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精細農業(yè)的技術組織、決策分析及在我國的應用實踐
摘 要 “精細農業(yè)”技術的核心是用信息技術改造傳統農業(yè)，在機械化基礎上，將地理信息系統、定位系統、決策支持系統、傳感技術進行集成，實現農業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標。實施這項技術，其結果必然會引起一場新的農業(yè)科技革命，也必將會對我國未來農業(yè)發(fā)展產生重大影響。因此，在充分了解“精細農業(yè)”技術組成的基礎上，探討了“精細農業(yè)”的應用范圍，尤其是結合我國國情，提出了在我國逐步實施“精細農業(yè)”技術方案。
關鍵詞 精細農業(yè)；地理信息系統；定位系統；決策支持系統；傳感技術
本世紀后半期世界農業(yè)的高速發(fā)展，除了依靠生物遺傳育種技術的進步，耕地和灌溉面積的擴大以外，基本上是在化肥與農藥等化學品的大量增加和機械動力與礦物能源大量投入的條件下獲得的。由此引起的農業(yè)水土流失、土壤生產力下降、農產品和地下水污染、生態(tài)環(huán)境惡化等問題，已經引起國際社會的廣泛關注，并成為實踐農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要驅動力。所謂可農業(yè)持續(xù)發(fā)展是指在農業(yè)資源和環(huán)境的持續(xù)支撐下的農業(yè)經濟的持續(xù)增長。即有效利用農業(yè)資源，提高農業(yè)利潤，減少農業(yè)污染。
中國是一個農業(yè)大國，用占世界7％的耕地解決了世界22％人口的溫飽問題，取得了舉世矚目的成就。但是，我國面對的“人多地少，資源短缺，環(huán)境惡化，人增地減”的趨勢不可逆轉。保證21世紀我國16億人口的食物安全，關鍵在于推動農業(yè)科技的進步。正如江澤民同志所指出的“中國的農業(yè)問題，糧食問題要靠中國人自己解決。這就要求我們的農業(yè)科技必須要有一個大的發(fā)展，必然要進行一次新的農業(yè)科技革命”�？v觀世界現代農業(yè)發(fā)展動態(tài)，一個新的農業(yè)科技革命的序幕已經拉開。以生物技術、信息技術為先導的現代科學技術發(fā)展及其在農業(yè)上的廣泛應用，為世界各國農業(yè)發(fā)展提供了前所未有的機遇。“精細農業(yè)”技術正是在這種環(huán)境下應運而生，成為農業(yè)信息技術應用的一個重要分支。其核心是用現代高新技術特別是信息技術來改造傳統農業(yè)，在機械化的基礎上，把地理信息系統（GIS）、定位系統（GPS）、決策支持系統、傳感技術進行集成，使作物生產更加科學，減少投入，提高產出，實現高效利用各種農業(yè)資源，保護生態(tài)環(huán)境的農業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標。
目前，我國化肥和農藥的利用率都在30％左右，農業(yè)灌溉水利用率不足35％，僅及發(fā)達國家的一半。以施用化肥為例，1978年到1995年，全國化肥用量增長了97％，而糧食僅增長了36％，糧食產量每增長1％，化肥施用量差不多要增長3％。這種化肥施用量遞增和過低的利用率，造成化肥報酬遞減和對土壤、地下水、谷物的嚴重污染。如果化肥利用率提高10個百分點，每年即可節(jié)約1000多萬噸化肥，相當于節(jié)約近100億元人民幣。據有關國外報道，“精細農業(yè)”技術將會使目前化肥和農藥的施用量減少50％甚至更多。
1 “精細農業(yè)”技術組成
1.1 數據采集技術
“精細農業(yè)”技術是通過產量測量、作物監(jiān)測以及土壤采樣等方法來獲取數據，以便了解整個田塊的作物生長環(huán)境的空間變異特性。
1) 產量數據采集
帶定位系統和產量測量的谷物聯合收割機（如美國John Deree和英國Messey Ferguson等），在收獲的同時，每隔1.2秒記錄當地的產量，記錄數據以文本形式（經度、緯度、產量和谷物含水量）存儲在磁卡中，然后讀入計算機進行處理。影響產量精度的主要原因是GPS（或DGPS）定位精度、產量傳感器的測量精度、實際割幅和前進速度的準確性。
