基于“3S”技術的現代化精細農業(yè)管理模式設計

張小林，閆 喆

（中煤航測遙感集團有限公司，陜西西安 710199）

縱觀整個農業(yè)生產的發(fā)展歷程，人類農業(yè)生產總體上經歷了原始農業(yè)、傳統農業(yè)和現代農業(yè)3 個主要發(fā)展階段，在農業(yè)生產發(fā)展的同時，也導致了水土流失、生態(tài)環(huán)境惡化、水資源浪費、生物多樣性破壞等一系列社會問題，這些問題都不容忽視。在此基礎之上，人們提出了一系列應對措施，如推廣回歸農業(yè)、生態(tài)農業(yè)、有機農業(yè)、綜合農業(yè)等發(fā)展模式。在如今科技發(fā)展的新時代，農業(yè)生產將不再是以前粗放型的產業(yè)，人們開始對農業(yè)進行“精雕細琢、精準作業(yè)”。近些年來，隨著遙感技術（RS）、全球定位系統（GPS）、地理信息系統（GIS）及相關技術的不斷發(fā)展和優(yōu)化，基于“3S”技術的現代精準農業(yè)已經受到了社會各界的高度重視，而精準農業(yè)管理系統作為一個集遙感技術、全球定位、地理信息于一體的綜合性農業(yè)管理系統，也越來越受到人們的關注?；凇?S”技術的新型精細農業(yè)，成為農業(yè)生產可持續(xù)發(fā)展的熱點領域。

1 研究背景

精細農業(yè)是一種異于傳統的新型農田管理方式。農田土壤質地、農作物特性都不是均一的，是隨著時間、空間的變化而變化的。而在傳統的、目前仍在采用的農田管理中，人們普遍認為農田的基本耕作屬性是均一的，采用統一的施肥時間、施肥量。基于此，現代精細農業(yè)管理系統是利用遙感信息技術、全球定位系統和地理信息技術對農田區(qū)域數據進行采集、管理、分析、預警、決策，實現農業(yè)精細化、系統化管理，更科學合理地利用土地，提高產能，建設可持續(xù)化生態(tài)農業(yè)。

1.1 國內外研究現狀

美國是全球范圍內實施精細化農業(yè)管理最早的國家，于20 世紀80 年代初提出了精準農業(yè)的理念和設想。20世紀90年代，精準農業(yè)首先在美國和加拿大實現產業(yè)化應用，目前部分技術和設備已經成熟和成型，并取得了很大的經濟效益，但尚未形成系統，仍處于研究發(fā)展階段。精準農業(yè)是在發(fā)達國家大規(guī)模經營和機械化操作條件下發(fā)展起來的，目前世界許多國家已開展了相關的研究和應用實踐[1]。

20世紀90年代初期，我國才開始精細化農業(yè)方面的相關研究，但總體呈現技術支持不足、規(guī)模較小、進度緩慢等特征。黑龍江作為我國農業(yè)發(fā)達地區(qū)，率先開始了農業(yè)信息化建設，到2012年底，已經在多個農場建立了精準農業(yè)試驗示范區(qū)?；贕PS 的農機精準控制產品在黑龍江墾區(qū)得到廣泛應用，并取得了良好的效果[1]。

1.2 技術發(fā)展趨勢

隨著我國耕地保護相關政策的實施，國家先后進行了永久基本農田劃定、農村土地承包經營權確權頒證、糧食功能區(qū)和重要農產品保護區(qū)劃定等相關項目。土地保護管理制度愈發(fā)嚴格，部分地區(qū)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化侵占農業(yè)生產空間等現象將得到有效遏制，農業(yè)生產區(qū)域結構也將有所改善?？茖W、精細、規(guī)范化發(fā)展農業(yè)進一步深入農民心中，農業(yè)科技化發(fā)展水平正在逐步提高。隨著農業(yè)可持續(xù)發(fā)展機制的逐步完善，農藥、化肥使用量零增長行動的深入開展，測土配方施肥、科學合理灌溉、新型防控技術等不斷推廣應用，大水漫灌的粗放式農業(yè)發(fā)展模式將得到轉變，農業(yè)生產能力也將得到提高。農業(yè)生產現代化精細管理已成為世界范圍內農業(yè)生產不可阻擋的潮流，新的產業(yè)革命正在不斷孕育。

2 研究方案

現代化精細農業(yè)管理模式的前提是人們必須能隨時間和空間變化采集數據，根據最準確、最快速的農田采集數據進行處理分析、加工、應用，高度攝取數據反映的內在信息，掌握田地屬性的變化和需求，形成科學合理的管理設計，精細控制田間作業(yè)。實現這些目標的關鍵技術是全球定位系統、地理信息系統、遙感技術、農田空間信息采集傳感技術、作物生產管理輔助決策支持系統和智能化變量作業(yè)農業(yè)機械等[2]。

