北斗在農機精準作業中的應用及思考

吳才聰

1 引言

全球導航衛星系統（GNSS）作為空間信息基礎設施，是精準農業的重要技術支撐，是發展現代農業和實現農業可持續發展的關鍵技術。GNSS在農機作業監管、農機精準操控和農場精細管理等方面，有著重要和廣泛的應用。通過透視發達國家和中國精準農業的發展歷程，也可以看出GNSS對于精準農業發展所起到的關鍵性和基礎性作用。作為我國自主知識產權的北斗衛星導航系統（BeiDou），其在精準農業領域的應用，不僅可以提高GNSS的可用性和精度，還可以極大提高中國農業生產的安全。

本文在分析GNSS在國際精準農業領域應用現狀的基礎上，重點介紹北斗在中國精準農業領域的應用概況，總結中國對北斗精準農業應用的支持措施，并針對北斗在精準農業中應用存在的問題，提出若干發展建議，供同行業者參考。

2 GNSS農業應用

2.1 國際應用

縱觀國際GNSS的應用發展，無不把精準農業列為創新應用和規模應用的重要領域。近年歐洲衛星導航局（GSA）連續發布的《GNSS市場報告》指出，農業在行業應用中名列前茅，其比重已高于測繪和航空應用。2017年CropLife雜志與普渡大學所做的精準農業經銷商調查表明，GPS自動駕駛導航和GPS驅動噴灑應用分別達到78%和73%，GPS土壤取樣和GPS農田測繪也分別達到78%和75%。由此可見GPS的重要性、普遍性和對于美國精準農業的支撐作用。

GPS公開服務信號精度約5 m，不能滿足精準農業高精度應用需求。據普渡大學統計，針對分米級應用，近70%的美國農戶在使用廣域增強系統（WAAS）。針對厘米級應用，主要有3種方式，即單站RTK、網絡RTK和星基差分增強。單站RTK通過電臺或移動通信鏈路向拖拉機播發RTK差分信號。多基準站網絡（CORS）通過移動通信鏈路提供網絡RTK差分服務。星基增強系統（SBAS）則通過衛星通信鏈路提供服務，例如約翰迪爾StarFire和天寶OmniStar。這3種方式各有優缺點，單站精度高，一次性投資，但受傳播距離和地形的影響；網絡差分精度高、覆蓋面較大，但需繳納通信費和使用費，依賴于移動通信網絡；星基增強精度略低，初次定位速度慢，收費較高，但鏈路的可靠性高，覆蓋面積大。2017年8月，作者在亞利桑那森丹斯農場考察，觀測到其4臺拖拉機均通過電臺連接至7.8英里外的約翰迪爾基準站。在實際使用中，由于自動駕駛對定位精度和可靠性要求均極高，企業往往為農場提供2種以上的差分增強服務，互為備份，可實現快速切換。例如，當單站RTK或網絡RTK信號失鎖時，Trimble xFill斷點續測技術可以在20 min內維持RTK固定解。xFill將單基準站或CORS作為主差分信號源，將星基信號作為副差分信號源。主副差分信號瞬時切換，沒有延時。

2.2 國內應用

當前，北斗衛星導航系統正從第二代向第三代發展，在區域系統的基礎上建設全球系統，同時保留有中國特色的短報文功能。北斗全球系統建成后，將可以更好地服務于“一帶一路”國家發展戰略，更有利于我國實施農業走出去的發展部署。北斗系統與精準農業的關系，可以概括為相互需要和相互促進。通過應用北斗導航技術，不僅可以提高農業機械的自動化與精確化作業水平，提升農業行業的整體生產效率，還可以有效保障我國糧食生產的安全。例如，以自動駕駛導航為代表的農機精準操控技術，將不可避免地、迅速地替代大量具備較高作業技能的農機手。顯然，依賴于國外GNSS系統將在我國現代農業發展中埋下巨大的隱患，一旦國外導航系統信號出現異常，將造成時效性和連貫性極強的大規模農機作業陷入混亂甚至癱瘓。

當前，北斗在中國精準農業中的規?；瘧?，主要體現在三個方面。一是農機自動駕駛導航系統應用。中國從全部進口國外產品到自主研發產品，大約用了5年的時間，到目前國產產品已占據主導地位。在東北（主要指黑龍江）、西北（主要指新疆）和華北等地，農機自動駕駛導航系統已深入人心，其推廣應用非常迅速。二是農機作業監管應用。針對農機深松作業和秸稈還田作業補貼監管，各省市農機主管部門紛紛安裝GNSS監測終端和傳感器，部署管理服務平臺，用于作業質量監督和作業面積統計。當前全國每年約2億畝農田開展深松作業，對于深松機具及GNSS深松監測系統的應用需求異常巨大。三是農機管理服務應用。例如，通過在采棉機上安裝GNSS監測終端，可以實現作業計劃、進度統計、保養記錄、管理調度等功能，可以顯著提高農機服務組織的管理效率。

3 北斗農業應用支持

3.1 財政補貼

自2013年起，財政部、農業部在國家農機購置補貼目錄中，增加精準農業設備小類，對農業用北斗終端（含漁船用）進行財政補貼。該政策的實施，帶動了國家有關部委和地方政府的投資，促進了一批北斗導航企業自主研制農機自動駕駛導航系統、著力培育精準農業技術，形成了良好的技術和市場競爭格局，為我國精準農業技術和現代農業的發展奠定了良好基礎。