2) 土壤數據采集
土壤信息一般包括土壤含水量、土壤肥力、SOM、PH、土壤壓實、耕作層深度等。利用GPS在田間定位，采集土樣。由于采集的土樣一般還要送到實驗室處理分析，耗資費時，成為實施“精細農業(yè)”技術實踐的瓶頸。目前商品化的土壤養(yǎng)分快速測試儀器還是基于傳統化學分析技術，其可操作性和測量精度有待于改進。國外基于TDR技術的土壤水分測量儀器、基于MR技術的多光譜SOM測試儀器已經商品化，但其價格昂貴，不適于大面積推廣使用。
3) 苗情、病蟲草害數據采集
利用機載GPS或人工攜帶GPS，在田間行走中隨時可定位，記錄位置，并記錄作物長勢或病蟲草害的分布情況。如監(jiān)測病蟲草害分布，一般人為可定性分為輕、較輕、中、較重、重，以1、2、3、4、5代表。該數據的準確性很大程度上依賴于人的判斷能力。近年來，由于NIR視覺技術、圖象模式識別、多光譜識別技術的發(fā)展，有關苗情、雜草識別快速監(jiān)測儀器不久將研制出來，并投入使用。 4) 其它數據采集
地形邊緣測量，一般利用帶GPS的機動車或人工攜帶GPS在田間邊界循環(huán)行走一圈，就能將邊界上的點記錄下來，經過平滑形成邊界圖。另外，還要獲取近年來輪作情況、平均產量、耕作情況、施肥情況，作物品種、化肥、農藥、氣候條件等有關數據。這些數據用于進行決策分析。
數據分析
一般采集的數據都是以文本表形式表示，需要利用一些數學方法進行處理，生成分布圖。
1) 產量數據分布圖
由于產量數據是通過連續(xù)采樣獲得的，一般使用平滑技術（實際上是一種低通濾波方法）。通常使用移動平均法來平滑數據曲面，它能消除采樣測試誤差，清晰地顯示區(qū)域性分布規(guī)律和變化趨勢。通過聚類分析生成具有不同產量區(qū)間的產量分布圖。
2) 土壤數據分布圖
由于土壤采樣是非連續(xù)的采集土樣，需要估計采樣點之間的數據，這種估計過程稱為插值。即用已知采樣點的土壤數據估計相鄰未采樣點的土壤數據的一種方法。常用的插值方法有：最近相鄰、局部平均、距離倒數加權、等高線和克里格等。當土壤采樣點數較多時，克里格方法是最好的插值方法。該方法利用半方差圖確定土壤數據變化程度和合理的采樣間距。當實際采樣間距大于合理的采樣間距時，就不能保證插值精度，這時可用其它方法處理。 3) 苗情、病蟲害分布圖
由于該數據采樣即不象產量測量連續(xù)采樣，也不象土壤采樣以柵格采集土樣，而是在行走中，人為定點，記錄數據。這樣的數據處理一般采用趨勢面分析，即用某種形式的函數所代表的曲面來逼近該信息的空間分布。趨勢面分析從總體上反映了苗情、病蟲草害的空間變化性趨勢。
未來的發(fā)展趨勢是數據采集和數據分析統一起來，將田間觀測者的地理位置和田間觀測數據，通過便攜PC和天線發(fā)往辦公室PC，利用軟件自動生成田間數據分布圖。
決策分析
“精細農業(yè)”技術是根據田間采集到的不均衡空間分布數據及有關作物其它信息，經過決策分析，來控制投入方式和施用量。決策分析是“精細農業(yè)”的核心，直接影響“精細農業(yè)”技術的實踐效果。GIS用于描述農田空間上的差異性，而作物生長模擬技術用來描述某一位置上特定生長環(huán)境下的生長狀態(tài)。只有將GIS與模擬技術緊密地結合在一起，才能制定出切實可行的決策方案。二者結合可按以下三種形式操作：一是GIS和模擬模型單獨運行，通過數據文件進行通訊。二是建立一個通用接口，實現文件、數據的共享和傳輸。
三是將模擬模型作為GIS的一個分析功能。GIS作為存儲、分析、處理、表達地理空間信息的計算機軟件平臺，其空間決策分析一般包括網絡分析、疊加分析、緩沖區(qū)分析等。作物生長模擬技術是利用計算機程序模擬在自然環(huán)境條件下作物生長過程。作物生長環(huán)境除了不可控制的氣候因素外，還有土壤肥力、墑情等可控因素。GIS提供田間任一小區(qū)、不同生長時期的時空數據，利用作物生長模擬模型，在決策者的參與下，提供科學的管理方法，形成田間管理處方圖，指導田間作業(yè)。
控制實施
