美国精准农业技术应用概况及北斗农业应用思考

● 文|中国农业大学 吴才聪

美国精准农业技术应用概况及北斗农业应用思考

● 文|中国农业大学 吴才聪

卫星导航定位技术是精准农业的重要技术支撑，是发展现代农业和实现农业可持续发展的关键技术。全球卫星导航系统在农机作业管理调度、精密操控和农场精细管理等方面，有着重要和广泛的应用。本文在分析美国精准农业技术应用的基础上，结合我国社会发展现状和现代农业发展的急需，探索北斗农业应用模式，为促进我国现代农业发展和北斗导航技术与产品在农业领域的规模化应用提供借鉴与参考。

一、美国精准农业发展概况

美国普渡大学自2000年以来，通过发放调查问卷，开展“精准农业服务经销商调查”[1]，采用间接调查的方式，揭示美国精准农业技术应用现状。该调查2000—2009年间每年开展一次，2009年后改为每两年开展一次。2013 年2月，普渡大学将调查问卷寄给Crop Life杂志遍布全美的2500位的精准农业服务零售经销商读者，一共收回问卷171份，有效反馈率为6.8%。以下分析即基于2013年的调查数据。

1.总体应用情况

在2013年的调查中，如图1，65.5%的经销商向客户提供了GPS土壤采样、GIS土地测绘（主要用于法律事务、收费及保险）等最流行的精准农事服务，该比例在2011年是59%。紧随其后的是GPS导航结合人工控制/光靶或自动控制/自动驾驶应用，分别达到64.9%和60.8%。GPS驱动喷洒作业达到52.6%， GPS物流应用达到20.5%。其中，增速最大的莫过于经销商提供的田间至办公室的远程监测技术，从2011年的7%跳跃至2013年的15.2%。

图1 2013年美国精准农业服务应用情况

2.年际间应用变化情况

如图2，在过去的十年中，不同精准农业技术的应用增长态势不尽相同。2013年，经销商向客户提供GPS导航结合人工控制/光靶技术的比例达到64.9%，继2009年以来呈持续下降趋势。而提供GPS导航结合自动控制/自动驾驶的经销商比例从2011年的63.3%降到2013年的60.8%，这是意料之外的，该技术在2011年以前实现了持续的快速增长。显然，自动控制与自动驾驶技术日益受欢迎，但其增长也受到了美国近年经济整体不景气的影响。

图2 近10年美国精准农业技术应用变化

在之前的调查中，经销商使用最多的是广域增强系统（WAAS）。在2013年的调查中，70%的调查对象仍然使用WAAS，相比2011年的67%有小幅增长，很重要的一个因素是因为WAAS是美国联邦航空管理局（FAA）提供的免费差分服务。有22%的调查对象使用私人RTK基站，该数据与2011年的14%相比有所增加。购买私人RTK基站是因为这种技术非常适合那些WAAS信号强度很弱的农场。

在2011年的调查中，22%的经销商购买了商业卫星差分服务，而在2013年则有所下降，只有17%的调查对象使用OmniSTAR XP和StarFire2等商业卫星差分服务。从迪尔、天宝等公司购买RTK差分改正服务的比例，从2011年的25%降至2013年的6%。此外，有4%的调查对象购买了实时网络服务（RTN，采用虚拟参考站技术[2]），还有3%的调查对象使用连续运行参考站（CORS）服务，与2011年的调查相比有小幅的增加。

5．农场数据详细分析

3．区域间发展比较

调查数据显示，在GPS导航结合人工控制、GPS导航结合自动控制、精准服务提供和GPS驱动喷洒作业等四个方面，美国中西部均走在其他州的前面，前者提供这些服务的经销商平均比例比后者高出近23%。究其原因，应与中西部地区的农场规模较大和种植结构以谷物和畜牧业为主有关。

精准农业技术的应用，可以增加农场数据的收集，这使得经销商能够通过信息分享和分析来提供增值服务，以辅助客户决策。96%的调查对象为客户提供农场级的数据服务，而2011年该项调查的比例只有76%，可见其增长异常迅猛。66%的受访者给他们的客户提供产量图、电导率图和土壤养分图。

6．盈利状况分析

4．差分改正服务来源

由于农机自动控制/自动驾驶需求高精度的GPS改正信息，因此，对于使用GPS导航结合自动控制技术的调查对象，他们会被深入询问使用何种GPS差分改正数据服务（图3）。