我國幅員遼闊，各地農業(yè)條件復雜，有大規(guī)?，F代化經營的農場、分散不集中的小農生產，還存在高度集約化的保護地栽培。所以，我國精準農業(yè)不應是單一的發(fā)展模式，應結合地理信息技術建立管理信息系統，因地制宜調整投入物資使用量，以精準變量管理為主，以“3S”為核心技術，引進先進設備，開發(fā)精準農業(yè)的大腦——管理決策支持系統，實現實時監(jiān)控，完善農業(yè)預警系統，建立健全精細農業(yè)信息管理系統，形成農業(yè)“低耗、高效、優(yōu)質、環(huán)?！钡闹悄芑?、精細化體系。

2.1 技術支持

精細農業(yè)離不開先進的技術支持，只有當技術達到條件，我們才能夠更加準確、全面、即時地獲取田間數據，掌握第一時、第一手的農田信息，繼而依據科學化種植原理精細管理農業(yè)。

全球定位系統（Global Positioning System，簡稱GPS）是精細農業(yè)技術體系中關鍵的技術之一，是在作物生產管理中，根據農田區(qū)域產量和生產環(huán)境因素的空間差異性，通過空間信息的聚類處理后，實施定位處方農作，利用GPS 技術實現農機農具的無人化管理、實時定位、遠程操作等技術化操控。因此，GPS技術是實施精細農業(yè)的基礎[3]。

地理信息系統（Geographic Information Systems，簡稱GIS）是整體管控農業(yè)生產的應用管理軟件，也是精細農業(yè)的大腦，是用于對大量的農業(yè)相關數據進行輸入、存儲、檢索、分析、處理和表達地理空間數據的平臺。通過帶有坐標位置、地理特征的地理空間數據庫、農業(yè)數據庫為基礎，將統一坐標位置的各種數值相互套和在一起。地理信息系統接收來自各類傳感器（變量耕地實時傳感器、施肥傳感器、播種傳感器等）及監(jiān)測系統的信息[4]，同時對這些各類農業(yè)數據進行統計、處理、分析后，在平臺軟件的同一坐標系統下顯示，從而繪制信息電子地圖，做出科學決策。GIS 主要用于建設農田土地管理、自然條件、作物苗情、土壤數據、生產條件、病蟲草害、作物產量等[4]。

遙感技術（Remote Sensing，簡稱RS）是現代化精細農業(yè)的重要信息來源，利用高分辨率傳感器。在不同的作物物候期，實施全面多方位監(jiān)測，進行空間定性、定位分析，為定位處方農作提供大量的田間時空變化信息[4]。

農業(yè)信息采集技術（Farming Data Acquired Technology）是現代化精細農業(yè)數據采集的一種重要技術方式?？焖佟⒂行Р杉吞幚磙r田空間分布信息，是實踐精細農業(yè)的重要基礎。

智能化變量作業(yè)農業(yè)機械（Intelligent Farm Machinery）是實現現代化精細農業(yè)的標志。支持精細農業(yè)實踐的多種變量農業(yè)機械已在生產和使用，特別在施肥、噴藥、播種和灌溉等方面，農田機械已是一種趨勢。

2.2 技術路線

本文所研究的管理模式以GIS 數據作為基礎地理數據，對土地賦予空間屬性特征；利用新型農業(yè)監(jiān)測設備（如土壤墑情傳感器、土壤養(yǎng)分監(jiān)測探頭、雨量監(jiān)測站等），對農田區(qū)域進行實時數據采集，掌握農田區(qū)域內的實時土壤養(yǎng)分數據、墑情數據、風向數據等，利用3S 技術對農田區(qū)域進行數據分析、生產管理、屬性分析，結合最新帶有定位系統的農機具設備（見圖1），對農田區(qū)域進行精準耕作，實現精細化管理。精細農業(yè)管理模式設計的技術路線見圖2。

2.2.1 數據采集處理

精細農業(yè)管理模式需要采集的數據包括高分辨率影像、高精度大比例尺地形數據、農業(yè)實時監(jiān)測數據及采樣數據等。

1）高分辨率影像。高分辨率影像數據作為基礎底圖，真實直觀，便于分析，并且在作物不同的物候期定期獲取最新影像，可做不同時間影像對比分析，更加全面、客觀真實地反映實際情況。

2）高精度大比例尺地形數據。地形數據主要包括高程、地形、道路、建筑物、管線、植被、農業(yè)設施等詳細內容，對所采集到的數據進行處理，增加農業(yè)屬性，真實可靠地反映實地的情況，可以作為農業(yè)數據庫的基礎，同時作為后期規(guī)劃和建設的基礎底圖，做到科學精準。

3）農業(yè)實時監(jiān)測數據及采樣數據。如田間土壤養(yǎng)分數據、土壤含水量數據、土壤pH值檢測數據、土壤有機質和磷含量數據（見表1）、風向、降雨量數據等相關內容，利用這些數據對田間作物進行實時監(jiān)測，設置監(jiān)測規(guī)則，確保農田作物處于生長最佳環(huán)境。

