本文關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的研究進(jìn)展與展望，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第 19 卷 第 4 期 2003 年 7月

農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 T ran saction s of the CSA E

V o l 19　N o. 4 . J u ly 　2003

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精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的研究進(jìn)展與展望
趙春江, 薛緒掌, 王　秀, 陳立平, 潘瑜春, 孟志軍
( 國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心, 北京 100089)

1　引　言

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是基于現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展成就的一次正 在進(jìn)行中的作物栽培學(xué)的革命, 有人認(rèn)為它是近代農(nóng)業(yè) 使用拖拉機(jī)以來最大的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命, 人們希望通過精 準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的使用降低生產(chǎn)成本, 提高和穩(wěn)定農(nóng)產(chǎn) 品產(chǎn)量和質(zhì)量, 增加經(jīng)濟(jì)收入, 減少環(huán)境污染。 目前, 精 準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)體系還處于嬰兒期, 雖然潛力無窮, 但其 潛力的發(fā)揮需要研究時間和研究資源的投入, 還需要不 斷發(fā)展和完善, 發(fā)展和完善就意味著技術(shù)淘汰和技術(shù)創(chuàng) 新, 因此我們需要對現(xiàn)有的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)要素進(jìn)行分 析, 明確哪些技術(shù)是將被淘汰的技術(shù), 哪些是目前雖然 不成熟但卻是未來支撐精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)要素, 只有在這 個基礎(chǔ)上, 才能明確技術(shù)引進(jìn)重點(diǎn)和研究方向, 直接占 領(lǐng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的世界前沿陣地。 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)從實(shí)施過程來分大致包括農(nóng)田信息 獲取、 農(nóng)田信息管理和分析、 決策分析、 決策的田間實(shí)施 四大部分 ( Zhao 等, 2000) 。 這四大部分, 在目前來講, 大 多是以分離的技術(shù)形式存在, 但發(fā)展的趨勢是合而為 一, 統(tǒng)一在變量施用機(jī)具這個精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)系統(tǒng)的載體 上。 我們常說的 3S 技術(shù)中, R S ( 遙感) 是屬于農(nóng)田信息 的獲取手段, GPS ( 全球定位系統(tǒng)) 是地理位置信息的獲 取手段, G IS 是農(nóng)田信息的管理和分析手段, 另外還有 D SS ( 決策支持系統(tǒng)) 和 ES ( 專家系統(tǒng)) 是決策形成支持 系統(tǒng)的核心, 再加上變量施用技術(shù) (V R T ) ( 決策的田間 實(shí)施) , 形成了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的基本內(nèi)容。

2　農(nóng)田信息獲取

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)需要盡可能高密度的、 全面的農(nóng)田信息作 為依據(jù)。 目前, 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的最大障礙, 仍然是在農(nóng)田 信息高密度、 高速度、 高準(zhǔn)確度、 低成本獲取技術(shù)的研究 上。 如果高密度農(nóng)田信息, 包括土壤信息、 作物信息和農(nóng) 田微氣象信息的高密度獲取技術(shù)沒有根本的突破, 則精
收稿日期: 2002212217 基金項目: 國家計委高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程項目 (A 00300100584) ; 國 家 863 ” “ 計劃 (2001AA 245011) ; ( 北京市科委農(nóng)業(yè)信息技術(shù)示范 工程 (H 010710200113) 作者簡介: 趙春江 (1964- ) , 男, 研究員, 博士, 博士生導(dǎo)師, 研究方 向: 農(nóng)業(yè)信息技術(shù)。 北京市　國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心,
100089

摘　要: 該文從精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)四大技術(shù)環(huán)節(jié)農(nóng)田信息獲取、 農(nóng)田信息管理和分析、 決策分析、 決策的田間實(shí)施, 分析和評述精準(zhǔn) 農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的現(xiàn)狀和趨勢, 總結(jié)了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的效果和推廣現(xiàn)狀, 并對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。 關(guān)鍵詞: 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè); 信息獲取; 信息管理; 決策支持系統(tǒng); 田間變量實(shí)施技術(shù) 中圖分類號: S126, 127　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 　　　　文章編號: 100226819 ( 2003) 0420007206 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