经销商被问及他们所提供的精准技术产品与服务的盈利状况。图4的每个条幅显示的是受访者给出的特定服务所占的比例。报告表明，提供成套精准技术时，超过一半（51%）的经销商可以盈利，24%的经销商处于保本状态，9%的经销商仅能覆盖可变成本，4%的经销商未能覆盖成本，并有13%的经销商不清楚是否盈利。

图3 美国精准农业差分改正服务来源

图4 精准农业服务盈利情况

与2011年的调查相似，精准服务中定制应用的利润最大，超过60%的经销商在提供非精准喷施服务时盈利。控制单个和多个营养元素的精准喷施服务会产生高额的利润，有60%和63%的经销商分别从这两种服务中获得了利润。自从2011年的调查后，这些数字一直在上升，当时定制（非精准）、单个营养元素和多个营养元素的喷施服务分别被58%、51%、57%的受访者列为盈利项目。GPS土壤采样是最高级别的非精准服务，有44%的受访者从这个服务中赚取利润。相应地，只有1/4或者更少的受访者表示产量监控数据分析、卫星和航空影像以及GPS变量播种可获利。通常来说，这些服务产品的利润从2011年的调查后有些许的上升，但是这些产品仍然不如精准服务赚钱。

不同区域在土壤采样、定制应用（非精准）、GPS单个和多个营养元素喷洒和成套精准服务方面的利润率存在很大的差异。

7．精准农业服务发展预测

经销商均被问及2013年秋天会提供哪项精准服务项目。调查结果显示，经销商们提供的最为广泛的精准服务是GPS土壤采样。到2013年末，57%的经销商希望提供该项服务，而到2016年则有63%的经销商希望提供该项服务。与以往的调查类似，2013年的调查中，GIS土地测绘低于GPS土壤采样，49%的经销商们希望2013年秋天提供该项服务，到2016年希望提供该项服务的比例则有56%。

与其他州比较，中西部比其他州应用GPS土壤采样、GIS土地测绘和产量监控数据分析更为普遍。不过，从多个类型精准技术服务来看，其他州正在缩小与中西部的差距。在2013年的调查中，中西部地区的调查对象中有63%提供GPS土壤采样，其他州提供相同服务的比例从2011年的27%增长到2013年的42%。同样的，其他州除了土壤电导率测绘技术之外，其他的每种技术服务类型都在追赶中西部的水平。

二、我国北斗农业应用推广思考

1．我国农机社会化服务体系[3]

我国的农业生产，在黑龙江、新疆兵团等少数省份具有规模化经营的特点，而在更广大的其他省市则是多种经营方式并存。我国正在大力促进土地流转和农业规模化经营，并根据自身特点，大力促进农机社会化服务体系的构建。农机社会化服务是指农机服务组织、农机户为其他农业生产者提供的机耕、机播、机收、排灌、植保等各类农机作业服务，以及相关的农机维修、供应、中介、租赁等有偿服务的总称。

农机社会化服务伴随着农村经营体制的改革而产生，并伴随着现代农业的发展而壮大。近年来，农机社会化服务取得了明显成效，主要表现为四个“持续”发展：

一是服务主体持续壮大。截至2012年底，全国拥有农机化作业服务组织16.7万个，农机户4192.3万个，农机化中介服务组织0.7万个，农机维修厂及维修点21万个，农机经销企业和经销点9.5万个，农机供油站（点）1.8万个。其中，拥有原值50万元以上农机的大户、农机服务组织达到7.8万个；以开展农机社会化服务为主的农机专业户、农机合作社发展迅速，分别达到519.6万个、3.44万个，已成为当前推动农业机械化发展的中坚力量。

三是服务形式持续创新。农机跨区作业的范围和规模不断扩大，已由小麦机收拓展到水稻、玉米机收等领域。农机订单作业、承包经营、全程托管等农机服务形式日益完善，区域性农机作业（维修）服务中心、中介信息服务、机具租赁、农机连锁经营等农机经营模式不断涌现，满足了广大农民和农机手的多样化需求。以农机跨区作业为代表的农机社会化服务，解决了“有机户闲、无机户难”，“有机无田耕、有田无机耕”的矛盾，解决了千家万户小规模经营实现机械化的难题，同时还提高了农机的利用率，提高了农机户的经济效益。

四是服务效益持续提高。2012年全国农机化经营服务总收入达到4779亿元，农机经营服务总利润达到1858亿元，其中农机化作业收入达到4180亿元，是2006年的1.7倍。农机服务产业的兴起和壮大，为促进农村劳动力转移、增加农民收入作出了重要贡献。