表1 土壤樣本點有機質和磷含量數據對比 單位：g·kg-1

2.2.2 精細管理設計

精細農業(yè)管理模式利用采集處理分析的相關農業(yè)數據，對土地進行科學設計，制定設計方案。例如，利用采集到的高程、地形、風向等數據設計田地分布，將更適合耕作的地塊用于耕種，不利于耕種的區(qū)域架設農業(yè)基礎設施；利用采集到的土壤養(yǎng)分、pH值、含水量等數據設計確定土地耕種作物（如小麥種植區(qū)、藥材種植區(qū)等），同時確定灌溉方式（如滴灌、噴灌、漫灌管道系統等）。

2.2.3 配套設施建設

依據制定的設計方案進行配套設施建設：修設中控室，修建灌溉系統，架設氣象站，架設安裝水肥配比罐等相應的設備。

2.3 精細農業(yè)管理模式的模塊劃分

精細農業(yè)管理模式的架構主要分為表現層、業(yè)務層和數據層。涉及到的模塊劃分見圖3。

2.4 系統功能模塊

系統功能模塊主要包括基礎數據管理模塊、管理分析模塊、決策支持模塊。

1）基礎數據管理模塊。包括高分辨率影像數據、實景三維數據、高精度大比例地形圖數據、農業(yè)實時監(jiān)測數據及采樣數據等的管理。數據的分層顯示、數據疊加、數據符號化管理、數據屬性庫管理、數據更新等內容。

2）管理分析模塊。包括農業(yè)空間數據、農田專項數據的分析統計。該模塊主要是針對采集到的相關農業(yè)數據，進行對應的數據分析處理。例如將采集到的土壤質地類型數據進行分類標記，制作專業(yè)的專題分布圖，使得土壤類型分布一目了然，讓農業(yè)生產決策者能夠因地適宜，科學耕作。

3）決策支持模塊主要包括指導施肥、精準灌溉、GPS指導農作等。

①指導施肥。根據種植地土壤養(yǎng)分空間分布的差異性及作物生長不同時期的養(yǎng)分營養(yǎng)需要量，結合采樣點的化驗值，可將土壤類型、土壤質地、土壤養(yǎng)分含量、歷年施肥和產量情況等有關信息輸入數據庫，制成GIS 土壤養(yǎng)分圖層、肥料施用量圖層，作為指導變量施肥的技術依據。精準的施肥方式將實現耕地內各區(qū)域營養(yǎng)元素全面平衡供應，使肥料投入更為合理，利用率和肥料增產效益達到最優(yōu)的水平。

②精準灌溉。由于土壤質地的差異，地形的差異，不同空間地區(qū)不同土質的田間持水量并不相同，且不同季節(jié)溫度差異導致田間水分蒸發(fā)量有所差異，在滿足作物不同時期水分需水量的前提下，實現精準節(jié)水灌溉。

③GPS 指導農作。將GPS 技術置于農業(yè)機械、無人機等設備，通過軟件來設置耕作路徑、收割路徑、植保航線、更加高效科學的指導農作（見圖1）。

2.5 存在的難點

利用“3S”技術指導現代化精細農業(yè)管理，所涉及到的技術難點較多，主要體現在以下3個方面。

1）由于地域差異，以及各農田的基礎屬性不同，使得精細化農業(yè)管理模式對于農田的增產作用不夠明顯。這是目前急需解決的技術難點之一。

2）目前，市場上支持精細農業(yè)實施的決策支持系統普遍還不夠完善。以目前的變量施肥決策為例，主要是基于土壤養(yǎng)分測定數據和產量圖，對于作物本身性狀（如吸肥特性、葉面積指數、干物質積累的空間變化等）未進行考慮。另外，農田實時屬性信息的獲取和專家系統的指導決策是目前精準農業(yè)研究的2個主要難點，也是精準農業(yè)研究的主要內容和突破口。除此之外，圖像分類方法、空間分析算法、航拍影像獲取間期、影像分辨率提升、精細網格的科學布設也是待攻克的問題。

3）利用“3S”技術進行現代化精細農業(yè)管理的模式，所需的后臺農業(yè)數據庫建設難度非常大。本文所設計的管理模式需要大量的農業(yè)數據支撐，例如各類農作物生長所需要的最優(yōu)水分值、最適合的土壤養(yǎng)分區(qū)間、各地的土壤養(yǎng)分含量數據、地區(qū)多年降雨量、各類農作物最佳光照時長等數據，同時不同地區(qū)的數據差異性較大，因此，現代化精細農業(yè)管理所需的數據庫建設難度非常大。

3 總結和展望

現代化精細農業(yè)管理模式是基于3S、DSS（決策支持系統）、智能設備、物聯網、云計算與大數據等新型技術，實現農業(yè)生產現代化、精細化的一種全新管理模式。為了使農業(yè)生產更加科學規(guī)范、產能更高、經濟效率更好，越來越多的新型技術將不斷深入滲透到農業(yè)的各個方面，現代化精細農業(yè)管理模式也將成為一種趨勢。雖然目前所架構的新型農業(yè)管理模式還存在著較多的技術難點，短時間內無法完全實現，但是人們對于可持續(xù)發(fā)展的農業(yè)模式，對于降低農業(yè)生產成本、提高農作物品質的追求不會改變，現代化精細農業(yè)管理的發(fā)展也會越來越迅速。