東北地區機械化條件下的精準農業工程實踐

文|齊明 沈陽軍區直屬農副業基地管理局/宋良圖 中國科學院智能機械研究所/齊清文 中國科學院地理科學與資源研究所/蒙繼華 中國科學院遙感與數字地球研究所

東北地區機械化條件下的精準農業工程實踐

文|齊明 沈陽軍區直屬農副業基地管理局/宋良圖 中國科學院智能機械研究所/齊清文 中國科學院地理科學與資源研究所/蒙繼華 中國科學院遙感與數字地球研究所

東北地區是我國糧食主產區，近幾年通過引進國際上先進的大馬力農業機械，已經基本實現了農業機械化生產，奠定了發展規模化大農業的基礎。但目前東北地區普遍存在的問題是，在引進國際上先進的大馬力機械的同時并沒有引進或建立一套相應的精準農業技術體系，當前的農業生產依然施行的是機械化條件下的粗放管理模式。如何發展精準農業，發揮大馬力機械的優勢，是東北地區現代農業發展的重要研究課題。

一、精準農業系統概述

現代農業的高速發展，除了依靠品種更新和耕地面積的擴大外，主要是通過化肥、農藥等化學品和礦物能源的大量投入獲得的。由此帶來的水土流失、土壤生產力下降、農產品和地下水污染等生態環境問題，已經引起了全社會的廣泛關注，也由此推動了農業可持續發展和精準農業技術研究和應用。精準農業是在現代信息技術（RS、GIS、GPS）、作物栽培管理技術和農業工程裝備技術等一系列高新技術的基礎上發展起來的一種新型的現代農業生產形式和管理模式，其核心思想是對田塊劃分為更小的網格單元，以網格為單位，獲取農田網格小區作物產量和影響作物生產的環境因素實際存在的空間和時間差異信息，通過分析影響小區產量差異的原因，并依據農業知識、經驗和模型，制定網格級的農藝管理方案，對作物栽培管理實施定位、按需變量投入的管理模式，改變傳統農業大面積平均投入的資源浪費做法，最終實現均衡增產。精準變量作業包括精確變量播種、施肥、噴灑農藥和精確變量灌溉等作業環節。

精準農業系統是一個多模塊綜合的應用系統，主要是通過研究快速高效獲取農業信息的方法、建立用于農業精準管理的決策系統和模型，開發農業作業機械智能控制裝備，最終滿足農業生產的現代管理要求。

二、東北發展精準農業的意義

東北地區是我國糧食主產區，國家發改委和農業部2010年11月聯合下發《關于加快轉變東北地區農業發展方式建設現代農業的指導意見》提出：到2015年,東北地區糧食綜合生產能力穩定在1億噸以上，農業科技進步貢獻率達到60%；到2020年，東北地區農業土地產出率、資源利用率和勞動生產率達到發達國家水平，現代農業發展取得顯著成效。為實現這一目標，需要大力推進農業信息化，發展數字農業、精準農業、智能農業。近年來東北地區以大力提升農業機械化水平為突破口，推進現代農業的跨越式發展。以黑龍江省為例，2012年全省農業綜合機械化水平已躍上90%臺階，達到91.67%，位居全國第一。全省農機總動力達到4552.9萬千瓦，大馬力、高性能拖拉機增幅尤高，全省100馬力以上拖拉機已達20104臺，同比增長21.8%。全省耕地機械化程度已達98.8%、播種機械化程度已達94.1%、收獲機械化程度已達70.1%。農業機械化的快速發展為東北地區的規模化大農業發展奠定了堅實的基礎。

目前東北地區通過引進國際上先進的大馬力農業機械，實現了農業機械化生產,在此過程中東北農業普遍存在的一個問題就是在引進國際上先進的大馬力機械的同時并沒有引進或建立一套相適應的精準農業技術體系，因此當前的農業生產依然施行的是機械化條件下的粗放管理模式。如何在機械化條件下實現技術上可行、經濟上有效的精準作業管理模式，是當前現代農業發展的重要研究課題。

三、精準農業試驗基地的基本情況

為了分析東北地區現行生產條件下實施精準農業的必要性，試驗選擇黑龍江省嫩江縣雙山鎮某農場作為試驗基地。首先對試驗基地特定地塊進行網格劃分，建立農田網格數據庫（全球唯一編碼的1秒級19米×19米網格），再采集網格級的各項農業基礎數據，然后在GIS平臺上對各項農業因子進行疊加分析、空間統計和計算，以分析該網格分辨率基礎上的空間差距性。

對農場內田塊級的土壤養分監測結果表明，不同田塊之間的氮、磷、鉀含量存在著明顯的差異，其中氮的最高含量和最低含量之間相差2.22倍，磷含量的最高與最低之間相差16.36倍，鉀含量的最高與最低之間相差2.99倍。

農田內部同樣也存在著明顯的微地形、土壤質地和土壤肥力的差異性，造成作物長勢和產量等指標的明顯差異。如圖2所示，以某一試驗田地塊19米×19米網格尺度上的測試結果：地勢是東南低、西北高，東南部生物量在全地塊最低，而西北部地勢較高，生物量較高，可看出每個單因子存在著明顯的空間差異。

