王智敏      教授

黑龍江八一農墾大學工程學院

 

“精準農業”技術是農業工作者近來談論較多的熱門話題，也是黑龍江農墾面向21世紀現代化農業技術發展趨勢。在發展、應用這項技術之前，應對如下問題有所了解：

●    是否決定采用“精準農業”技術措施；

●    采用“精準農業”技術措施該從何做起；

●   “精準農業”技術需要那些硬件設備；

●    如何利用軟件處理有關信息；

●    建立一個完善的“精準農業”技術體系需要多長時間。

對以上問題的正確回答，只有通過對“精準農業”技術、效益和局限性的全面了解，才能作出恰當的選擇。為使廣大農墾農業工作者和讀者了解，在黑龍江農墾能發展應用“精準農業”技術，作者將在“現代化農業”雜志上進行系列介紹，供廣大讀者參考。

“精準農業”這個技術術語，在言談、文章中使用越來越頻繁，不同人對其有不同的理解。簡單的一種說法是精耕細作、準確定位的進行農業生產操作、管理的現代農業技術。“精準農業”技術是在定位的基礎上，根據土壤特性和作物生長發育需要，管理每一項作物生產的各種物資投放─肥料、除莠劑、殺蟲劑、種子等，為**大限度的發揮產量潛力，做到即滿足作物生產的要求，又減少浪費，增加利潤，同時，保護生態環境質量。“精準農業”是應用高新技術和設備，通過衛星定位系統，電子技術和傳感器技術以及高級軟件，處理農田條件及作物生長所需，進行應用農業物資的投放和管理。

“精準農業”技術實施的管理目標，是管理小塊農田，也就是把大塊農田分為若干較小面積單位，作為分開管理單元。在管理單元的一小塊農田中具有基本相同的土壤和作物生長特性，依此作為農業物資投放的決策依據，制定農業生產管理措施，使用先進的農業機械自動控制進行田間作業。農業物資（種子、化肥、農藥等）在田間投放必須考慮如下因素：

●適時投放，即何時應該投放何種農用物資；

●適量投放，依據土壤和作物特性，進行適量投放，即滿足要求，又不浪費物資。每個

管理單元投量基本是常數，但是，作為大塊農田就可能有較大差異性，因此，就大塊田地來說又是變量投放，做到適時變量調節，適量投放農用物資。

●定位投放，投放物資位置要正確。我們祖先在管理的小塊農田，進行精耕細作時，可

以通過良好記憶，進行農用物資定位投放是可以做到。但是，現在進行大面積農田生產作業時，必須依靠先進測量儀器設備和先進農業機械，實現定位測量和投放物資。比較理想的定位方式是采用全球衛星定位系統，確定投放地空間位置，利用先進的農業機械，進行距離和深度的定位投放物資。

實施“精準農業”的目的是要獲取**佳效益，是要在不增加工作量、風險和成本的基礎上增加收入，或者在增加投入后，獲取更大的經濟效益，保持良好環境。在大塊的農田中，如果收獲產量差異越大，說明地塊產量潛力較大，增益效果可能越顯著，否則增益效果不大。一塊農田如果收獲產量差異不大，說明土壤和作物特性差異很小，均勻投放物資可以收到同樣利潤，沒有必要投資再搞“精準農業”。如果一塊農田的收獲產量差異較大，說明增加收入有潛力，可以投資實施“精準農業”技術。“精準農業”的潛力表現在：同樣水平的投入，簡單的再分配情況下，獲取比較大的經濟收益；或者減少投入的情況下，獲取相同的收益或較大的收益。

“精準農業”中應用核心技術是定位系統、產量監測及繪制產量圖、土壤化驗分析、利用高級軟件處理信息、決策農業技術措施、農業機械在定位的基礎上進行變量調節和操作等。全球定位系統是用于“精準農業”技術措施的全過程，數據采集、農業技術措施的制定等都與定位聯系一起；實施“精準農業”第一步是產量監測及繪制產量圖，是以產量圖分析差異，優化作物管理措施；其次是土壤化驗分析，處理從農田中采集的定點數據，挖掘提高產量潛力；然后，應用高級軟件處理所取信息，進行管理和分析來自不同資源的數據，從數據管理和分析中，決策農業措施，作為農業機械操作和調節的基礎；**后，使用帶有定位和自動控制裝置的農業機械實現定位、變量投放物資自動控制操作。