準(zhǔn)農(nóng)業(yè)難以獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益和太大的應(yīng)用范圍。 目 前田間信息獲取主要有傳統(tǒng)田間采樣、 田間 GPS 采集、 智能農(nóng)機(jī)作業(yè)、 多平臺遙感獲取等四種方式。 2. 1　傳統(tǒng)田間采樣 對土壤的空間變異性進(jìn)行詳細(xì)的了解是精準(zhǔn)管理、 變量管理的前提性基礎(chǔ)工作。 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向是根 據(jù)米級、 亞米級尺度的土壤性狀、 作物生長參數(shù)變異來 調(diào)整農(nóng)田水肥、 播種、 植保、 耕作等作業(yè), 這種作業(yè)的技 術(shù)并不是太大的難題, 但由于缺乏成熟的低成本高密 度、 高精度、 高可靠性的獲取農(nóng)田信息的技術(shù), 田間信息 采樣的間距較大, 目前流行的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系所解決 的主要還是幾十米以上的田間土壤養(yǎng)分變異。 美國目前 流行的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的土壤采樣布點(diǎn)大多是 1 hm 2 以上采 一 個樣點(diǎn), 相當(dāng)于 100 m 取一個采樣點(diǎn) (H an et a l , . ) , 在國外研究文獻(xiàn)中所查到的最小尺度的網(wǎng)格面 1994 積大約相當(dāng)于 1 畝多耕地。 北京小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示 范基地的采樣密度大約為 2. 5 畝 ( 楊敏華, 2002 ) , 并不 是因為這樣的采樣密度滿足了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要, 主要是 基于采樣和分析成本的限制。 由于采樣點(diǎn)本身所占的面 積不超過農(nóng)田面積的萬分之一到百萬分之一, 沒有測定 的地點(diǎn)只好采用地統(tǒng)計學(xué)方法進(jìn)行估算, 其可靠性是可 想而知的。 作物信息, 如葉面積系數(shù)、 干物質(zhì)積累、 單株 形態(tài)信息等, 目前也還離不開破壞性采樣, 采樣密度更 受限制。 采樣尺度過大對于我國小塊土地經(jīng)營的現(xiàn)狀顯 然是不合適的, 國外的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系從某種角度 看, 在我國可以說實(shí)際上是粗放農(nóng)業(yè), 即使到我國的國 營大農(nóng)場使用也需要細(xì)化。 2. 2　田間位置信息采集 全 球 定 位 系 統(tǒng) ( G loba l Po sit ion ing System , 即 ) 的發(fā)展, 為獲取農(nóng)田信息時同步獲取位置信息提 GPS 供了一個方便的選擇。 美國、 加拿大、 澳大利亞等西方發(fā) 達(dá)國家在農(nóng)業(yè)中首先應(yīng)用 GPS, 它們 GPS 的基礎(chǔ)設(shè)施 都比較完善, 信標(biāo)臺 ( 海上信標(biāo)和陸地信標(biāo)) 、 調(diào)頻副載 波差分和廣域差分系統(tǒng)基本上覆蓋了這些國家的全境, 農(nóng)業(yè)中應(yīng)用 GPS 可以直接使用這些設(shè)施, 一般在儀器 和農(nóng)業(yè)機(jī)械上都帶有 GPS 接收機(jī)或有為 GPS 預(yù)留的 接口, 并且有專門的公司作各種收費(fèi)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用服務(wù)。 所以, 這些國家中一般沒有關(guān)于農(nóng)業(yè)的局域?qū)崟r動態(tài)差 分 GPS 如何建立的方案和標(biāo)準(zhǔn)。 而在我國, 雖然這幾年

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農(nóng)業(yè)工程學(xué)報

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來 GPS 的應(yīng)用逐步增多, 但我國的 GPS 基礎(chǔ)設(shè)施很不 完善。 在沿海, 交通部剛剛建成海上信標(biāo)臺, 主要為海上 導(dǎo)航服務(wù)。 陸地上還沒有可以提供差分 GPS 服務(wù)的國 家基礎(chǔ)設(shè)施。 因此, 在相當(dāng)長一段時期內(nèi), 我國不可能建 立自己的廣域差分系統(tǒng), 也不可能建立若干個陸地信標(biāo) 臺為全國提供差分服務(wù)。 目前, GPS 在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用, 除 沿海區(qū)域可以使用信標(biāo)外, 其它區(qū)域只能建立局域?qū)崟r 動態(tài)差分 GPS 系統(tǒng)。 根據(jù)近年來精細(xì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求、 應(yīng)用目的和實(shí)際應(yīng)用情況, 對水平定位精度的要求可分 為亞米級和厘米級兩種, 如亞米級可以用于采樣、 聯(lián)合 收割機(jī)導(dǎo)航等, 厘米級用于施肥機(jī)械、 噴藥機(jī)械的導(dǎo)航 等。 在現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)差分系統(tǒng)中, 一般都達(dá)到了亞米級的 定位精度, 至于是否達(dá)到厘米級的定位精度, 是由經(jīng)濟(jì) 因素和其它因素決定的。 同時, 目前國內(nèi)主要依靠引進(jìn) 國外 D GPS 技術(shù)與設(shè)備, 以自建差分基站方式實(shí)現(xiàn)差 分定位, 提高定位精度。 然而, 從國外引進(jìn)的 D GPS 系 統(tǒng)價格昂貴, 難于為國內(nèi)普通用戶接受。隨著國內(nèi) GPS 行業(yè)硬件研發(fā)和生產(chǎn)的興起, 基于國產(chǎn)品牌的 GPS 設(shè) 備構(gòu)建農(nóng)用 D GPS 系統(tǒng)將成為一種發(fā)展趨勢。 在基于精確 GPS 位置的農(nóng)田信息采集方面, 國外 已經(jīng)有成熟的軟硬件產(chǎn)品。 美國 F ieldW o rker 公司的基 于掌上電腦的信息采集軟件 F ieldW o rker 能很好地滿 足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)農(nóng)田信息采集的需要。 通過與 GPS 的連接, 能實(shí)時采集帶有空間位置屬性的田間作物生長狀態(tài)信 息 ( 甚至作物生長狀態(tài)的圖像、 注解聲音等多媒體信 息 ) , 并能做相應(yīng)的計算處理, 為作物管理提供科學(xué)依 據(jù)。 美國 T rim b le 公司的 A gGPS 160 Po rtab le Com p u t 2 各種作物及其生長環(huán)境屬性信息 er 能實(shí)現(xiàn)田間成圖、 記錄、 獲取來自通過各種田間環(huán)境傳感器傳來的信息, 所有獲取的數(shù)據(jù)能通過 ESR I Shap e 文件格式與外界 進(jìn)行交換。 但無論如何, 單純用于農(nóng)田信息采集的軟件 系統(tǒng)將隨著遙感在農(nóng)田信息獲取應(yīng)用的不斷深入而被 淘汰, 取代它的將是集成 GPS 的遙感系統(tǒng)與智能農(nóng)機(jī) 系統(tǒng)。 依賴 GPS 獲取農(nóng)田信息和進(jìn)行導(dǎo)航還面臨另外一 些問題, 例如定位精確程度對時間的依賴性, 以及一旦 遇到戰(zhàn)爭時, 美國政府可能通過特殊處理使全球定位系 統(tǒng)失效; 還有前邊提到的, 一些要求達(dá)到厘米精度的操 作如小麥播種, 用米級精度的定位設(shè)備肯定不行, 而厘 米精度的差分定位系統(tǒng)又過于昂貴。 日本目前在研究覆 蓋農(nóng)場區(qū)域的有限尺度定位系統(tǒng), 不依賴衛(wèi)星定位系 統(tǒng), 精確度很容易達(dá)到厘米級, 且不易受時間、 環(huán)境變化 的影響, 可能是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)定位系統(tǒng)的更佳選擇, 值得我 們關(guān)注和研究。 2. 3　智能農(nóng)機(jī)作業(yè)獲取 “ ER IS ” 土壤電導(dǎo)率制圖機(jī)是一個很有用的獲取 V 農(nóng)田信息的工具, 現(xiàn)在已經(jīng)成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)農(nóng)田信息獲取 的設(shè)備進(jìn)行推廣。 制作這一工具的, 是幾個僅擁有碩士 學(xué)位的美國農(nóng)民。 人們了解土壤電導(dǎo)率與土壤性狀的關(guān) 系已經(jīng)有多年了, 土壤的許多性狀之間是相互聯(lián)系的, 如土壤質(zhì)地粘重, 則電導(dǎo)率高、 有機(jī)質(zhì)含量高、 陽離子代