通過農田土壤養分監測和作物生長情況的空間差異分析，可以看出無論是不同的地塊還是同一地塊內部，都存在時空差異性。因此，忽視這種差異性而不加區別地按同一種模式進行農業作業管理是不科學的。發展精確農業，其核心思想就是根據精確定位測得地塊內各小區影響作物生長的環境因素的空間和時間差異性信息，分析影響小區作物產量差異的原因，根據小區作物的不同需求，精確投入種子、肥料、農藥等，以獲得最佳產出，同時避免因對農田的盲目投入所造成的浪費和過量施肥、施藥造成的環境污染。

圖1 遙感監測農田有機質含量差異

圖2 網格化的田塊生物量空間分布

四、精準農業系統集成方案

精準農業系統集成主要是針對示范基地進口大馬力作業機械精準作業需要，通過集成應用遙感技術和多種感知技術，實現在線檢測農田土壤養分，獲取農田小區作物產量和影響作物生產的環境因素實際存在的時空差異信息，建立農業決策模型和農田網格變量處方圖，研制智能控制系統和裝備，對示范基地試驗區作物實施定位、按需變量投入的精確管理模式。精準農業系統主要包括以下幾部分。

1.土壤信息感知系統

精準農業離不開信息獲取傳感器及其系統，研制適合精準農業技術的傳感器及集成系統是實現農業現代化的基礎。目前直接能用于精準農業的多種主要土壤元素集成檢測傳感器在國內還未見報道。而對于精準農業的量化作業則需要一種多元素的在線快速檢測系統，與其他信息獲取方法配合使用，提高檢測精度和效率。因此機載土壤多元素移動檢測平臺，是精準農業技術體系的基礎配置。此外，衛星遙感在大規模農田信息高效獲取方面具有獨特優勢。通過發展多源遙感數據的融合技術，以滿足精準農業在農田開展實時監測的需要，在時間、空間與光譜維上提供了滿足精準農業應用的數據。利用衛星遙感監測技術可高效進行農田播種適宜性評價、作物長勢監測、作物養分狀況評價、土壤養分監測、作物成熟期預測等決策分析。

2.基于GIS的高分辨農田網格處方圖生成系統

精準農業系統的農田差異信息需建立網格級農田數據庫進行數據管理，在此網格數據庫基礎上開發網格級變量作業處方圖生成系統，與農業決策模型嵌合，制作變量施肥作業處方圖，是進行變量控制的關鍵環節。農田網格數據庫用于管理農田肥力、產量、高程等數據。在此基礎上，利用GIS平臺(Geographic Information System,地理信息系統)開發網格級變量作業處方圖生成系統，與各種農業決策模型嵌合，制作變量播種、施肥和施藥作業處方圖，為變量控制系統提供變量作業控制指令。

3.大馬力農機變量控制系統

變量施肥機械主要是集成車載變量控制系統、GPS、變量執行機構，根據農機作業時所處的不同田間位置，按要求自動調節農業肥料投入量。變量作業目標是根據不同地區、不同土壤類型和產量水平，將氮、磷、鉀等主要土壤養分肥料進行科學配方，實現節本增效。

五、精準農業系統存在問題和思考

精準農業是在現代信息技術、作物栽培管理技術和農業工程裝備技術等一系列高新技術基礎上發展起來的一種新型的現代農業生產形式和管理模式，精準農業系統是一個多學科交叉融合的復雜應用系統。包括信息感知、信息處理和智能裝備幾個部分構成，信息感知是基礎，信息處理是關鍵，而智能裝備是則是最終實現手段。從目前的精準農業工程實踐來看，仍有若干關鍵瓶頸制約著精準農業的應用和發展。

1.多源信息的融合問題

信息獲取是精準農業的基礎，通過各種傳感器如激光光譜土壤成分傳感器、近紅外光譜土壤養分傳感器獲取的土壤成分數據、通過大型收獲機械的谷物流量數據（產量信息）以及通過衛星遙感監測的作物生長發育信息等不同來源的信息，需要進行融合分析，互相補充、相互驗證，以提高信息獲取的精度。如土壤的近紅外吸收光譜，獲取有機質、全氮含量等土壤肥力參數；激光誘導擊穿光譜傳感器系統采用激光激發土壤中元素的原子光譜，獲取不同位置處土壤的營養元素含量、重金屬含量等數據；衛星遙感獲取的大面積的作物長勢、生物量等信息。這些信息通過融合可全面獲取精準作業管理所需的各種數據。

2.信息處理與決策建模

決策分析是變量作業的核心，變量投入技術是變量作業技術的重要環節。在獲取各種農業基礎信息的基礎上，需要農業技術專家與系統開發人員一起設計農業科學試驗：（1）研究農田空間屬性的差異性，構建地理信息系統；（2）研究作物的生長過程以及養分需求，構建作物生長模型系統；（3）構建土壤養分專家決策分析系統，根據土壤養分含量做出決策并生成施肥處方圖。

3.進口大馬力機械的控制裝備配套問題

目前東北地區的主流大馬力作業機械則是以引進美國約翰迪爾系列農業機械為主，其系統自成體系、集成度高，控制體系復雜，針對此機械研制精準作業變量控制系統意義重大，同時也是一項具有很大挑戰性的工作。針對主流農機作業的變量需求，研制大馬力機械變量控制裝備，要求在不破壞原有機械架構的前提下，外加精準作業控制機構，與原有機械控制系統進行嵌合。這是開發精準農業系統，發揮進口大馬力機械生產潛力的技術實現途徑。