让种田精准高效——卫星导航技术在精准农业中的应用

● 文|北京空间科技信息研究所 贠敏

让种田精准高效
——卫星导航技术在精准农业中的应用

● 文|北京空间科技信息研究所 贠敏

俗语道：民以食为天。农业是我们的衣食之源，生存之本，我们每天的生活都与农业息息相关。精准农业是一种现代化农业理念，就是将最先进的科技应用于农业生产中，从而达到科学合理利用农业资源、提高农作物产量、降低生产成本、减少环境污染、提高农产经济效益的目的。目前中国粮食连续多年稳产增产，已俨然是一个农业大国，但并非农业强国，原因在于中国平原较少，机械化程度不高，农业生产力仍然并长期落后的现实难以改变。精准农业代表着当今科技含量最高、综合性最强的现代农业装备技术。农业精准化生产，将是我国农业走上现代化道路的一个重要标志。更好更快地发展精准农业将是中国从农业大国迈向农业强国的重要一环。

一、精准农业中的卫星导航定位技术

精准农业（Precision Agriculture）是依靠信息技术支撑，实现精准播种、精准施肥、精准灌溉、精准动态管理和精准收获，通过精细化管理实现农业高效益、可持续发展的农业发展新潮流。其核心是全球卫星定位技术、地理信息技术、遥感技术和计算机自动控制技术。精准农业这一概念最早是20世纪80年代末由美国、加拿大的一些农业科研部门提出的。1993年，精准农业技术首先在美国明尼苏达州的两个农场进行试验，结果当年用GPS指导施肥的作物产量比传统施肥的作物产量提高30%左右，同时减少了化肥施用总量，经济效益大大提高。此后，精准农业开始兴起，目前已成为农业发展的一种普遍趋势。多年实践经验表明，引入卫星导航的精准农业技术能够使不同地区、不同条件下的作物增产3% 到50%，大大降低农业生产的人力、资金和原材料（种子、肥料、农药、能源等）成本。

精准农业中的卫星导航定位技术主要包括农业机械控制、精准病虫防治和灌溉、农田资源的普查和规划等。

1.农业机械控制

卫星导航定位技术在农业机械控制中的应用主要包括变量施肥播种机、联合收割机、无人驾驶拖拉机等。

（1）变量施肥播种机

精细农业变量控制的出发点是把大田块细化为小田块，按小田块收集田间状态信息，根据其差异性做出作业决策，即依据当前土壤养分状况和作物生长状况等田间状态信息编制出田间施肥或播种变量作业处方信息。作业处方信息包括田间不同区域应有的施肥量或播种量、定位信息、步进电机步进值等农事变量作业信息，并有针对性地加以实施。但不同的农田，农田信息分布空间差异较大，导致单位网格作业面积的大小定义差距较大，这样就必须根据网格大小采用不同精度的GNSS或DGPS数据。

☆ 变量施肥播种机

（2）联合收割机

在联合收割机上安装全球定位系统接收机和地理信息系统，在农作物收获的时候，利用GNSS技术和产量传感器，由此获得农田作业区内不同区域、不同地块的农作物产量分布，把这些数据经过处理后可以制作产量分布图。之后，再将影响农作物生产的种种因素数据输进计算机，从而通过产量数据对比的方式，确定农作物产量分布不均匀的原因，并且制定相应有效的措施。由此，设计出农业机械的智能控制软件。在农田作业过程中，根据按需投入的原则，推进分布式投入，并综合分析某个农田、具体田块的总产量有没有提高或者减产，然后制定新的针对性更强的田间投入方式。相应的利用农作物的产量分布图，可以控制联合收割机的行驶速度、割幅，从而控制收割速度、脱粒喂入量，达到最佳的收割效果和最大的收割效率。

☆ 联合收割机

（3）无人驾驶拖拉机

无人驾驶拖拉机是由固定操作站控制的无人驾驶农业机械，在卫星全球定位系统或在田间附近地面系统的导航下工作，具有很多优越性：可实现 24小时内连续精确作业；没有驾驶员，就没有必要安装驾驶室和操纵机构；可增加空间来安装农具，并减少机器重量，可提高机组工作效率。

☆ 无人驾驶拖拉机

☆ 无人驾驶拖拉机工作原理

2.精准病虫防治和灌溉

卫星导航定位技术在精准病虫防治和灌溉中的应用主要包括精准喷药、精准灌溉等。

（1）精准喷药

☆ 精准喷药飞机

精准喷药是运用GNSS监测病虫草害，是预测预报的新手段，通过GNSS系统连接高质量视频摄像系统拍摄分析图像，可以收集原始数据，监测大田作物，得出田间病虫草害分布大小位置，并可以通过逐次拍摄确认害虫的迁飞路线、种群数量和为害程度，以及病虫草害发展方向及流行趋势。如要对大面积农田集中进行喷药，则可选择装有差分GNSS（DGPS）的飞机。DGPS航空导航系统可以引导飞行员从机场直接前往作业区，在已设计的航线和高度飞行喷洒药物，若飞行员加满药物再次返回作业区时，系统还能让飞机到达上次药物喷洒停止时的准确地点，以确保既无重复喷洒又无遗漏区域。