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換量高、 田間持水量高, 而這些性狀與土地的生產(chǎn)力有 不可分割的關(guān)系, 這便是土壤電導(dǎo)率變化圖之所以很有 用的原因。 目前產(chǎn)量制圖是一項推廣比較普遍的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信 息獲取技術(shù), 但是, 只有產(chǎn)量的空間變化模式在年際間 和作物間一致, 而且找到導(dǎo)致變化的原因, 產(chǎn)量圖的使 用才有依據(jù)。 美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的 John L am b [ 11 ] 領(lǐng)導(dǎo) 的研究表明玉米產(chǎn)量的空間變異在年際間往往是不一 致的, 高產(chǎn)和低產(chǎn)地塊并不是每年發(fā)生在相同的地塊, 這表明根據(jù)歷史產(chǎn)量記錄預(yù)測未來產(chǎn)量的可靠性是有 限的。 Eghba ll 和 V a rvel ( 1997) 依據(jù) 1975 1995 年共 ～ 20 年間在 N eb ra ska 東部進(jìn)行的 7 種作物輪作技術(shù)體 系數(shù)據(jù)的分析, 表明幾種作物的產(chǎn)量年際變異遠(yuǎn)大于空 間產(chǎn)量變異。 2. 4　多平臺遙感 遙感以其獨(dú)特的信息獲取優(yōu)勢正逐漸成為農(nóng)田信 息獲取的主要手段。 用遙感獲取土壤和植物參數(shù)已經(jīng)比 較普遍了, 遙感數(shù)據(jù)是屬于面數(shù)據(jù), 可覆蓋整個農(nóng)田, 不 象常規(guī)的采樣分析手段所獲取的只是點(diǎn)數(shù)據(jù), 特別是隨 著衛(wèi)星遙感空間分辨率的提高, 衛(wèi)星遙感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng) 業(yè)中的作用應(yīng)該會越來越大, 例如 O kam o to 等 ( 1990 ) 和 H a tanaka 等 ( 1995) 用 L and sa t 的圖象推斷土壤有機(jī) 質(zhì)含量和土壤持水量。 目前 Q u ickB ird s 空間分辨率達(dá) 到 0. 7 m , 回返周期為 1 3. 5 d。 航空遙感可以獲取滿 ～ 足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)需要的高空間分辨率遙感信息是勿庸置疑 的, 另一方面, 如果沒有氣候的影響, 具有很大靈活性的 航空遙感可以獲取任意時間的農(nóng)田信息。 由此看來, 隨 著遙感技術(shù)的發(fā)展, 遙感影像的空間分辨率和獲取信息 的周期基本上不再是遙感技術(shù)應(yīng)用的限制性因素。 雖然 多雨氣候?qū)b感信息的獲取影響較大, 但微波遙感的發(fā) 展成為多雨氣候條件下的農(nóng)田信息獲取的重要補(bǔ)充手 段。 高光譜遙感是遙感發(fā)展的一個重要趨勢, 高光譜遙 感以其高光譜分辨率特性所攜帶的豐富光譜信息為遙 感應(yīng)用帶來了強(qiáng)大的活力。 國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)涉足高 光譜遙感在植被生物物理信息和生物化學(xué)信息提取方 面的研究。 2001 2002 年, 由國家農(nóng)業(yè)信息化工程技 從 ～ 術(shù)研究中心聯(lián)合中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所利用 OM IS (O p era t ive M odu la r I ag ing Sp ect rom eter, 128 m 個 波 段 ) 和 PH I ( Pu sh 2b room H yp ersp ect ra l I ager, m 244 個波段) 在北京小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地進(jìn)行 了農(nóng)業(yè)遙感試驗, 并在農(nóng)作物冠層生化參數(shù)反演研究方 面取得一定的進(jìn)展, 也進(jìn)一步證明了高光譜遙感在農(nóng)田 信息提取中的巨大前景 ( 楊敏華, 2002) 。 然而, 目前國內(nèi) 外遙感信息在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用, 大部分停留在從光譜信息 反演作物冠層生化參數(shù)這一步, 美國奧克拉浩瑪州立大 學(xué)研制了從遙感數(shù)據(jù)生成施肥處方的優(yōu)化算法[ 18 ] , 這 是遙感信息應(yīng)用的一個很大進(jìn)步。 在近地面測量地物吸收和反射光譜的地物光譜儀 ( 如美國的 A SD F ieldSp ec ) 是田間低成本間接測定作 物養(yǎng)分和生化參數(shù)的一個工具, 在衛(wèi)星和航空遙感技術(shù)


