精细农业与智能化农机装备

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1、精 细 农 业 与 智能化农业机械装备1 1. 精细农业的基本概念 2. 精细农业前3S简介 3. 智能化农业机械装备 4. 结束语4 1.1 精细农业概念的引入背景与演变; 1995年，前国家农业部部长刘 江同志率中国农业 代表团访问美国时，与前美国农业部部长会谈曾提 问：未来21世纪引起全球农业生产领域重大装备技 术变革将是什么？当时明确回答是：“ Precision Agriculture ” , 在美国还有一种说 法叫 “ Precision Farming ”。 代表团回来 后，我国的新闻媒介便开始了“精确农业”、“精 准农业”的宣传。 我国从事：“ Precision Agricu

2、lture ” 研究 与攻关的学科带头人是中国工程院院士、原国务院 学位委员会农业工程学科评议组组长、中国农业机5 械学会和中国农业工程学会名誉理事长、世 界粮农组织农业工程专家组专家、中国农业 大学教授汪懋华先生。多年来，他致力于该 领域的宣传、研究、攻关，每年多次出国专 项考察，指导培养硕士和博士研究生，倡导 组建中国精细农业工程示范研究基地。 汪懋华先生认为：结合我国劳动人民千百年 来精耕细作的优良传统，把：“ Precision Agriculture ” 翻译成精细农业更为合宜。所以 本次讲座名称为精细农业与智能化农业机械装备。6 1.2 精细农业的重大意义; 2000年前后在我国有

3、无搞精细农业的必 要，学术界还有一定的争议。赞同者认 为：精细农业集最先进的现代科学技术 于一体，它的研究与推广应用不仅会引 起农业生产领域中重大革命，同时也会 促进农业装备技术的重大变革，必将促 进我国的电子产业、计算机产业、信息 技术产业和机械装备产业的技术进步和 发展。智能化农业机械装 备是实现精细农业的载体，它是知识经 济的产物，也是知识经济的具体体现。 目前从国外引进一台智能化农业机械装 备，少则几万元、几十万元，多则一百 多万元。 持不同观点的人们认为：中国是一个发 展中的国家，耕地少，人口多，资金缺 乏，目前用7%的土地养活22%的人口已 是了不起的成就。精细农业投入太大， 暂时

4、还不符合中国国情。 我的观点属前者。当然搞精细农业也不 是搞群众运动，全面展开。但是我们要 投入一定的精力予以关注、投入一定的 财力予以支持研究，开发具有我国知识 产权并适合我国国情的精细农业智能化 机械装备。因为它必然代表了先进生产 力的方向，具有重大的战略意义。 我认为：持怀疑态度人的观点也有其现 实的道理，但是眼前看得太多，应该看 事物的发展规律与发展前景 纵观世界农业的发展史可见：20世纪50 年代前，第一、第二世界国家要从第三 世界国家进口粮食和农产品来维持他们 国家人民的生活；但是20世纪50年代以 后，情况发生了逆转，第一、第二世界 国家要向第三世界国家出口大量的粮食 和农产品，

5、当然这些国家人民的生活需 要进口。 然而，处于第一、第二世界的发达国家 的耕地面积并无明显增加，仅有35%的 劳动力从事农业生产。也就是说在农业资源没 有增加、反而减少的情况下，为什么会 出现这样的逆转呢？他们主要是依靠科 学技术，包括逐渐发展起来的精细农业 工程技术，大大提高了劳动生产率和农 业资源的利用率、降低了生产成本、减 少了化肥、农药、石油的投入，减轻了 对环境的污染，达到了经济效益、社会 效益和生态效益的同步增长与可持续发 展。 目前，我国化肥、农药有效利用率在 30%左右，天然降水的利用率不足35%， 仅为发达国家水平的一半；而每公顷拥 有的农业动力约为1KW，相当于美国水 平的

