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1、第8章 精确农业技术第一节第一节 精确农业技术的定义、发展精确农业技术的定义、发展一、精确农业的概念一、精确农业的概念 精确农业（精确农业（Precision agriculture, PA）：利用利用3S空间信息技术、作物生产管空间信息技术、作物生产管理决策支持技术（理决策支持技术（DSS）和）和农业工程装备技农业工程装备技术术为基础，定位、定量、定时地面向大田作为基础，定位、定量、定时地面向大田作物生产的精确农作技术物生产的精确农作技术。 即把智能化农业装备与田间信息采集技即把智能化农业装备与田间信息采集技术、系统优化决策支持技术，在全球定位系术、系统优化决策支持技术，在全球定位系统（统（
2、GPS）和地理信息系统（）和地理信息系统（GIS）技术的）技术的支持下组装集成起来，形成完善的精确农业支持下组装集成起来，形成完善的精确农业技术体系。技术体系。二、精确农业的产生与发展二、精确农业的产生与发展（一）精确农业思想的形成（一）精确农业思想的形成（一）精确农业思想的形成（一）精确农业思想的形成 在在在在2020世纪后半叶，随着发达国家农业生产中水分、世纪后半叶，随着发达国家农业生产中水分、世纪后半叶，随着发达国家农业生产中水分、世纪后半叶，随着发达国家农业生产中水分、肥料、农药等使用量持续增加，在获得作物产量大幅肥料、农药等使用量持续增加，在获得作物产量大幅肥料、农药等使用量持续增加
3、，在获得作物产量大幅肥料、农药等使用量持续增加，在获得作物产量大幅提高得同时，农田盲目投入和浪费所带来的资源短缺提高得同时，农田盲目投入和浪费所带来的资源短缺提高得同时，农田盲目投入和浪费所带来的资源短缺提高得同时，农田盲目投入和浪费所带来的资源短缺问题，过量施用化肥和农药造成的环境污染问题，能问题，过量施用化肥和农药造成的环境污染问题，能问题，过量施用化肥和农药造成的环境污染问题，能问题，过量施用化肥和农药造成的环境污染问题，能源大量投入导致的农业生产成本上升与经济效益降低源大量投入导致的农业生产成本上升与经济效益降低源大量投入导致的农业生产成本上升与经济效益降低源大量投入导致的农业生产成本
4、上升与经济效益降低问题等日益突出。问题等日益突出。问题等日益突出。问题等日益突出。 20世纪世纪80年代各个发达国家对农业年代各个发达国家对农业经营中农业生产力、资源、环境问题的经营中农业生产力、资源、环境问题的广泛关注，导致了持续农业的产生与发广泛关注，导致了持续农业的产生与发展。展。 同时，对有效利用农业投入、节约同时，对有效利用农业投入、节约成本、提高农业利润、提高农产品市场成本、提高农业利润、提高农产品市场竞争力和减少环境危害的迫切需求，客竞争力和减少环境危害的迫切需求，客观上要求改变现有作物生产管理方式。观上要求改变现有作物生产管理方式。 传统的作物生产都是在区域或田块传统的作物生产
5、都是在区域或田块的尺度上，把耕地看作是具有作物均匀的尺度上，把耕地看作是具有作物均匀生长条件的对象进行管理。生长条件的对象进行管理。 实际上，在同一农田内存在影响作实际上，在同一农田内存在影响作物生长和产量的明显时空分布差异。物生长和产量的明显时空分布差异。 精确农业是一种基于可持续发展战略思精确农业是一种基于可持续发展战略思想的农业生产管理技术想的农业生产管理技术。 一反传统农业大面积、大群体平均投入一反传统农业大面积、大群体平均投入的资源浪费型做法，在减少投入的情况下增的资源浪费型做法，在减少投入的情况下增加（或维持）产量、提高品质、降低成本、加（或维持）产量、提高品质、降低成本、节约资源