“精細農業(yè)”技術的目的是科學管理田間小區(qū)，降低投入，提高生產效率。作為支持“精細農業(yè)”技術的農業(yè)機械設備，除了帶有定位系統和產量測量的聯合收割機外，按處方圖進行作業(yè)的農業(yè)機械還有：帶有定位系統和處方圖讀入設備，控制播深和播量的谷物精密播種機；控制施肥量的施肥機；控制劑量的噴藥機；控制噴水量的噴灌機；控制耕深的翻耕機等。例如，當駕駛拖拉機在田間噴施農藥時，駕駛室中安裝的監(jiān)視器顯示噴藥處方圖和拖拉機所在的位置。駕駛員監(jiān)視行走軌跡的同時，數據處理器根據處方圖上的噴藥量，隨時向噴藥機下達命令，控制噴灑。
2 “精細農業(yè)”技術應用
2.1 “精細農業(yè)”具有以下優(yōu)點：
1) 提高收益
按照土壤特性、作物需求，實施灌溉、施肥、播種和病蟲草害防治，即能降低用水、肥料、種子、農藥的投入，也能增加作物產量。 2) 保護環(huán)境
根據農田作物定點需求，控制化學物品的施用量，即能降低土壤、地下水、作物品質的污染，也能保護生態(tài)環(huán)境。
3) 提高作物產量和質量
根據作物的實際需求，即能避免因過量施用化肥、農藥、水帶來的副作用，造成作物減產，品質下降，也能改善因缺少養(yǎng)分造成的減產和降低作物品質。
4) 提供更多有用信息
由于可以獲取農田更多的信息，能夠使作物生產管理人員制定出更準確、合理的管理決策。
2.2 實施“精細農業(yè)”技術實踐，一般需要滿足的條件
1) 農田大小
農田大小的概念主要取決于外部環(huán)境。不同國家，適于“精細農業(yè)”技術實踐的農田大小不一樣。一般需要一個全面的經濟分析，可以計算出一個國家適于“精細農業(yè)”技術實踐的最小農田范圍。根據國外一篇文章報道，以小麥施肥為例，根據產量分布圖顯示，若按均一施肥200kg/ha，平均產量為6.85t/ha，保守提出一個產量目標7t/ha，假定ⅰ) 由于農田起頭土壤壓實度較大，使得20％的農田平均產量為5t/ha或更低，通過三年的深耕，可改善土壤壓實，使小麥產量提高10％（0.5t/ha）。ⅱ) 有15％農田產量為6t/ha，由于土質問題，不會達到7t/ha，因此，連同上面的20％的農田，再少施30kg/ha氮。ⅲ) 20％農田能夠提高產量到8t/ha，因此，再多施40kg/ha 氮，可將7t/ha提高到8t/ha。根據當前小麥、氮的時價，深耕費用，DGPS服務費用，辦公軟件費用，帶定位系統和產量測量的聯合收割機和定位變量施肥機的使用費用，利息等，通過費用－利益分析，適于“精細農業(yè)”技術實踐的最小面積約為85.6ha。
2) 農機化程度
農田可大可小，但是，農業(yè)作業(yè)若不是機械化，“精細農業(yè)”就無法實施。如聯合收割機、播種機、施肥機、噴藥機、噴灌機等。另外，還需要GIS、GPS（DGPS）；信息采集、分析設備；隨農業(yè)機械配備的定位系統、控制設備、監(jiān)測設備等�？傊�，機械化、自動化程度越高，越利于實施“精細農業(yè)”技術實踐。 3) 農田差異
一般來說，作物生長沒有空間差異的農田，實施“精細農業(yè)”技術實踐，是不會有經濟效益的。農田的空間差異首先表現在產量的空間差異上。產量的差異可能是由于土壤墑情、土壤肥力、病蟲草害分布等因素的差異性造成的。但是，一塊農田出現差異并不意味著有益于“精細農業(yè)”技術實踐。首先，必須確定田間存在的差異有多大；其次，能否尋找到作物生長空間差異與作物產量空間差異之間的關系；再次，根據目前的作業(yè)條件，能否解決這些差異問題。
2.3 開展適合我國國情的“精細農業(yè)”技術實踐
在我國，農田規(guī)模較小，機械化水平比較落后，實施廣域的“精細農業(yè)”技術實踐尚需較長的發(fā)展過程，但是，結合我國國情，在某些具體條件下，開展“精細農業(yè)”技術實踐或“精細農業(yè)”單項技術實踐是可行的。
1) 了解差異，指導農業(yè)生產
在我國廣大農村，實行聯產承包責任制的情況下，個體農民主要是根據自己的知識和經驗實施農業(yè)作業(yè)。盡管每戶的責任田范圍內作物生長條件的空間差異可能不大，但就整個地塊來說，其空間的差異性是顯而易見的。所以，以鄉(xiāng)、村范圍內，建立以GIS為開發(fā)平臺的田間地理信息系統，其目的是讓農民了解田間的差異分布，為農民提供合理的管理支持。該系統可以生成以地塊為單位、以相對坐標定位的作物產量（以戶為單位）、作物長勢、土壤肥力、作物病蟲草害的分布圖。