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趙春江等: 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的研究進(jìn)展與展望

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進(jìn)一步發(fā)展和成熟前, 正在被發(fā)展為高密度獲取農(nóng)田信 息的技術(shù)手段。 目前, 阻礙遙感技術(shù)應(yīng)用的主要因素是專業(yè)化的設(shè) 備標(biāo)定、 提取農(nóng)田信息的主觀性和反映農(nóng)田信息的間接 性、 遙感信息處理對終端用戶的限制性、 信息獲取的滯 后性、 信息分析處理方法等。 目前遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的 應(yīng)用沒有達(dá)到人們的愿望, 因此有人質(zhì)疑遙感技術(shù)在精 準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的位置, 這是不應(yīng)該的, 因為科學(xué)總有一個發(fā) 展的過程。 在美國, 越來越多的商業(yè)公司提供航空遙感 服務(wù), 收集可見和近紅外光譜, 分辨率達(dá) 0. 3～ 1. 0 m , 在 24 h 內(nèi)提供分析結(jié)果。 如果航空遙感能與商業(yè)民航 飛行相結(jié)合, 航空遙感的成本有望大幅度下降。

3　農(nóng)田信息管理與分析
3. 1　地理信息系統(tǒng) 地理信息系統(tǒng) ( G IS ) 在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中的地 位是舉足輕重的, 它出現(xiàn)在從規(guī)劃、 田間信息采集、 信息 處理與管理、 信息分析, 到田間決策方案實(shí)施的整個過 程, 這要?dú)w功于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施對空間信息的依賴性。 農(nóng) 田信息具有多源性, 具體表現(xiàn)在存儲格式多樣性、 多尺 度性、 獲取方式多樣性, 另外還包括系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù) 組織的復(fù)雜性。通過 G IS 平臺, 融合多源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上

建立農(nóng)田管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對多源、 多時相農(nóng)田信息的有序 管理和分析, 這是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的基礎(chǔ), 其作用表現(xiàn)在 數(shù)據(jù)組織和集成管理、 空間分析查詢、 空間數(shù)據(jù)更新與 綜合處理、 可視化分析與表達(dá)。 G IS 為田間信息采集提 供基礎(chǔ)信息, 也為田間變量實(shí)施決策分析提供信息源, 因此農(nóng)田地理信息系統(tǒng)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的信息管理員。 目前 G IS 在國外精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用中還處在農(nóng)田邊界圖管 理、 土壤肥力管理、 產(chǎn)量分布圖管理分析, 以及簡單空間 分析階段, 并沒有充分發(fā)揮 G IS 應(yīng)有的作用, 相應(yīng)的管 理軟件也不成熟。 雖然經(jīng)過幾十年的發(fā)展, 國外許多 G IS 產(chǎn)商開發(fā)諸如 A rcG IS 產(chǎn)品系列、 ap Info 系列等 M 大型 G IS 軟件, 但它們價格昂貴, 動輒數(shù)萬, 對農(nóng)場管 理來說屬于 “貴族” 軟件。 然而, 這些 “貴族” 軟件與農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)有關(guān)的功能只是很小一部分, 應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的 G IS 應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)該是小型廉價且適用的農(nóng)場信息系統(tǒng) F IS ( Fa rm Info rm a t ion System ) 。因此根據(jù)農(nóng)業(yè)信息采 集、 存儲和處理分析的特點(diǎn), 研發(fā)功能針對性強(qiáng)的 F IS 是農(nóng)業(yè) G IS 發(fā)展的一個方向。 遙感信息的特點(diǎn)決定了它必將成為農(nóng)田信息獲取 的主要手段, 然而從遙感獲取的不是直接用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè) 的信息, 如土壤水分、 作物冠層生化參數(shù)等, 而需要通過 分析建立遙感信息與土壤和作物生長狀態(tài)相關(guān)的參數(shù) 之間的關(guān)系, 這是限制遙感信息應(yīng)用與農(nóng)業(yè)信息獲取的 “瓶頸” G IS 的參與將為遙感信息提取提供新的思路, 。 遙感和 G IS 為遙感信息提取提供背景數(shù)據(jù)和分析方法。 地理信息集成研究, 脫離龐大昂貴的遙感影像處理系 統(tǒng), 開發(fā)服務(wù)于具體應(yīng)用的遙感和 G IS 集成系統(tǒng), 是 G IS 應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的又一個重要方向。 將 G IS 作為決策分析的平臺為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施提供