經過多年的循環操作，不斷取得數據，進行分析，修正決策，確定**佳的農業生產管理措施及其物料投放方案，即獲得**佳經濟效益，又保護好環境質量。這個過程一般需要經過5年以上的實踐，逐漸形成**佳的“精準農業”體系，在實施過程中不斷總結經驗教訓，改進、完善農業措施，真正做到優質、高效益，使黑龍江農墾農業生產快速、穩定地持續發展。

    第二講   全球衛星定位系統在“精準農業”中的應用

定位系統是識別和記錄一個物體或人的位置的一種方法。地面定位系統是實施“精準農業 ”的基礎，可幫助農民準確的識別和記錄農田中拖拉機、聯合收割機、田間調察裝備或車輛的位置。地面定位方法較多，其中之一是全球衛星定位系統的應用，由于全球衛星定位系統的民用，使“精準農業”的實施才變成現實。目前，美國（GPS）和俄羅斯（GLONASS）兩個國家建立了衛星地面定位系統，都是處于軍事目的研究建立的，能決定世界上陸地、海上、空中任何地方的某一個位置。兩個系統是相當類似的。

   “GPS”全球衛星定位系統，是美國國防部研究建立的一代全球衛星導航系統，始于是20世紀80年代初期，是24小時全球定位系統。起初是用于海軍導航，現已向民用開放，用于工業、商業或民用。這套設備能在任何天氣情況下，全天24小時自由使用。GPS能使陸地、海上和空中運輸更加安全和有效，它地可靠精度對“精準農業”更為適用。

GPS系統的衛星發出的電波（時間、位置）訊號，在向地面傳送過程由于某些原因，將造成電波信號傳遞中的誤差，使得定位精度不高。民用接收器定位精度在100米以上，這對“精準農業“操作是不夠的，我們必須修正地面定位精度，這種方法叫做差別校正。使用差別校正技術改變GPS傳遞過程的誤差，就是差別糾正全球衛星定位系統（DGPS）。

差別校正是采用位于地球已知位置上靜止的GPS接收器，常稱為基地。基地接收器是一個高質量的能跟蹤全部可視衛星，且有一定計算能力的GPS接收器，當基地接收器接收到可見衛星信息，經過計算得出一個距離誤差，也稱為差別校正距離。差別校正是基地接收每個可見衛星信號計算得到的，利用無線電信號發給附近地區移動目標的差分接收器（DGPS），就可以實時修正該GPS接收器所接收衛星的數據，消除了GPS系統誤差，改變了移動接收器的位置精度。

    使用DGPS操作系統，移動GPS接收器與基地接收器必須在同一時間接收同一顆衛的信號。衛星不斷的運動，基地測定的差別校正信息也總是變化的，因此，計算得出的差別校正信息必須即時記錄，以備后用。同時，要將差別校正信息立即用無線電發出到移動目標DGPS接收器，做到及時修正定位。

實時DGPS的差別校正信息傳遞有多種方式，可根據當地具體情況選用，黑龍江農墾用基地無線電臺發射信號，建立地面糾偏站，較為合適。

基地GPS接收器收到可見衛星信號，經過計算得出的差別校正信息，利用基地無線電臺及時將差別校正信息傳播給移動目標的DGPS接收器，對移動目標的位置進行修正，確定移動目標的確切位置。DGPS在“精準農業”中是全過程使用的，是實施“精準農業”的基礎，主要用于定位和導航兩個方面。

DGPS的定位功能用于：繪制地形圖、產量圖、田間管理調查、土壤取樣等；繪制地形圖時，農民帶著便攜式DGPS接收器和手提式計算機等設備，沿田邊走過或開車走過，農田邊界數據記錄在計算機內，數據經過處理可在計算機屏幕顯示地形圖；繪制收獲產量圖時，標注出與產量相一致的地理位置；田間管理調查時，用地形圖和帶著便攜式DGPS接收器，進行檢查蟲害、病害、雜草等情況時，用DGPS記錄相應的地理位置；土壤取樣時，在拖拉機上裝有DGPS接收器，利用帶有DGPS的計算機顯示地形圖，識別取樣點的地理位置，當拖拉機到達取樣點，繞機器周圍取幾個點的土樣，并裝入標出相應地理位置的土壤代中，帶回到土壤化驗室進行化驗分析。