6、、减少污染、保护生态，以求农业节约资源、减少污染、保护生态，以求农业生产的最佳效果和最低代价。生产的最佳效果和最低代价。（二）精确农业技术研究与应用进展（二）精确农业技术研究与应用进展 1. 1. 国外精确农业技术研究与应用进展国外精确农业技术研究与应用进展国外精确农业技术研究与应用进展国外精确农业技术研究与应用进展 精确农业技术体系的早期研究与实践，在发达国精确农业技术体系的早期研究与实践，在发达国精确农业技术体系的早期研究与实践，在发达国精确农业技术体系的早期研究与实践，在发达国家始于家始于家始于家始于2020世纪世纪世纪世纪8080年代初期。年代初期。年代初期。年代初期。 从事作物栽培、
7、土壤肥力、作物病虫草害防治的从事作物栽培、土壤肥力、作物病虫草害防治的从事作物栽培、土壤肥力、作物病虫草害防治的从事作物栽培、土壤肥力、作物病虫草害防治的农学家在进行作物生长模拟模型、栽培管理、测土配农学家在进行作物生长模拟模型、栽培管理、测土配农学家在进行作物生长模拟模型、栽培管理、测土配农学家在进行作物生长模拟模型、栽培管理、测土配方施肥与植保专家系统应用研究与实践中，方施肥与植保专家系统应用研究与实践中，方施肥与植保专家系统应用研究与实践中，方施肥与植保专家系统应用研究与实践中，揭示了农揭示了农揭示了农揭示了农田内小区产量和生长环境条件呈现明显的时空差异性，田内小区产量和生长环境条件呈现
8、明显的时空差异性，田内小区产量和生长环境条件呈现明显的时空差异性，田内小区产量和生长环境条件呈现明显的时空差异性，从而提出了对作物栽培管理实施定位、按需变量投入，从而提出了对作物栽培管理实施定位、按需变量投入，从而提出了对作物栽培管理实施定位、按需变量投入，从而提出了对作物栽培管理实施定位、按需变量投入，或称或称或称或称“ “处方农业处方农业处方农业处方农业” ”的精确农业技术思想的精确农业技术思想的精确农业技术思想的精确农业技术思想，并受到广泛，并受到广泛，并受到广泛，并受到广泛的重视。的重视。的重视。的重视。 1992年美国明尼苏达大学开始使用年美国明尼苏达大学开始使用“Precision
9、 agriculture”一词，并被有一词，并被有关学校、公司和政府机构普遍接受。关学校、公司和政府机构普遍接受。 1993年美国开始试行精确农业。美年美国开始试行精确农业。美国明尼苏达大学在明尼苏达汉斯卡农场国明尼苏达大学在明尼苏达汉斯卡农场实验证明，精确农业施肥量平均减少实验证明，精确农业施肥量平均减少82kg/hm2。 1995年美国明尼达州、华盛顿州开发了年美国明尼达州、华盛顿州开发了商业性变量投入技术（商业性变量投入技术（Variable rate technology, VRT）应用设备。）应用设备。 可按不同位置喷洒不同剂量农药的变量可按不同位置喷洒不同剂量农药的变量植保设备，利
10、用植保设备，利用GIS绘制电子地图的种植业绘制电子地图的种植业生产管理系统，利用传感器、生产管理系统，利用传感器、GPS、GIS采采集和处理空间数据并形成决策支持系统的成集和处理空间数据并形成决策支持系统的成套设备等商品问世。套设备等商品问世。 1995年有关厂商先后向市场提供了装有年有关厂商先后向市场提供了装有空间定位和产量传感器的现代谷物联合收获空间定位和产量传感器的现代谷物联合收获机，可以在收获过程中自动生成以机，可以在收获过程中自动生成以1215m2为单元组成的农田小区产量分布图。为单元组成的农田小区产量分布图。 1998年在拖拉机、播种机和施肥机上配年在拖拉机、播种机和施肥机上配备了