（2）精准灌溉

精确灌溉既能满足作物生长过程中对灌水时间、灌水量、灌水位置、灌水成分的精确要求，又能按照田间的每个操作单元的具体条件，精细准确地调整农业用水管理措施，最大限度地提高水的利用效率。在田间运用GNSS土地参数采样器采集植物生长的环境参数，如土壤湿度、地温等，通过GNSS中心控制基站，利用专家系统进行植物分析，可以调控植物生长环境，精确调控节水灌溉系统。

☆ 精准灌溉

3.农田资源的普查和规划

☆ 农田普查GNSS手持机

在精准农业中，综合应用卫星导航技术、GIS和遥感技术，实现农田信息的数字化、可视化管理应用。技术人员利用GNSS手持机可以获得农田的地理位置信息。运用卫星定位测量技术，能够快速、高效、准确地量算出作业面积等参数。卫星导航接收机获得的农田定位信息通过GIS转化成相应的图形，同田间的各种信息结合，形成反映该信息的专题图和处方图，如肥力分布图、病虫害分布图等，用于农作物科学施肥、病虫害防治和估产等。

增加了卫星导航定位功能的土壤水分温度检测仪在测试土壤含水率的同时，可以测定测点的精确定位信息（经度、纬度），可随时显示采样点的位置信息，并可将位置和水分、组数等信息存储到主机内，也可通过计算机导出。因而，能够反映土壤水分的空间差异。不仅有利于实施节水灌溉，同时精确的供水也有利于提高作物的产量和品质。实现了含水率和三维位置信息的自动采样处理。 通过卫星导航定位系统掌握土壤的水分（墒情）的分布状况，为差异化的节水灌概提供科学的依据，同时精确的供水也有利于提高作物的产量和品质。

二、格雷格夫妇玩转三千英亩农场

美国农业人口占其全国人口总数的比例不到2%，不但养活了3亿美国人，而且是全球谷物出口大国。美国农产品生产主要依赖家庭农场，两三个人一年就可以生产出上千吨的小麦或是玉米。美国220多万户的农场中，大约有350多万的农业劳动力，其余的是小孩和老人等，每个农场主平均经营400英亩（大约2400亩）的土地。每个农场的劳动力平均为1.6个。2010年，美国收入超过100万美元的农场有88%是属于家庭农场，而生产的农产品占全美农产品生产量的79%。

☆ 格雷格夫妇家

格雷格夫妇是美国北达科他州河谷市的一家农场的主人。格雷格夫妇的“家”并不是农家小院，而是一栋普通的两层民居，看上去跟美国城镇里的大多数私人住宅没有任何区别。格雷格的办公室里是全套的现代化办公设备，除了打印传真一体机外，还有一台通过卫星连接上网的电脑。格雷格夫妇的农场大约有3000英亩（约18000亩），农场的主要农作物是大豆、小麦、玉米和荞麦。

格雷格的仓库里停放着联合收割机、四轮驱动拖拉机、风钻机、农用轨道拖车、捆草机、播种机……这些农业机械的总价值大约为22万美元。这些农业机械每个都有特定用途，正是它们把格雷格从繁重的体力劳动中解脱出来。格雷格十分珍爱他的“秘密武器”——一台安装了GPS全球卫星定位系统的大型拖拉机。这套自动驾驶和卫星定位系统可以使拖拉机由电脑控制作业，无需人工操作，而且耕地质量高。

三、卫星导航让辽阔新疆棉粮满仓

新疆位于我国西北部，总面积166万平方千米，占全国陆地面积的1/6，主要作物有棉花及小麦、玉米、番茄等。新疆生产建设兵团是我国重要的优质商品棉生产基地，2012年棉花产量占全国的20.68%。2015年，农机管理标准化团场将达到90%以上，农业综合机械化作业水平达到93%，基本建成全国农业机械化示范推广基地。

☆ 棉花播种

☆ 棉花铺膜

兵团应用卫星导航定位自动驾驶进行棉花播种，能一次完成铺膜、铺滴灌带和播种一条龙作业，1000m播行垂直误差不超过2cm，接茬准确率达到2cm，彻底解决了农机播种作业中出现的“播不直、接不上茬”的老大难问题。农机驾驶员操作时只需踩油门和刹车，不用操作方向盘，实现24小时不间断播种，有效降低了驾驶员劳动强度，播种率达100%，播行非常端直精准，接茬准确，对以后作物中耕打药、施肥、收获作业可保证不重不漏，农机工作效率提高了50%。这项新技术的应用，为农作物后续田间作业打下了坚实基础。