到2020年，全国农机社会化服务的主要目标是：服务主体进一步壮大，全国拥有原值50万元以上的农机大户、农机服务组织的总数超过11万个，比2010年翻一番。服务效益进一步提高，全国农机化经营总收入超过8000亿元，比2010年翻一番。

2．精准农业对卫星导航技术的应用需求

（1）卫星定位技术在精准农业中的作用

卫星定位系统在农业机械中的应用，极大地提高了农业生产和作业的效率，具体地说，主要有以下几方面的作用[4]：

档案数据获取和整理是在大数据背景下必不可少的工作。其中，档案数据获取是整个档案管理工作的根本，只有获取有效的档案数据才能对档案内容进行分析和整理，并对档案进行管理及保护。目前，电子档案在保护技术上存在缺陷，计算机在传输信息的过程中若出现了漏洞，就会导致档案信息泄漏。

1）卫星定位技术为农用机具的运行控制提供高精度实时位置信息，极大提升了作业的效率。作业幅宽较大的农机具喷洒作业时，容易造成作业重叠和遗漏。在这类农机具和飞机上安装卫星定位系统，可以显著地提高作业精度，避免作业重叠和遗漏，减少不必要的浪费。

2）卫星定位技术为农田状态信息的获取提供位置信息，为精准农业实施变量作业提供了必要条件。卫星定位系统与农田信息采集技术相结合，可以实现定点采集和农田状态信息分析，如农田中的肥、水、病、虫、草、害和产量的分布情况，生成农田状态分布图。农民进而根据农田状态分布图，做出相应的决策并付诸实施。

3）卫星定位技术为农机具提供实时位置信息，使得农机具可以调用处方图信息，实现行进间变量投入，从而实现按需投入水、种子、肥料和化学药剂等生产要素，既保证了作物的需求，又可以节约投入和减轻环境污染。

4）使用卫星定位系统导航，农民可以不受时间和气候的限制，不必日出而作、日落而息，为了抢农时，在夜晚也可以作业。有了卫星定位系统为拖拉机导航，驾驶员还可以加快行驶速度，提高作业效率。据陈学庚院士[5]统计，利用卫星导航进行自动驾驶和播种，可节省聘请播种机手薪酬支出60%，增加机组经济收入20%～30%，每亩增加收入60～90元，土地利用率至少提高0.5%～1%，作物产量提高2%～3%。

（2）精准农业对卫星定位技术的应用需求

精准农业对卫星导航定位技术的应用需求，主要包括两个方面，即单机自动驾驶控制和机群管理调度与作业统计。不同的农机作业，需要不同的定位精度。自动驾驶、变量播种、土地整理等需要厘米级定位精度；信息采集、变量控制、产量监控、作业统计等需要分米级定位精度；农机监管、调度导航、作业监测等只需要米级定位精度。

3.我国卫星导航技术农业应用基本情况

（1）GPS自动导航和驾驶系统应用发展迅速

GPS自动导航和驾驶系统全部是国外进口产品，包括美国天宝、日本拓普康、加拿大半球、瑞士徕卡等，2012年黑龙江农垦系统的批量采购指导价为11.4万元。大部分与进口大马力拖拉机配合使用，2012年销量1500多台套，其中天宝公司800多套、拓普康公司200多套、半球公司150多套，位居前三位。近年来，自动导航和驾驶系统已深入人心，其推广应用非常迅速。

（2）农机监管与调度导航服务日益普及

针对农机补贴监管和深松作业补贴监管，黑龙江省、天津市、北京市、河北三河市等省市和地方农机局已建立相应的农机监管调度平台，为国家补贴购置的农机具和作业拖拉机安装GPS监控终端，应用规模约1万台套。河南省、安徽省针对农机跨区作业监管与服务应用需求，为拖拉机配置车载GPS和专用手机，建成后规模约5万余台。新疆生产建设兵团主要的采棉机公司均已安装车载监控GPS，实现了远程监控与作业统计。随着农业部发布《全国农机深松整地作业实施规划（2011—2015）》[6]，我国适宜地区的7亿亩耕地将全部进行深松整地作业，并进入“同一地块三年深松一次”的作业周期，如何准确统计农机作业面积和发放农机作业补贴，势必需要卫星导航技术提供精确测量信息。

4.我国北斗农业规模化应用推广初步思考

（1）北斗系统与精准农业的关系

纵观国际GNSS的应用发展，无不把精准农业列为创新应用和规模应用的重要领域。欧洲全球导航卫星系统管理局2015年的《GNSS市场报告》（第四版）[7]指出，农业是除了位置服务、道路和测绘外最为重要的行业应用市场，其比重已高于航运、航空、铁路领域。