11、电脑和备了电脑和GPS，可以实现变量播种和施肥。，可以实现变量播种和施肥。 据美国据美国Purdue大学研究，采用精确农业大学研究，采用精确农业技术的农民约有技术的农民约有60%实现盈利、实现盈利、10%亏本、亏本、30%保本。保本。 除美国外，英国、德国、法国、荷兰、除美国外，英国、德国、法国、荷兰、西班牙、澳大利亚、加拿大等也已开展了精西班牙、澳大利亚、加拿大等也已开展了精确农业技术研究与生产应用。确农业技术研究与生产应用。 从研究方向看从研究方向看 以美国为代表的有关国家，其精确农业发以美国为代表的有关国家，其精确农业发展集中于农田化精确农业研究与应用。展集中于农田化精确农业研究与应用。
12、 以以色列、荷兰、日本等为代表的国家则以以色列、荷兰、日本等为代表的国家则以设施条件下的工厂化精确农业研究与应用以设施条件下的工厂化精确农业研究与应用为主。为主。 2. 我国精确农业技术研究与应用进展我国精确农业技术研究与应用进展 我国精确农业研究起步较晚，从我国精确农业研究起步较晚，从20世纪世纪90年代中期开始精确农业的引进、试验与示年代中期开始精确农业的引进、试验与示范工作。范工作。 1998年中国农业大学成立了精细农业研年中国农业大学成立了精细农业研究中心。究中心。 国家批准北京国家农业信息化工程技术国家批准北京国家农业信息化工程技术研究中心实施了研究中心实施了“北京小汤山精准农业示范
13、北京小汤山精准农业示范工程工程”项目。项目。 中国科学院在上海奉贤县建立了上海精中国科学院在上海奉贤县建立了上海精准农业试验示范基地。准农业试验示范基地。 上海气象局上海气象局成立了精准农业技术公司成立了精准农业技术公司并实施上海精准农业示范工程项目并实施上海精准农业示范工程项目 中国科学院石家庄农业现代化研究所中国科学院石家庄农业现代化研究所建立栾城精准农业技术集成示范区。建立栾城精准农业技术集成示范区。 中国农业科学院、浙江大学、西北农林科中国农业科学院、浙江大学、西北农林科技大学、华南农业大学等机构也开始技大学、华南农业大学等机构也开始DGPS、GIS、RS等精确农业技术与设备的引进与研
14、究等精确农业技术与设备的引进与研究工作。工作。 黑龙江农垦总局友谊农场、新疆生产建设黑龙江农垦总局友谊农场、新疆生产建设兵团从国外引进了有关精确农业机械装备，开兵团从国外引进了有关精确农业机械装备，开始实施精确农业技术的生产应用试验研究。始实施精确农业技术的生产应用试验研究。 从近从近10年有关精确农业技术研究和推广年有关精确农业技术研究和推广水平看，我国精确农业研究与应用尚处于初水平看，我国精确农业研究与应用尚处于初步尝试研究和应用示范阶段，与发达国家仍步尝试研究和应用示范阶段，与发达国家仍有较大差距。有较大差距。 根据我国国情和农情，当前精确农业研根据我国国情和农情，当前精确农业研究与应用
15、也面临很多困难，如农民经济收入究与应用也面临很多困难，如农民经济收入少，投资能力差，农业机械化水平低，农业少，投资能力差，农业机械化水平低，农业基础数据贫乏，成为制约我国精确农业研究基础数据贫乏，成为制约我国精确农业研究和推广的主要障碍。和推广的主要障碍。 三、精确农业的特征三、精确农业的特征 1 1地域性地域性 不同地域的农业生产条件不同、技术不同地域的农业生产条件不同、技术水平不同、资源与环境条件不同，精确农水平不同、资源与环境条件不同，精确农业实施的重点和角度就不一样。业实施的重点和角度就不一样。 2 2综合性综合性 精确农业的实施又需要各学科的单项精确农业的实施又需要各学科的单项技术、