2013年，一四九团东阜城农业公司使用卫星导航定位技术播种棉花5万亩,仅节省土地这一项，5万亩地能比原来多播1000亩，可增收250万元。同时GNSS自动定位导航技术播种还可以提高种子、化肥、灌溉水的利用率，为今后一四九团发展精准农业夯实基础，实现农业的产业化、规模化、机械化、精细化，最终实现规模化、产业化效益，实现节本增效，进一步促进农民增收。

四、卫星导航让“北大荒”变身“北大仓”

曾经渺无人烟的北大荒如今已建起了我国耕地规模最大、机械化程度最高、综合生产能力最强的国有农场群，初步形成了以水利化、机械化、规模化、标准化和产业化为主要特征的现代农业生产经营模式，并成为国家重要的商品粮基地、粮食战略后备基地和现代农业示范基地，被誉为“中华大粮仓”。60 多年来，黑龙江垦区累计生产粮豆3639亿斤，向国家上交商品粮2538亿斤。目前，黑龙江垦区用全省1/5的土地，生产出了全省1/3的粮食，其中商品粮占全省的1/2。

☆ 现代化农机作业

建设现代化大农业，需要现代化的大农机。垦区农机装备水平和农机化发展水平保持国内领先，达到世界发达国家先进水平。2004年以来，垦区引进具有世界先进水平的大马力拖拉机、大型联合收割机和配套的具有保护性耕作技术的农机具。截至目前，已拥有世界智能化大马力现代农机装备600台(套)，重点装备了226个作业区。这些大“宝贝”集卫星定位、自动导航、精量播种、变量施肥于一体，一次完成深松、浅翻、整地、播种、和墒、镇压6项作业，使垦区的农业生产率大幅提高，过去20天的活儿，现在三五天就结束了。

五、北斗与现代农业的完美结合

温湿度感应、自动光照、智能灌溉……农民只需要一台电脑甚至一部手机，就能掌握田间地头分分秒秒的变化，做出合理的资源调配，对农田进行“精雕细刻”……这是北斗卫星导航系统为我们展现的现代精准农业的美好图景。

☆ 北京现代农业万亩示范区示意图

2013年7月，国内首个“基于北斗系统的精准农业应用示范”项目，在北京顺义现代农业万亩示范区赵全营镇兴农天力农机服务合作社通过验收。该项目首次成功将我国自主知识产权的北斗定位和TD-LTE移动通信技术结合，并推广应用到现代农业管理过程，为北京农业打造了首个“基于北斗系统的精准农业”的新型应用及管理平台。该项目自行研究的“多种差分算法”，成功将北斗农机定位的误差控制在5cm范围内，为北斗定位真正服务于精准播种、施肥、打药等农业精准机械化作业提供了全新的、可靠的技术保障，系统依托TD-LTE移动宽带通信平台，有效实现现场作业高清影像、图片、数据等信息实时传输到管理中心，通过基于GIS的农机作业现场管理平台，可实现包括作业调度、电子围栏、作业量统计、病虫害监测、收成评估等多功能的农机综合管理。

☆ 北京顺义现代农业示范区验收

北京顺义都市型现代农业万亩示范区建设工程意味着在不久的将来，京郊将实现现实版“智能种菜”——农民也能在家里足不出户运用物联网技术和3S技术，操作智能农机在田间精准耕种、管理和收获庄稼。该万亩示范区具体目标将实现增产增效，粮食单产要提高10%～20%，经济效益要增加15%；节资节本提高劳动生产率，节约水、肥、药等，降低劳动力投入；基础设施要建设资源节约型、环境友好型基础建设；现代装备通过现代装备配套基本实现农业生产全程机械化和信息化；生态景观将打造优美农田景观，建立农业、农村生态环境景观建设技术体系；经营机制要探索规模经营实现途径和生态环境管护机制。

参考文献

[1]中国国际精准农业与高效利用高峰论坛[EB/OL]. （2014-04-30）http://www.passummit.com.

[2]中国精准农业的应用现状与推广措施[EB/OL].（2014-04-30）http://www.zggm.org/Article/ShowArticle. asp?ArticleID=741.

[3]基于北斗系统的精准农业应用示范[EB/OL].（2014-05-12）http://net.1nongjing.com/2013070829491. shtml.

[4]国家遥感中心精准农业应用部[EB/OL].（202-11-15）http://www.nrscc.gov.cn/nrscc/ywfb/ yyyjl/201203/t20120331_30330.html.