北斗系统与精准农业的关系，可以概括为相互需要和相互促进。通过应用北斗导航技术，不仅可以提高农业机械的自动化与精确化作业水平，提升农业行业的整体生产效率，还可以有效保障我国粮食生产的安全。例如，以自动驾驶为代表的农机精密操控技术，将不可避免地、迅速地替代大量具备较高作业技能的农机手。显然，依赖于国外GNSS系统将在我国现代农业发展中埋下巨大的隐患，一旦其系统信号出现异常，将造成时效性和连贯性极强的大规模农机作业陷入混乱甚至瘫痪。

（2）北斗农业应用的重点领域

1）统筹建设精准农业需要的北斗增强综合服务系统。面向精准农业应用，需要综合考虑北斗增强服务的精度、广度和成本。首先，需要满足精准农业对厘米级和分米级的高精度定位需求。其次，增强信号要求覆盖我国的广大农区，并且跨区农机随时、随地获得无缝、漫游式的增强服务。还有，由于农机作业的低效益，切实降低增强数据成本和通信成本也是必须要考虑的因素。鉴于以上考虑，建议在建设北斗地基增强系统的同时，考虑发展高精度星基增强系统，结合农场自建RTK，多管齐下地满足农业行业的共性需求。

2）建设国家级农机导航与位置服务平台。各级农机主管部门建立的农机监管服务平台，易形成信息孤岛，难以适应大数据和云计算时代的发展要求。拟充分结合我国农机社会化服务体系的构建，基于“云-端”架构，构建国家级农机导航与位置服务平台，建立大数据和云计算中心，保障基础服务，发展增值服务，创新商业模式和盈利模式。

3）研制适用国产拖拉机的北斗自动导航和驾驶系统产品。目前国内外导航企业在我国销售的自动导航与驾驶系统，其应用对象主要为进口拖拉机。而国产大马力拖拉机、播种机、收割机等却无人问津。自主研制高精度自动导航和驾驶系统产品迫在眉睫。这需要农机企业和导航企业的通力合作，其市场规模达数百万台/套。

4）研制农机作业“北斗度量衡”精确监测终端。随着农机服务组织逐步走向精细化管理、政府主导的深松作业的持续开展，缺乏适应农机作业工况与特点、实现作业面积精确测算、综合监测与调度功能的农机作业专用终端问题日益凸显。由于需求各异、要求不同，这种类型的终端将具有多样化的特点。“高端低用”、融合农机工况信息、实现远程诊断等将是发展趋势。其规模将达千万量级，北斗手机将占据一席之地。这也是“云-端”架构中重要的“端”部分。

5）制定北斗农业应用的政策与标准体系。在中国农业大学、中国农业机械化科学研究院、北斗重大专项应用产业化专家组和北斗重大专项政策法规专家组的推动下，农业部在2013年农机购置补贴机具种类范围新增“精准农业设备”小类，包含农业用北斗终端（含渔船用）和渔船用AIS船载终端两个品目，这是继交通运输部发布安装北斗终端政策后，又一行业部门推进北斗应用的政策。针对北斗在农业领域的规模化应用推广，还需研究国家层面和部级层面的应用政策，推动北斗农业应用产业联盟的建立，制定规范的标准体系。

6）开展重点农区、重点业务的北斗农业应用综合示范。通过示范工程建设，调动各级政府、导航企业、农机企业和最终用户的积极性，初步建立北斗农业应用的完整产业链，形成北斗农业应用推广的新产品、新平台和新模式。

参考文献

[1]Jacqueline K. Holland DBE，David A. Widmar. 2013 Precision Agricultral Services Dealership Survey Results[R]. Indiana; 2013.

[2]U.S.Department of the Interior.Real-Time Network(RTN)Surveying，2014.[EB/OL].（2015-01-12）http://water.usgs.gov/osw/gps/real-time_ network.html.

[3]宗锦耀.在全国农机社会化服务现场会上的讲话. 2013.[EB/OL].（2015-03-21）http://www.nongji360. com/list/20139/17354284539.shtml.

[4]承继成.精准农业技术与应用[M].北京: 科学技术出版社; 2004.

[5]北斗网.陈学庚：卫星导航技术在兵团农业中的应用需求.2014.[EB/OL].（2015-04-11）http:// www.beidou.gov.cn/2014/05/21/2014052195c404b1 fe524e24b709cdb8f68e0a60.html.

[6]农业部办公厅.全国农机深松整地作业实施规划（2011-2015）.2011.

[7]European GNSS Agency.GNSS Market Report Issue 4，2015.