2) 建立基于GIS、DGPS技術的作物管理輔助決策支持系統
在以縣或大農場范圍內，計算機及一些農業(yè)信息技術具有了一定基礎。如果建立DGPS，基本上能夠覆蓋整個作業(yè)范圍。主要內容包括：建立DGPS基準站；定位采集土壤墑情、土壤肥力、作物長勢和病蟲草害分布等作物生長空間數據；收集有關農田地籍、土壤類型、耕作史、產量史、輪作史以及作物品種、肥料、農藥、灌井分布等知識。在GIS軟件開發(fā)平臺中利用作物生長模擬模型和空間決策分析模型，制定出科學的農田作業(yè)處方，為農田資源合理利用和作物生產管理決策服務。 3) 建立“精細農業(yè)”技術體系試驗示范工程
在墾區(qū)農場或大面積作物生產平原地區(qū)建立“精細農業(yè)”技術體系試驗示范工程，充分利用該地農業(yè)規(guī)�；洜I和先進的技術裝備優(yōu)勢，實現現代信息技術與農業(yè)工程技術集成應用。其基本過程是：帶DGPS和產量測量的谷物聯合收割機在田間定位和自動采集對應小區(qū)的平均產量數據，并利用計算機處理，生成作物產量分布圖；定位采集土壤肥力、墑情、病蟲草害分布、作物長勢，并利用計算機處理，生成作物生長的空間差異分布圖；利用GIS的空間決策分析和作物生長模擬模型，建立作物管理輔助決策支持系統，并在決策者的參與下生成作物管理處方圖；實施按處方圖控制農業(yè)機械進行田間作業(yè)，如帶DGPS和處方圖讀入設備，可調節(jié)播量和播深的谷物精密播種機、可調節(jié)施肥量的定位施肥機和噴藥機、可控制噴水量的定位噴灌機等。通過“精細農業(yè)”示范工程，不但能夠帶動相關產業(yè)發(fā)展，而且還能夠因地制宜地推動應用規(guī)模和范圍，逐步在較大面積和范圍內實現農業(yè)高產、優(yōu)質、低耗、高效生產。
3 遠景與討論
1) 目前，由于遙感（RS）技術應用于“精細農業(yè)”的主要限制因素是空間分辨率太低。隨著RS技術的迅速發(fā)展，分辨率的不斷提高，必將成為“精細農業(yè)”技術中獲取田間信息的重要來源。RS獲
取的是作物生長過程中的時間序列圖象，提供的是農田土壤和作物生長的空間反映光譜，通過DGPS地面測量，尋找光譜與實地測量值之間的關系，推斷農田土壤和作物生長的時空變異性。另外，在作物生長季節(jié)，由于RS定期獲取土壤和作物生長的基本數據，可用于修正作物生長模擬模型，使作物生長模擬模型更加有效的反映作物生長規(guī)律，從而更好地服務于“精細農業(yè)”技術實踐。
2) 如果說今天實施“精細農業(yè)”技術的主要動力是出于經濟效益考慮，那么，環(huán)境問題將是未來的發(fā)展動力�！熬氜r業(yè)”的目標是提高耕地資源的產量潛力，實施合理投入，科學管理，謀求作物生產最好的經濟效益。其中，尤以減少化肥和農藥的投入引起特別重視。傳統的以整塊農田平均施用化肥和農田內土壤養(yǎng)分時空需求、平均施用農藥與病蟲草害時空變化的明顯差異相矛盾。既不能保證作物生產潛力的充分發(fā)揮，也會導致過量施用造成的生產成本增長、農田和地下水資源污染、農產品品質下降的嚴重后果。九十年代后期，歐盟大多數國家都實施了限制使用化肥和農藥的立法，規(guī)定到2000年，要減少農業(yè)化學品施用量50％，并開始征收高效農業(yè)化學品使用稅，這更刺激了尋求新的科學調控農業(yè)投入，降低作物生產成本的迫切需求。
3) 實施“精細農業(yè)”的前提是田間土壤和作物生長的空間差異性。這些特性不僅沿水平方向和垂直方向變化，而且也隨時間變化。有些特征是很穩(wěn)定的，隨時間變化很慢，如土壤質地、SOM等，而有些特性如N和濕度變化較快。所以，在實施“精細農業(yè)”技術實踐中還要解決：主要采集哪些信息；怎樣采集這些信息；采集時間間隔；怎樣反映空間差異性等許多問題。例如，采樣方法不同，采樣和分析費用不同；采樣時間間隔的大小直接影響管理費用等。另外，即便獲取了大量的空間數據，怎樣更有效利用這些數據制定合理的作物管理決策往往是很困難的。一些研究者們已經利用統計的方法來更好的建立作物產量差異與作物生長空間差異之間的關系。然而，作物生產不僅受到空間因素的影響，而且受到時間變化的影響。氣候因素的變化往往比空間差異更重要，尤其是降雨和溫度。有時，在某些年份，空間差異對作物產量可以忽略不計。但是，經過多年“精細農業(yè)”實踐，可收集大量的有關作物生長信息，利用“反饋”方法，反復修正作物生長條件，使作物生長達到良性循環(huán)。