DGPS定位系統的導航功能：主要應用于農業機械田間作業和管理的導航，定位系統與田間管理措施決策系統結合，制定自動控制程序，用于農業機械田間作業時導航、自動控制農業機械進行變量調節投放物料。

總之，DGPS是實現“精準農業”不可少的定位、導航系統，DGPS的定位精度在1米之內，可以滿足“精準農業”要求。

    第三講   谷物產量監測及繪制產量圖

    谷物產量是表明農民經濟收益的重要標志，測量谷物產量也是實施“精準農業”的基礎工作。對地塊內谷物產量差異影響的分析，從中找出發揮谷物產量潛力的有效農業措施，實施“精準農業”是從這里開始。比較谷物產量差異有不同的衡量單位標準，我們常用總局級、分局級、農場級、連隊級、地塊級等等，“精準農業”是以地塊內的谷物產量差異進行比較，可稱之地塊內級，地塊內不同位置由于肥力不同等因素，可能造成產量差異較大，說明地塊具有更大的產量潛力。

過去農場提出的進行“測產施肥”，計算產量多以地塊的平均產量來衡量水平高低，以此為根據挖掘產量潛力，實施化肥也是地塊平均投入，那么在地塊內已經獲得高產量的位置，肥料可能過剩，造成經濟損失，由于多余的化肥流失，又污染環境；而在產量低的位置，可能發生肥料缺少，肥力不足，影響產量潛力的發揮，減少經濟收入。如果把測量谷物產量的計算單位精確到平方米，進行瞬時產量監測，就更接近作物生長實際。以此為據，按著作物生長發育需要進行施肥，即滿足要求又減少浪費，增加收入，避免污染環境。這種做法稱做“測產施肥”更為準確。提高谷物產量測量精度的同時，必須記錄相應的地理位置，為下一步作業提供可重復的位置依據。測量谷物產量不實施“精準農業”的主要目的，主要目的是創**佳經濟效益。通過測量谷物產量，挖掘產量潛力，采取有效農業措施，創**佳經濟效益，保護環境，使農業可持續發展。

瞬時測產時是在定位的條件下對谷物流量、含水量、機器行走速度、工作幅寬、機器的地理位置進行測量和顯示，并做記錄以備后用。

測定瞬時測產時使用的主要設備包括：與谷物聯合收割機型號匹配的谷物產量監測器、流量傳感器、濕度傳感器、速度傳感器、割幅傳感器、DGPS接收器等。谷物產量監測器具有記錄、計算、顯示功能。能儲存田間采集的資料數據，計算并顯示平均產量、總產量、作業面積、谷物含水量等。

產量監測作業時，帶有DGPS系統和產量監測裝置的谷物聯合收割機進行收割作業，將有關數據處理采集儲存、計算、顯示，每天作業結束，駕駛員從監測器中取出數據卡。數據卡通過轉換器與計算機連接，應用高級軟件就可以對采集的數據進行處理。經過計算機處理繪制產量圖或產量表格，作為制定農業生產措施的依據。

產量圖是連續地記錄進入谷物聯合收割機糧箱內的谷物流量，同時與地塊中的實際收獲位置相結合的地塊產量圖，在圖上以不同顏色顯示不同的產量值，從不同顏色分布可以看出產量差異。在產量表格上可以看出經度、緯度、產量、含水量等一系列數據。

對取得的數據資料進行分析處理，找出產量潛力。分析的基本方法是：第一步根據經驗和歷史紀錄進行分析，如往年的病蟲害、內外澇情、氣候條件、自然災害等因素對產量的影響；第二步進行田間土壤物理特性和化學特性進行分析。經過綜合分析后，找出影響產量差異原因及產量潛力，利用已有的經驗、資料找出發揮產量潛力的因素，制定農業管理技術措施，作為下一個農業生產層序的開始。