16、学科内技术的组合、学科间的技技术、学科内技术的组合、学科间的技术组合才能完成其技术体系。术组合才能完成其技术体系。 3 3系统性系统性 精确农业是一个复杂的农业生态系统，精确农业是一个复杂的农业生态系统，追求的是系统的稳定、高效，它必然是追求的是系统的稳定、高效，它必然是一个和谐的整体，各组分之间必须有适一个和谐的整体，各组分之间必须有适当的比例关系和明显的功能分工与协调。当的比例关系和明显的功能分工与协调。 4 4渐进性渐进性 精确农业不可能短期内实现，应是精确农业不可能短期内实现，应是一个渐进的过程。一个渐进的过程。 5 5可操作性可操作性 精确农业必须要求一定的可操作性，精确农业必须要求
17、一定的可操作性，也就是要落实到具体生产实践过程中。也就是要落实到具体生产实践过程中。 第二节第二节 精确农业的支持技术精确农业的支持技术 从实施环节看，精确农业包括：农田环境从实施环节看，精确农业包括：农田环境及作物长势监测，针对性投入决策生成，决策及作物长势监测，针对性投入决策生成，决策实施实施3个环节。个环节。 一、一、3S3S技术技术1 1地理信息系统地理信息系统 在精确农业中，在精确农业中，GISGIS的作用是将农田信的作用是将农田信息数据制成息数据制成GISGIS图层存入系统，并以此为基图层存入系统，并以此为基础框架存入农田的基本性状数据，包括农础框架存入农田的基本性状数据，包括农田
18、的气候、水文、土壤病虫草害等信息，田的气候、水文、土壤病虫草害等信息，建成门类齐全、图文并茂的信息系统。建成门类齐全、图文并茂的信息系统。 2 2遥感技术遥感技术 有效地对多时期的农业资源及生产活有效地对多时期的农业资源及生产活动变化进行动态临测和分析比较；可将数动变化进行动态临测和分析比较；可将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，明显地提高工作效率和经共同的信息流，明显地提高工作效率和经济效益。济效益。RSRS系统能快速准确地获取研究区域内系统能快速准确地获取研究区域内农业资源的遥感图像、图片、提供大量农业资源的遥感图像、图片、提供大量其它
19、常规手段难于得到的资源信息其它常规手段难于得到的资源信息通过通过GISGIS系统将遥感资料与其它来源的系统将遥感资料与其它来源的数据信息汇集在一起组建空间数据库。数据信息汇集在一起组建空间数据库。利用利用RS/GISRS/GIS强大的图形分析与制作功强大的图形分析与制作功能，编绘出所需的各种资源要素图件，能，编绘出所需的各种资源要素图件，据此可进行多种专题图的重叠而获得综据此可进行多种专题图的重叠而获得综合信息。合信息。 同时，利用同时，利用RSRS对农业资源质和量的变化对农业资源质和量的变化进行动态监测，及时更新进行动态监测，及时更新GISGIS数据库，调数据库，调整各种图件。整各种图件。在
20、资源清查和动态监测的基础上，农业在资源清查和动态监测的基础上，农业资源进行存量和价值量的测算，进行资源资源进行存量和价值量的测算，进行资源现状、潜力和质量的客观评估，真实地反现状、潜力和质量的客观评估，真实地反映农业资源的状况，不仅快速、准确，而映农业资源的状况，不仅快速、准确，而且现实性好、时效性强。且现实性好、时效性强。 3 3全球定位系统全球定位系统 GPSGPS在精确农业上用于田间作业机具在精确农业上用于田间作业机具的准确定位。在收割机等机具上安装上的准确定位。在收割机等机具上安装上GPSGPS接收器，可以准确指示机具所在的位接收器，可以准确指示机具所在的位置坐标，使操作人员可以根据计