參 考 文 獻
J.K. Schueller. Technilogy for precision agriculture. Proceedings of the First European Conference on Precision Agriculture,Warwick University,U.K. 8~10,September 1997
C.J. Dawson. Management for spatial variability. Proceedings of the First European Conference on Precision Agriculture,Warwick University,U.K. 8~10,September 1997
Richard Earl, Paul Wheeler, Simon Blackmore, et al. Precision farming – the management of variability. Landwords, Winter 1996
Ian J Yule, Edward Crooks. Precision farming: the price of imperfection. Landwords, Winter 1996
汪懋華. “精細農業(yè)”發(fā)展與工程技術創(chuàng)新. 農業(yè)工程學報. 1999, 56 (1): 1~8
Main technique , decision-making and application of
precision agriculture in China
Liu Gang
(Research Centre for Precision Agriculture China Agricultural University
Beijing 100083)
Abstract The kernel of precision agriculture technology is the alteration of traditional farming by the information system. With the integration of geographic information system, position system, decision support system, sensing technology based on mechanization, the goal of agriculture sustainable development will come true. If this technology is put in practice, a new agriculture science and technology revolution will take place, and a important effect on agricultural development will be brought in our country. Therefore, this paper summarizes the components and applied scope of precision agri culture technology, especially on the basis of the situation of our country, some schemes to implement precision agriculture technology are taken.
Key words precision agricuture; geographic information system; position system; decision support system; sensing technology
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