“精準農業”的全過程的第一步是改進作物栽培技術措施，發揮產量潛力，爭取收益達到**大。第二步是收益的**佳化，有了產量潛力的分析，制定響應措施，經過幾年實踐，找出產量發展趨勢的規律，進行產量預測，提出決策措施，進行投入試驗，在試驗中進行微量調節，找出**佳的經濟效益農業管理措施，形成完善的“精準農業”技術措施。

實施“精準農業”技術基礎準備工作，除了產量監測和繪制產量圖外，另一項重要工作就是土壤化驗與分析。目前，土壤化驗方法還是采用田間定位取樣到化驗室進行化驗。土壤化驗與分析的目的是找出土壤肥力與生產目標潛力之間的關系，找出土壤性質與作物產量的關系，挖掘作物生長**大潛力。

土壤化驗與分析內容包括：土壤肥力、土壤類型及其他因素。土壤肥力要化驗氮、磷、鉀的含量；副營養物質鈣、鎂、硫的含量；微量元素硼、氯、銅、鐵、錳、鉬、鋅等含量；土壤類型分析；土壤PH值的測定；土壤其它因素的測定分析，如：有機質含量、土壤中含砂量和粘土含量、土壤結構密度和多孔性、地塊坡度和地形、排水性能和排灌系統、耕層深度、耕作制度等等。對化驗結果與產量測定聯系一起進行全面、綜合分析，找出影響產量潛力的因素，為制定農業技術措施提供科學數據依據。要求土壤取樣分析數據必須準確，否則“精準農業”就沒有實際意義。

取樣間隔時間視具體情況確定，應考慮土壤類型、土壤營養水平、灌溉條件、輪作制度等等，如果土壤肥力水平高，取樣間隔時間可長一些，如果土壤肥力水平低，每2年應取樣化驗一次。在每年的春、秋季取樣為好，夏季土壤狀況變化大，不易取樣化驗。每年取樣應在幾日內完成，而且每年都在同一季節內取樣。每次取樣位置應相同，進行連續性分析，找出變化規律。不同耕作制度的取樣方法不同，犁耕地，在耕層取樣；免翻地分層取樣。為使取樣具有準確的代表性，取樣應避免在地邊、靠近沙石公路旁、狹窄的地帶取樣。

土壤取樣時必須定位取樣，取樣方法可視情況而定。取樣程序大致如下：

●    準備取土樣工具和容器；

●    定點取樣，裝袋貼上標簽；

●    化驗準備，混合均勻；

●    化驗記錄，儲存數據；

●    繪制土壤分層圖。

    土壤分層圖上形成不規則的小面積，通常認為每一個小面積土壤養分一樣。土壤取樣、化驗必須提高準確性和可靠性，否則，無任何價值，將造成經濟損失。因此，做到定點取樣、多點取樣，利用計算機在電子地圖上記錄結果，為土壤管理提供參考數據。

    一塊地的土壤化驗結果，可能有兩種情況，沒有差異性或有差異性，如果沒有差異性，就不必采用變量投入，或者說不用實施“精準農業”技術；如果有差異性，可采用變量投入技術，在充分發揮作物產量潛力的條件下，按著作物生長發育要求進行定點投入肥料、微量元素等，改進農業技術管理措施，為作物生長創造良好環境條件。按需精確投入農用物資（化肥、種子等），做到即不浪費農用物資，又保護環境，使農業可持續穩定地增長。

   “精準農業”技術的一個特點，就是大量信息是在產量監測和土壤測量的過程采集的，是決策農業技術措施的基本依據，必須借助計算機及其相應的軟件工具進行處理，應用全過程。也正是由于計算機和系統軟件的發展才使“精準農業”技術成為現實的可能。需要一個數據庫系統，具有輸入、儲存、再現功能，并且能將數據庫和地理位置或地圖的坐標聯系起來。將數值─產量值、土壤養分值、土壤類型值等與地標連接起來。

“精準農業”技術的變量投入執行時有兩種方法，其一，是以地圖為基礎的變量投入；其二，是以傳感器為基礎的變量投入。目前，比較成熟的技術是以地圖為基礎的變量投入，市場有產品銷售，該系統能確定機器在田間的位置，并且顯示此點的投入量；操作者能觀察地圖上投入物料的變化情況，并且可以進行調節。地圖系統的特點是調查工作與施用是分開進行的，而且在不同機器上進行；取樣調查與投入有較長時間差，信息準確可靠；操作人員可以預知投入變化率，在實施預調時有思想準備，做到及時調控；在作業之前裝到機器上的物料數量是已知的，按需要量加料，免去“過多”或“過少”。以傳感器為基礎的變量投入，目前尚缺少適用的傳感器。