21、算机上置坐标，使操作人员可以根据计算机上GISGIS操作指示图进行定点作业。操作指示图进行定点作业。 二、决策支持技术（二、决策支持技术（DSSDSS）（一）、（一）、DSSDSS的功能的功能 DSSDSS可以用于收集、存储、整理和提供与决可以用于收集、存储、整理和提供与决策有关的数据，收集提供有关各项活动的反馈策有关的数据，收集提供有关各项活动的反馈信息信息. . 以一定的方式存储与所研究的决策问题有以一定的方式存储与所研究的决策问题有关的各种模型关的各种模型 存储与提供常用的，特别是数理统计与运存储与提供常用的，特别是数理统计与运筹学方面的分析方法筹学方面的分析方法（二）、（二）、DSSD
22、SS的应用的应用 在取得田间状况（产量、肥力、墒在取得田间状况（产量、肥力、墒情、病虫害等）分布图之后，首先进行情、病虫害等）分布图之后，首先进行状况分析，找出其主要成因。状况分析，找出其主要成因。 找到田间各局部状况的主要成因后，找到田间各局部状况的主要成因后，再通过模型去求其量化了的纠正再通过模型去求其量化了的纠正措施，通过不断修改和完善数学模型，同措施，通过不断修改和完善数学模型，同时建立经验时建立经验- -知识模型，经过决策支持系知识模型，经过决策支持系统的优选初步提出纠正措施。统的优选初步提出纠正措施。 将上述初步决定的纠正措施，放到生将上述初步决定的纠正措施，放到生长模型、经济、环
23、境模型中去进行预测，长模型、经济、环境模型中去进行预测，以改进和验证该措施的正确性和可行性。以改进和验证该措施的正确性和可行性。 最终以处方图或指令卡的形式将决策最终以处方图或指令卡的形式将决策传送给智能农机（农民）去执行。传送给智能农机（农民）去执行。三、可变量投入系统三、可变量投入系统 可变量投入系统包括控制特定物质流可变量投入系统包括控制特定物质流速变化的仪器，或同步控制多种物质流速变化的仪器，或同步控制多种物质流速的仪器，使得处于行驶中的机械自动速的仪器，使得处于行驶中的机械自动改变物质投入量，以达到变量投入的预改变物质投入量，以达到变量投入的预期效果。期效果。可变量投入系统的种类可变
24、量投入系统的种类 （1）基于地图的变量投入技术）基于地图的变量投入技术 需要一个需要一个GPS/DGPS全球定位系统和一个全球定位系统和一个用于存储施用技术的命令单元，该施用计划包用于存储施用技术的命令单元，该施用计划包含了田块内每一位置的施用量期望值。含了田块内每一位置的施用量期望值。 （2）基于传感器的变量投入技术）基于传感器的变量投入技术 不需要定位系统，但包含一个动态命令单不需要定位系统，但包含一个动态命令单元，在田块内所到每一位置通过实地分析土壤元，在田块内所到每一位置通过实地分析土壤传感器测量数据，从而确定相应的施用量。传感器测量数据，从而确定相应的施用量。精确变量灌溉控制系统精确
25、变量灌溉控制系统四、智能机械装备技术四、智能机械装备技术 （一）、精确农业与智能机械装备（一）、精确农业与智能机械装备 农业机械装备，必须具备定位导航、农业机械装备，必须具备定位导航、实时监测、自动变量调节等功能。实时监测、自动变量调节等功能。 （二）、传感器监测技术与智能机械装（二）、传感器监测技术与智能机械装备备 如在联合收割机上安装谷物产量、水分、如在联合收割机上安装谷物产量、水分、温度、机器行走速度、工作幅宽等传感温度、机器行走速度、工作幅宽等传感器，实现谷物收割过程的空间位置监测器，实现谷物收割过程的空间位置监测和数据采集、储存、计算、输出的结合。和数据采集、储存、计算、输出的结合。 产量图水分图（1）精确变量整地机械）精确变量整地机械（2）精确变量施肥机）精确变量施肥机（3）精确变量喷药机械）精确变量喷药机械（4）精确变量播种机）精确变量播种机