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決策和控制的依據(jù)是其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的另一個發(fā)展方 向。 將不同類型的地理數(shù)據(jù), 如土壤、 作物、 氣象和土地 歷史等, 與水分運(yùn)動、 溶質(zhì)運(yùn)移、 農(nóng)藥滲漏、 作物生長、 土 壤侵蝕等各種模擬模型和專家知識和推理機(jī)整合, 產(chǎn)生 支持定位實(shí)施的 “農(nóng)作處方”這一切都需要集成模擬模 , 型和專家系統(tǒng)的 G IS 應(yīng)用服務(wù)平臺的支持。 也正是 G IS 的這一功能才使得用于變量作業(yè)的農(nóng)藝處方生成得以 實(shí)現(xiàn), 同時也能夠通過專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施中的 自動控制。 然而, 從精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)業(yè)化角度考 慮, G IS 在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用并沒有隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)田間 實(shí)施全過程的結(jié)束而終止, 它還在后續(xù)工作起著重要作 用。 利用產(chǎn)后產(chǎn)量分析為下一種植循環(huán)的規(guī)劃提供決策 信息, 這是當(dāng)前國外精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)體系中注意的比較多的一 項內(nèi)容, 但僅此而已, 它們并沒有從市場銷售角度考慮 G IS 的應(yīng)用。 目前, 作物生產(chǎn)已開始由單純追求高產(chǎn)模 式向優(yōu)質(zhì)、 專用和高效的方向轉(zhuǎn)變, 利用品質(zhì)監(jiān)測信息 可用于指導(dǎo)糧食分類加工, 大幅度提高加工品質(zhì)和附加 值, 這是產(chǎn)后基于 G IS 分析的又一個內(nèi)容。市場分析是 根據(jù)作物產(chǎn)量和品質(zhì), 以及社會經(jīng)濟(jì)要素進(jìn)行分析, 用 于指導(dǎo)糧食銷售價格和銷售方向, 從而提高糧食生產(chǎn)的 經(jīng)濟(jì)效益。 銷售管理主要對客戶和糧食配送的管理, 分 為客戶關(guān)系管理和物流管理, 它是提高糧食銷售管理效 率的必要前提。 因此研發(fā)為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)服務(wù)的產(chǎn)后市場分 析和銷售管理的應(yīng)用軟件是 G IS 應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的 一個重要補(bǔ)充, 具有較大應(yīng)用前景。 3. 2　地統(tǒng)計學(xué) 從目前農(nóng)田信息采集方式來看, 由于遙感信息分析 本身的關(guān)鍵問題沒有得到解決, 多平臺遙感這一獲取面 狀信息的手段并沒有被廣泛應(yīng)用, 因此現(xiàn)在獲取的信息 大部分是以點(diǎn)狀方式存在的, 這不能滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的需 要, 往往需要通過分析將點(diǎn)狀信息轉(zhuǎn)換為面狀信息。 地 統(tǒng)計學(xué)正是以其對既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性的變量進(jìn)行 統(tǒng)計學(xué)研究方面的優(yōu)勢, 作為土壤和作物信息由點(diǎn)到面 的數(shù)學(xué)分析工具, 目前在從事精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究占有一席之 地, 而且是目前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究中不可缺少的工具。 國外 地統(tǒng)計學(xué)是一個專門的學(xué)科, 有定期的地統(tǒng)計學(xué)會年 會, 甚 至 有 專 門 的 公 司 提 供 地 統(tǒng) 計 學(xué) 方 面 的 服 務(wù) ( Isaak s and Sriva stava. 1989) 。 隨著田間信息獲取密度 的增加, 以及遙感信息提取這一瓶頸問題得到解決, 地 統(tǒng)計學(xué)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的地位應(yīng)該越來越低, 最終有可能 基本喪失其意義, 但在 10 年內(nèi), 恐怕還是會有它的一席 之 地。 國外開發(fā)許多完善的地統(tǒng)計學(xué)軟件包, 如 S 2 PLU S、 A RM 等, 但它們與 G IS 結(jié)合不是很緊密; SW A rcG IS 帶有 GeoSta t ist ics 模塊, 但它需要那龐大支持 系統(tǒng), 不易于推廣, 因此需要研究解決集成 G IS 的地統(tǒng) 計軟件, 這也是當(dāng)前農(nóng)田信息分析研究一項重要內(nèi)容。

4　變量決策分析

變量決策分析是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中的核心。 有人 認(rèn)為只要實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田信息高密度獲取, 進(jìn)行管理決策就