    應用計算機及其軟件，進行產量圖和土壤圖繪制以及變量投入農業措施的制定，有兩種方法，一是自己動手操作；二是雇用專業技術人員，將采集的有關數據提供給雇用者，由他再提供給你變量投入技術措施的編輯軟件。兩種方法各有利弊，可視具體情況選擇。該項技術本身就要求由熟練的專家去使用，墾區要推廣應用“精準農業”技術，首先必須培訓技術人員，要能熟練的掌握操作方法，應該培養一些專家。

    前面講過監測產量和繪制產量圖以及土壤取樣分析和繪制土壤圖，是實施“精準農業”技術的兩項基礎準備工作，是決策變量投入的依據。通過產量圖，找出地塊內的產量是否有差異性，如果產量存在差異性，就要分析產生產量差異的原因，可從自然環境、氣候變化、自然災害等方面查找，重要的還必須從土壤取樣分析中查找。根據農業專家系統提供的當地產量潛力，從上述原因分析中確定農業措施和化肥、種子的投入種類、數量和地點，以地圖為基礎編制實施軟件，以數據卡的形式輸出。將此卡插入拖拉機上相應的監控器內，便可按著預先編制的程序進行變量自動控制。

實施播種、施肥的拖拉機機組進行田間作業時，拖拉機駕駛室內設有定位功能的監控器和測速傳感器等，播種、施肥機裝有變量調節執行機構，監控器與執行機構用光纜連接。作業中操作人員通過監視器熒光屏察看機組的位置、參數和有關變量數據。按著同理，可實施田間管理的操作。目前，成熟技術是播種和施肥的變量調節，比較適合農墾，其它農田管理技術尚在試驗推廣應用，不斷發展完善。

“精準農業”技術，目前主要是用于施肥，播種前除草劑的施用，其它方面的應用有待于研究開發，不斷提高完善。未來的發展方向：

●    播種：播種深度選擇、一塊田內種多種作物；

●    耕作：用土壤堅實度傳感器，測定后控制耕作深度；

●    廄肥的施用：利用土壤營養、肥料營養傳感器、流量計及變量投入廄肥管理系統；

●    雜草、害蟲的管理；

●    作物診斷系統：病害、養分缺乏的影響識別方法；

●    水和灌溉管理系統：土壤濕度傳感器的開發，變量灑水技術。

    將來需要進一步擴大變量控制領域，如：作物生長過程模式，在耕作之前，在計算機上模擬各種管理決策模型，確定**佳效益模型，采用變量投入實現目標；標準化管理，設備標準化、標準連接、通用、電源標準化、信息管理標準化，硬件標準化、通用，軟件標準化。

實施“精準農業”技術管理措施必須有附加管理信息，否則不能發揮其技術本身的效益。使用變量投入，不是所有農場或每塊田地都可能獲得效益。要經過試驗，而且，避免幾種作物輪作，必須慎重從事。

實施“精準農業”管理措施，要經過如下過程：

第一年，了解情況：采集信息、投入技術。進行產量監測和繪制產量圖、土壤取樣化驗

分析，取得信息，分析影響產量的原因。

第二年，試驗、驗證：在第一年結果分析的基礎上，決策下年管理方法，如果是肥料因

素影響產量，可變量投入肥料。年終再總結分析，找出變化規律，將影響產量因素找準。

第三年，根據產量設計投肥方法：兩年的分析，找出土壤特性與產量的比例關系，根據

農業專家系統，決策變量實施方法，進行不同施肥方法試驗，年終再總結，分析問題，找出規律性變化。

    經過幾年的實踐，發現問題，還要不斷實踐，總結提高，直至建立一套標準化農藝過程。三年的實驗是花了學費，獲取知識和實踐經驗的過程。

 

參考資料：

1、The Precision ─ Farming  Guide  For   Agriculturists  John  Deere Pvblishing

2、王智敏等  “精準農業”在黑龍江墾區的應用前景    現代化農業  1998年 第七期