率傳感器，但是這時(shí)電導(dǎo)率測(cè)量還只是輔助裝置，并沒(méi)有和光譜分析有機(jī)結(jié)合起來(lái)。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，Lund E D就從事土壤電導(dǎo)率在線檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)出了Veris系列土壤電導(dǎo)率測(cè)試系統(tǒng)。進(jìn)入21世紀(jì)之后，組合了土壤光學(xué)傳感器，研究開(kāi)發(fā)了土壤電導(dǎo)率/光學(xué)在線傳感系統(tǒng)。利用土壤電導(dǎo)率傳感器和光學(xué)傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)土壤SOM和CEC的高精度預(yù)測(cè)分析[24]。從上述土壤在線分析光譜裝置優(yōu)化過(guò)程中可以看出，精細(xì)農(nóng)業(yè)對(duì)傳感器技術(shù)的要求也越來(lái)越高，多傳感器的有機(jī)結(jié)合也是未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、施肥管理、農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)防治等。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)田安裝傳感器，實(shí)時(shí)采集農(nóng)田中空氣溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、土壤溫濕度的信息，對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[25]。吳澤全等[26]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)的水田無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)采集水田環(huán)境數(shù)據(jù)，還能通過(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)決策生成，控制水泵和閥的通斷，進(jìn)行水田的自動(dòng)補(bǔ)水?dāng)嗨?/p>

3 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。信息獲取技術(shù)的整合可以有效管理各種農(nóng)業(yè)資源，將信息收集、分析、決策整合為一個(gè)共同信息流，降低生產(chǎn)成本，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，是走向精細(xì)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。因此，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)充分掌握對(duì)農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的有效應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，以滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展需要。