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農(nóng)業(yè)工程學(xué)報

2003 年　

是一件很簡單的事情, 其實(shí)不然。 基于高密度農(nóng)田信息 的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的決策支持系統(tǒng)的形成和完善, 需要大 量的基礎(chǔ)研究, 而不是用已有的專家系統(tǒng)就可以解決。 例如, 我們獲得產(chǎn)量分布圖后, 有高產(chǎn)地塊, 有低產(chǎn)地 塊, 在下一季節(jié)的施肥決策中應(yīng)該采取怎樣的決策? 有 人會認(rèn)為是否在高產(chǎn)地塊繼續(xù)采用正常標(biāo)準(zhǔn)肥量, 在低 產(chǎn)地塊使用高肥量, 這樣高產(chǎn)地塊繼續(xù)高產(chǎn), 低產(chǎn)區(qū)進(jìn) 一步高產(chǎn)。 其實(shí)這樣未必正確, 往往產(chǎn)量的差距主要是 養(yǎng)分以外的其他因素如土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)、 土層厚度、 障礙 層的存在與高低、 土壤緊實(shí)度、 鹽堿程度、 樹木遮陰、 病 蟲草害、 播種質(zhì)量、 管理質(zhì)量的空間差異等造成的, 如果 我們不找出原因?qū)ΠY下藥, 往往會加大生產(chǎn)成本, 例如 在產(chǎn)量潛力高的地方用標(biāo)準(zhǔn)肥量, 可能產(chǎn)量潛力發(fā)揮還 沒有完全, 在產(chǎn)量低的地塊提高肥量, 產(chǎn)量沒有提高會 浪費(fèi)化肥, 甚至造成污染, 當(dāng)然相反的決策也可能是錯 誤的。 可見, 在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中, 可靠的決策支持系統(tǒng)是非常 必要的, 也是能否達(dá)到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè) “按需投入” 目標(biāo)的關(guān) 鍵。 應(yīng)該以系統(tǒng)思想為指導(dǎo), 綜合考慮作物自身生長發(fā) 育情況以及作物生長環(huán)境中的氣候、 土壤、 生物、 栽培措 施因子, 分析限制產(chǎn)量的原因, 作出經(jīng)濟(jì)可行的決策。 目前, 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的變量決策, 普遍停留在簡單的變 量施肥這個層次, 而因土栽培是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量管理的核 心性、 本質(zhì)性內(nèi)容, 我們講 “在合理的地方、 合理的時間、 合理的對象上做合理的事情”也就是根據(jù)具體的作物 , 品種、 生長季節(jié)、 和具體的土壤條件進(jìn)行精準(zhǔn)管理, 作物 品種和生長季節(jié)在空間上的變化恐怕不會有, 關(guān)鍵是土 壤的水平和垂直方向的各種性狀變異對作物生產(chǎn)和管 理提出的具體要求, 才是我們需要做的具體工作, 不同 的土壤剖面層次對作物生長的影響是最缺乏的知識信 息。 基于農(nóng)田或農(nóng)場尺度上, 人們發(fā)展研究了多種計算 機(jī)生產(chǎn)決策技術(shù), 包括專家系統(tǒng) (ES 2Exp ert System ) 、 作物模擬模型、 作物生產(chǎn)決策支持系統(tǒng) (D SS 2 ecision D Suppo rt System ) 等。 但這些系統(tǒng)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)思想的實(shí) 踐要求尚有較大的距離。 實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的作物生產(chǎn)管理 輔助決策技術(shù)致力于根據(jù)農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和諸相關(guān) 因素在農(nóng)田內(nèi)的空間差異性, 實(shí)施分布式的處方農(nóng)作。 Tom 等 ( 1997) 指出精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中產(chǎn)量圖的分析將變的更 復(fù)雜。 數(shù)據(jù)挖掘軟件工具被研制用于比較不同種類的空 間數(shù)據(jù) ( 如產(chǎn)量圖、 土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)等) , 分析挖掘深層次 的關(guān)系 ( Kn igh ton, 1997) 。 一些經(jīng)典的數(shù)學(xué)和空間學(xué)分 析方法也被用于分析產(chǎn)量圖, 包括多變量聚類分析 (L a rk et a l , 1997 ) , 時 空 模 型 (W end ro th et a l , . . 1997) , 制圖學(xué)方法和空間模擬方法 (B erry, 1993) 等。 無 疑這些方法可以為分析產(chǎn)量圖數(shù)據(jù)提供有效的手段, 但 是這些方法無法解釋產(chǎn)量與限制因子在時間和空間上 的相互關(guān)系, 因此在指導(dǎo)農(nóng)田生產(chǎn)實(shí)踐方面顯得無能為 力。 隨著信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展, 國際上提出了將多種 信息技術(shù)如專家系統(tǒng)、 模擬模型、 IS 和 R S 等相結(jié)合 G 的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策支持系統(tǒng)。 美國佛羅里達(dá)州立大學(xué)研制 了將作物模擬模型與 G IS 相耦合的農(nóng)業(yè)和環(huán)境決策支

持系統(tǒng) A E- G IS (Engel 等, 1997) 。夏威夷大學(xué)研制開 發(fā)的 D SSA T ” “ 綜合管理作物、 土壤和氣候數(shù)據(jù), 利用模 擬模型技術(shù)來評價不同管理措施, 評估不同措施對環(huán)境 及可持續(xù)發(fā)展可能造成的沖擊。 美國農(nóng)業(yè)部 (U SDA ) 的 環(huán)境和可持 GPFA RM 基于模擬模型, 綜合考慮經(jīng)濟(jì)、 續(xù)發(fā)展的目標(biāo), 為生產(chǎn)決策者提供輔助決策功能。