6、2倍。我国的低产田占耕地总面积 的60%以上，其单产仅为高产田的几分 之一；对于中、高产田，或者即使是同 一地块里，土壤的肥力、墒情、杂草、 病虫害、产量等等在局部区域往往差异 很大，并非均匀一致而传统的农业机械装备的设计参数与考 核指标是以均匀一致性为准则的。耕 深要求均匀一致、肥料要求撒播均匀 ，播种指标（播量、播深等）要求一 致，农药、除草剂喷洒均匀，农田灌 溉均匀一致等等。以均匀一致的资源 消耗投入到实际差异悬殊的具体环境 之中，要么造成局部供应不足，土地 、日光、空气等资源不能充分发挥自 身的最大功能；要么造成局部供应过 剩， 最终造成资源的浪费和环境的污染， 不能达到农业作业最佳理

7、想的目标。 1.1.3 精细农业的定义： 精细农业是一种战略思想，是信息 和人工智能高新技术在大农业中的 微观运用。它的全部概念建立在空 间差异和时间差异的数据采集和处 理上，其核心意图是实时测知作物 （畜禽） 个体或小群体或小区地块生长和防疫 的实际需要，而及时确定针对性投入 （肥、水、药饲料等）的量、质和时 机，一反传统农业大面积平均投入的 作法，以求最佳效果和最低代价。 实行精细农业可以在减少投入的情况 下增加（或维持）产量、提高品质、 降低成本、节约资源、减少污染、保 护生态。 1.4 精细农业的技术体系: 精细农业的技术体系：主要由前3S、 后3S和最后1S组成。简称精细农业7S 体

8、系。 前3S：GPS全球定位系统(Global Positioning System) GIS地理信息系统 (Geographical Information System) RSS遥感系统 (Remote Sensing System)后3S：ES专家系统 (Expert System)SS模拟系统 (Simulation System) DSS决策 支持系统 (Decision Support System) 最后1S： ICS智能控制系统 (Intelligence Control System) 前3S的集成作用是及时采集田间信息， 经过信息处理形成田间状态图，田间状 态图应能田间状态

9、（肥、水、病、虫、 产量）的斑块状不均匀分布。 后3S集成的作用是及时生成优化的决策 ，它的支持技术包括专家系统（知识模 型）、模拟系统（数学模型）和决策支 持系统（从多方案中优化或综合，作出 决策）。决策的表述形式可以是田间对 策图或指令IC 卡，IC卡便于智能控制新型农业装 备在田间作业时执行，实现按需变 量投入的目的要求。最后1S ，ICS智能控制系统是智能 化农业机械装备的控制指挥中心。 由农机操作者下达指令，从DGPS 接受位置信息，从GIS中的执行电子 地图提取决策信息，也可以接受实时传感器的信息，并将 它们转化为向执行器发出的控制信 号，执行设备在接受信号后通过液 动、气动或电动

10、系统实现对作物的 变量投入或作业操作调整。它还可 以接受自执行设备传来的反馈信号 ，对作物投入量进行微调并存档备 查。2.1 全球定位系统 GPS ；GPS 是缩写词NAVSTAR/GPS的 简称，其全部意义为：导航卫星测时和测 距/全球定位系统，即 Navigation Satelite Timing and Ranging / Global Positioning System.2.1.1 导航卫星：24颗卫星，分布在6 个轨道平面上，每个轨道上有4颗卫星。 在地球上任意地方，至少同时可观察到5 颗卫星。其中至少有4颗在地平线7.50以 上。卫星轨道高度约21083km，运行 周期接近12

11、h ，精确地说卫星经过 地面上同一点上空的时间，每天提 前4 min，卫星时钟日稳定度达10-14 / 日。卫星上的导航发射机向用户播发 信号，采用双频方式, 频率 1575.42MHZ和1227.60MHZ。发射双频是 为了校正电离层产生的附加延时。 2.1.2 地面站组: 地面站组亦称地面 控制部分，包括 4 个监控站，1 个注 入站和 1个主控站。出于军事目的，这 些站全部设在美国本土的空军基地内， 进行导航卫星的监视和运行参数的修正 控制。 2.1.3 用户设备: 用户设备是GPS接 收机，它的主要功能是接收导航卫星播 发的信号并利用本机产生的随机编码取 得距离测量和导航电文，根据导航