在此基礎上，農業部鼓勵各地以新產品的形式，對北斗預裝進行試點補貼，以加快先進適用技術的快速推廣應用。2017年，湖北省首次將農用北斗終端納入了購機補貼范圍。補貼標準按照導航精度、是否帶自動駕駛系統等配置，分為四檔：第一檔，帶自動駕駛系統，導航精度±2.5 cm，補貼額30000元；第二檔，帶自動駕駛系統，導航精度±10 cm，補貼額20000元；第三檔，不帶自動駕駛系統，帶深松作業或秸稈粉碎還田監測裝置，補貼額640元；第四檔，不帶自動駕駛系統，也不帶深松作業或秸稈粉碎還田監測裝置，但是帶有北斗定位、圖像采集和顯示設備，補貼額400元。

十二五和十三五期間，農業部連續發布了《全國農機深松整地作業實施規劃（2011-2015）》、《全國農機深松整地作業實施規劃（2016-2020年）》，我國適宜地區的7億畝耕地將全部進行深松整地作業，并進入“同一地塊三年深松一次”的作業周期。深松作業補貼極大地促進了北斗/GNSS終端及質量監測傳感器的應用推廣。endprint

2017年9月，農業部對政協十二屆全國委員會第五次會議提出的關于加大對農業機械補貼力度的提案進行答復時表示，農業部將研究開展補貼機具分類分檔優化工作，重點選取大型、多功能、復式作業、具有綠色生態特征和結構型式變化的機具，以省為單位進一步細化分檔，提升補貼檔次的精準性，提高資金使用效益。該措施有望進一步促進以北斗為核心支撐的智能農機具的研發和應用推廣。

3.2 項目資助

發改委、農業部等國家部委及北斗專項，也通過示范項目的方式，支持北斗系統在精準農業中的應用。例如，2014年國家發改委支持新疆兵團第八師開展區域精準農業示范，該示范項目為首批800臺套的北斗農機自動駕駛導航系統，提供1萬元的項目補貼，極大地促進了自動駕駛導航系統的規模化應用。到目前，第八師已安裝自動駕駛導航系統約1600臺套。由于自動駕駛導航系統提高了作業效率和作業質量，使得未安裝該系統的農機戶，難以獲得作業訂單，部分農機戶甚至面臨被淘汰的風險。

農業部自2017年起開始實施“數字農業建設試點項目”，在大田種植方向，提出“建設北斗精準時空服務基礎設施”，實現農業機械高精度自動作業、精準導航與實時信息采集。在十三五期間，農業部將持續支持適宜地區開展數字農業建設試點，并給予每個試點項目不超過2000萬的國家項目資金支持。

中國衛星導航系統管理辦公室通過北京市北斗衛星導航應用示范、江蘇省北斗綜合應用示范、湖北省北斗衛星導航應用示范等項目，也支持了北斗精準農業應用，有力地促進了北斗系統在中國精準農業領域的應用推廣。

4 北斗農業規模化應用思考

北斗在中國精準農業領域的應用方興未艾，在取得可喜成績的同時，也應該看到在發展的過程中暴露出的諸多問題。例如，在財政補貼方面，各省市推進力度不一樣，未能實現對北斗農機自動駕駛導航系統進行敞開補貼。在項目資助方面，各部門自行其是，缺乏協調和統籌，重復投資普遍，重點方向不突出。在差分增強基礎設施建設方面，固定式和移動式單基準站廣泛使用，因缺失技術和管理協調，使得基準站無效冗余嚴重、同近頻干擾現象普遍。此外，北斗預裝和后裝標準的缺失，也使得市場銷售的產品良莠不齊，損害了購機戶的利益，同時也導致各地難以對這類新產品進行檢測和鑒定，影響了地方農機部門對北斗應用的積極性。鑒于此，作者提出以下發展建議。

（1）梳理中國精準農業技術、裝備和服務體系。部農機化司已委托中國農業大學，根據中國農業發展的具體國情，借鑒發達國家的發展經驗，梳理有中國特色的精準農業技術、裝備和服務體系，以有效指導中國精準農業體系的研究和建設。各部門在開展北斗農業應用支持時，宜經充分協調溝通，形成合力，避免重復投資，共同推動中國精準農業的發展。

（2）統籌建設精準農業需要的北斗差分增強基礎設施。面向精準農業應用，需要綜合考慮北斗差分增強服務的精度、可靠性、廣度和成本。通過合理布局，分層次地建設分米級和厘米級農用北斗差分增強基礎設施。特別是針對無線電頻段應用，建議國家農機主管部門與國家無線電管理局開展協調，規劃農業用無線電頻段。

（3）統籌制定北斗精準農業應用標準體系。目前，中國農業機械工業協會、中國農業機械化協會、中國農業機械學會均在組織研制北斗精準農業應用相關的團體標準和國家標準，缺乏必要的統籌和協作，不利于行業發展和滿足應用急需。北斗精準農業應用標準體系的統籌研究勢在必行。

（4）發展精準農業技術裝備檢驗檢測服務機構。為落實國務院“放管服”改革精神要求，適應行政事業性收費改革新形勢，部農機化司于2017年推進了農機試驗鑒定工作改革，對《農業機械試驗鑒定辦法》（農業部令2015年第2號）進行了修訂，形成了《農業機械鑒定辦法（征求意見稿）》，并將于2018年1月1日正式施行。此次修訂的一個重要內容是“明確第三方機構通過相應能力認定可承擔鑒定的檢驗檢測業務”。因此，具有一定技術基礎和檢驗檢測資質的機構，均應響應市場需求，拓展精準農業技術裝備相關的檢驗檢測業務。endprint