5　田間變量實(shí)施
變量施用機(jī)具是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的田間實(shí)現(xiàn), 國內(nèi)外的研 究均很多。 變量施肥, 是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量施用技術(shù)的第一 項內(nèi)容, 也是研究最多的項目, 在國外已經(jīng)有成型機(jī)械 存在, O k lahom a Sta te U n iversity 所發(fā)展的基于氮素光 學(xué)傳感器的變量施肥機(jī), 以 1 m 2 的尺度進(jìn)行變量施肥, . G IS 和 D SS 是 與 機(jī) 械 整 合 在 一 起 的 ( Stone et a l , 1996; So lie et a l , 1996; R aun et a l , 1998 ) , 這種變量 . . 施肥機(jī)的商業(yè)化產(chǎn)品將在最近投放市場。 在農(nóng)田作業(yè)機(jī)械車載導(dǎo)航中, GPS 發(fā)揮著重要作 用, 國外在這方面已經(jīng)有較為成熟的產(chǎn)品。 美國 T rim 2 b le 公司 A gGPS170 田間計算機(jī)可以安裝于農(nóng)田作業(yè) 機(jī)械, 用于田間作業(yè)導(dǎo)航 ( 附帶一種稱為 L igh tba r 的平 行導(dǎo)航裝置, 通過與導(dǎo)航軟件的配合, 可實(shí)現(xiàn)田間作業(yè) 機(jī)械的精確制導(dǎo)) , 能根據(jù)給定的農(nóng)田作業(yè)處方圖指揮 變量作業(yè)控制器進(jìn)行變量作業(yè), 同時還能進(jìn)行田間成 圖、 土壤采樣和相關(guān)的田間信息采集工作。A gGPS170 田間計算機(jī)采用廣泛使用的 ESR I 公司 SH P 文件格式 作為與外界通訊的軟件接口標(biāo)準(zhǔn), 采用通用的 R S 2232 串行通訊協(xié)議作為硬件接口標(biāo)準(zhǔn), 這樣就極大地方便了 用戶的使用。 我國的研究相對于發(fā)達(dá)國家而言起步較 晚, 用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)使用的農(nóng)業(yè)機(jī)械及信息采集傳感器方 面的研究與發(fā)達(dá)國家還有相當(dāng)大的差距。 這些差異主要 表現(xiàn)在 GPS 與農(nóng)業(yè)機(jī)械、 農(nóng)田 G IS 的接口軟件以及農(nóng) 田 G IS 的田間作業(yè)圖層與農(nóng)機(jī)的接口軟件, 農(nóng)田信息 采集、 利用等技術(shù)不過硬, 缺乏統(tǒng)一的農(nóng)業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)和 資源共享機(jī)制, 農(nóng)機(jī)作業(yè)傳感器件多數(shù)采用國外的進(jìn)口 部件, 因而機(jī)械制造的成本比較高難于為農(nóng)民所接受。 將遙感、 IS 和 GPS 結(jié)合可及早識別小面積病蟲 G 害和草害區(qū), 從而大幅度降低農(nóng)藥的用量 (Everit t et . a l , 1994; W ilson and Sco t t, 1982 ) 。 ississipp i 的一 M 個為期 3 年的精準(zhǔn)除草試驗中, 除草劑的用量下降了 73% , 可以說, 變量除草、 防止病蟲害的技術(shù)將是精準(zhǔn)農(nóng) 業(yè)的一項很有希望普遍推廣的技術(shù)。 精準(zhǔn)變量播種技術(shù)本身已經(jīng)存在, 但目前推廣變量 播種技術(shù)的障礙主要在于其必要性。 人們傾向于認(rèn)為確 定播種量應(yīng)該依賴于土地的產(chǎn)量潛力, 產(chǎn)量潛力高, 播 種量低, 產(chǎn)量潛力低, 播種量高。 而土地的產(chǎn)量潛力的確 定需要有 3 5 年的產(chǎn)量數(shù)據(jù)。 ～ 對玉米而言, 美國普渡大 學(xué)的 N ielsen ( 1995 ) 根 據(jù) 先 鋒 種 子 公 司 ( P ioneer H i2 B red in terna t iona l, Inc. ) 從 1978 年到 1993 在美國玉 米帶積累的數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量水平從 100 到 180 bu shel 英畝, 株密度均在 26 000 30 000 英畝之間, 播種密度 ～ 在 28 000 32 400 粒 英畝之間。這個結(jié)果對玉米的變 ～


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　第 4 期

趙春江等: 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的研究進(jìn)展與展望

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量播種技術(shù)的采納是一個否定的結(jié)果。 小麥的變量播種 技術(shù)對產(chǎn)量也不會有明顯影響, 尤其是分蘗成穗能力強(qiáng) 的品種, 播種量的緩沖范圍很大, 可以說, 通過空間調(diào)整 播量來增產(chǎn)的理論依據(jù)對小麥玉米而言基本上是不存 在的。 精準(zhǔn)變量灌溉的依據(jù), 土壤含水量或儲水量只是一 個方面, 由于土壤質(zhì)地變化導(dǎo)致土壤供水能力和作物根 系吸水能力發(fā)生變化, 大多數(shù)時間應(yīng)該根據(jù)土壤質(zhì)地結(jié) 構(gòu)變化來調(diào)整灌溉模式, 因此變量灌溉的尺度要遠(yuǎn)大于 變量施肥的尺度, 可以說亞米尺度的變量灌溉意義不 大, 目前的作業(yè)區(qū) (m anagem en t zone ) 的概念用于變量 灌溉是很適宜的。