12、电文 提供的卫星位置 和钟差修正信息，计算显示接收机的位 置，这就是定位。 卫星发射的信号包括 P 码 和 C / A码 。 P 码为精密导航定位，为保密码，专 供美国军方和特许用户使用，属精密定 位业务，又记作PPS业务； C / A码供一般用户使用，称作标准定 位业务，又记作SPS业务。 2.1.3 GPS定位原理: GPS接收机接收的卫星导航电文 中有卫星的空间坐标位置，两两卫 星间的距离；接收机通过卫星播发 的信号传输时间可以计算出接收机 与各个卫星间的距离，这样已知条 件具备，即可计算出接收机位置坐 标，以所处地理位置经、纬度显示 。 2.1.4 美国政府GPS工作卫星的SA政策:

13、由于GPS全球定位系统是美国国防部研制 开发为美国陆、海、空三军使用的导航系 统。该系统具有可以覆盖全球的多维连续 定位能力，可以极大地提高军队的作战能 力。出于国家安全角度考虑，最关键的是 信号精度。 P码（精码）目前可以提供10m的实时定位 精度，C/A码（粗码），可以提供几十米的实时定位精度。1983年前C/A码水平 定位精度设在500m，1983年6月宣布改 为100m。一旦美国军队遇到敌方使用的 GPS辅助武器或战术带来明显威胁，美 国可以提高引入的误差，此时公开使用 的GPS系统定位误差可能大大超过和平 时期标准定位业务的水平。这就是美国 政府GPS工作卫星的SA政策，即“选择 可

14、用性”政策（Selective Availability）。 2.1.5 差分GPS（DGPSDifferential GPS）: 采用差分GPS几乎可以完全消除“选择可 用性”带来的误差。此外差分技术不需要 双频却能精确地作电离层补偿，从而使定 位精度超过单独使用精密定位业务所得到 的精度。之所以能获得这种效果，是因为 “选择可用性”和电离层带来的误差都是 缓慢变化的偏差，利用误差在时间上和空 间上的相关性就可以将它们校正掉。 目前GPS接收机多数具有差分系统 ，除了接收卫星信号外，它还接收 地面基准站的信号，通过差分计算 处理，获得高的定位精度。 美国政府允许这种差分工作的存在 ，因为局部

15、区域的差分不会得造成 对美国安全的威胁，再者美国军方 认为在必要时，它有能力摧毁差分 系统的通讯能力。 2.2.6 导航飞防农业GPS应用实例： 利用飞机喷洒农药,一般飞行高度为730m， 航线间隔50m，药效覆盖宽度正负40m，常 用“运五”飞机，飞行速度为200Km/h , 对于10Km航线，飞机只需5 min左右 ，加上飞机转弯，飞一条航线约需78 min。 用人工地标，地面工作人员需用50人；采 用GPS导航定位系统，可大大节约地面工 作人员的需求量、节约成本、保证作业质 量。 2.2 地理信息系统GIS： 1998年，前美国副总统戈尔曾提出 美国大型科研计划，建立数字化地球。 这表明美国的科研基础已经具备完成这 一计划的能力。所谓数字化地球，就是 将地球表面、地表上方空间、地表以下 的地理信息以数字的形式存贮于计算机 系统之中，以便今后决策和任务执行中 随时调用。 地理信息是指表征地理诸要素的数量、 质 量分布特性、相互联系及其变化规 律的数字、文字、图像与图形特征 的总称。其信息属于空间信息，具 有区域性、多维结构牲。例如：在 一个地面点上，可取高度、土壤肥 力、作物产量、噪声、污染、交通 、通讯、电力线、输油输气管网等 多种信息。地理信息有明显的时序 特征，即动态变化特征。 2.2.1 地理登信息系统的分类： 地理信息系统按其