7　精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究方向
精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的變量實(shí)施技術(shù)不是難點(diǎn), 目前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè) 技術(shù)體系碰到的困境, 主要是由于基礎(chǔ)研究不足, 推廣 有些超前造成的, 一些理論依據(jù)不是特別充分和量化的 技術(shù), 如單純基于土壤網(wǎng)格采樣和目標(biāo)產(chǎn)量的變量施肥 技術(shù)被不適當(dāng)?shù)剡^分重視和推廣。 前邊已經(jīng)提到, 農(nóng)田 高密度信息的獲取是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸, 而在這些高 密度的農(nóng)田信息獲取后, 怎樣根據(jù)這些不同角度的農(nóng)田 信息, 推出一整套具有可實(shí)施性的精準(zhǔn)管理措施, 將是 另一個需要多學(xué)科交叉的研究課題, 以變量施肥為例, 不僅是土壤養(yǎng)分和目標(biāo)產(chǎn)量, 土壤其它性狀、 品種特性、 環(huán)境條件等許多要素都影響施肥決策。 一個信息獲取, 一個可靠的決策支持系統(tǒng), 是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究的兩個主要 難點(diǎn), 也是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)未來至少 10 多年的主要研究內(nèi)容 和突破口。
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6　精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的效果和推廣現(xiàn)狀
目前國際上精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣處于徘徊期, 普遍 推廣的還是一些單項技術(shù), 如 D GPS 定位下的精準(zhǔn)播 種、 精準(zhǔn)噴藥等, 澳大利亞精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中心的研究人員對 基于產(chǎn)量變異、 土壤養(yǎng)分變異的變量施肥技術(shù)的效果進(jìn) 行研究后的結(jié)論是, 變量施肥并沒有導(dǎo)致增產(chǎn), 只是降 低了施肥量。 從不同作物看, 甜菜、 煙草、 甘蔗等品質(zhì)要 求高對施肥比較敏感的作物, 變量施肥效果較好, 例如 根據(jù)美國明尼蘇達(dá)大學(xué)、 rook ston 和 N o rth D ako ta C 在 1994、 1995 兩年的結(jié)果, 基于 4 5 ～ Sta te U n iversity 英畝網(wǎng)格取樣的變量施氮可使每英畝甜菜的利潤增加 50 70 美元[ 19 ]。 ～ 其它大田作物的效果不確定性很大, 即 使顯示純經(jīng)濟(jì)效益的, 也很有限。 在美國, 農(nóng)戶對精準(zhǔn)農(nóng) 業(yè)變量施肥技術(shù)的采納率在 1999 年達(dá)到頂點(diǎn)后, 2000 年、 2001 年連續(xù)兩年有明顯下降 (A k ridge, J ay, and L inda W h ip ker, 2001 ) , 國際市場農(nóng)產(chǎn)品價格的持續(xù)低 迷是大環(huán)境的原因, 但主要的原因是目前的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的 技術(shù)體系所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益還不夠明顯, 采納目前的精 準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系后, 生產(chǎn)成本一般不會下降, 作物產(chǎn)量 和質(zhì)量的增加只有幾個特例, 大部分的實(shí)驗結(jié)果, 產(chǎn)量 并沒有明顯的增加。 我們認(rèn)為, 目前的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體 系的增產(chǎn)作用不夠明顯, 一是所能考慮的農(nóng)田變異的空 間尺度太大, 在 1 hm 2 以上, 基于這種采樣間距的精準(zhǔn) 農(nóng)業(yè)技術(shù)體系不僅在中國沒有推廣前景, 在美國、 加拿 大、 澳大利亞等西方國家也難以推廣。 作物產(chǎn)量在很小 尺度就會有很大的差異, 例如我們測定的高產(chǎn)田小麥的 一個 30 m 2 小區(qū)內(nèi), 每平方米產(chǎn)量變化幅度達(dá) 30% 左 右, 對這個尺度的產(chǎn)量變異原因進(jìn)行分析并進(jìn)一步提出 改進(jìn)措施是作物大幅度增產(chǎn)的基礎(chǔ)。 二是支持精準(zhǔn)農(nóng)業(yè) 實(shí)施的決策支持系統(tǒng)還沒有完善, 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(shù)據(jù)和產(chǎn)量圖, 對于 作物本身性狀如吸肥特性、 葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累的 空間變化等不進(jìn)行考慮, 這是由于目前的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研 究者大多數(shù)是土壤肥料學(xué)科方面的背景, 農(nóng)藝學(xué)家的參 與不多, 我國的作物栽培學(xué)在世界上來講擁有最系統(tǒng)的 學(xué)科體系, 研究水平可以說是世界領(lǐng)先, 栽培學(xué)家的主 動參與將使精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)增質(zhì)降本效果在我國顯示 出來。

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農(nóng)業(yè)工程學(xué)報

2003 年　

. Abstract: In th is p ap er, fou r key techno log ica l com ponen t s of p recision ag ricu ltu re, i e. , field info rm a t ion co llec2 t ion, field info rm a t ion m anagem en t, va riab le 2ra te decision 2 ak ing, and va riab le 2ra te techno log ies, a re ana lyzed m and eva lua ted. T he im p act s of p recision ag ricu ltu re on fa rm inp u t, crop yield and qua lity a re summ a rized. T he ba rriers fo r developm en t and adop t ion of p recision ag ricu ltu re a re a lso po in ted ou t. Key words: p recision ag ricu ltu re; field info rm a t ion co llect ion; field info rm a t ion m anagem en t; decision suppo rt system ; va riab le 2ra te techno logy
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  本文關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的研究進(jìn)展與展望，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。