基于北斗衛星的現代農業應用探索

文 | 梁志國 張朋永 沈洋 褚超 宋振強

哈爾濱航天恒星數據系統科技有限公司

一、引言

2020年7月31日，北斗三號全球衛星導航系統正式開通，標志著北斗邁進全球服務新時代。北斗衛星導航定位系統是我國自主建設、獨立運行的全球衛星導航系統，可為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。目前已在交通運輸、農林漁業、水文監測、氣象測報、通信授時、電力調度、救災減災、公共安全等領域得到廣泛應用，產生了顯著的經濟效益和社會效益。當前，北斗衛星應用技術呈現出從以導航應用為主向導航與衛星遙感、互聯網、物聯網等融合應用轉變，從終端應用為主向產品與服務并重轉變的發展趨勢，不斷拓展出新的應用領域和應用場景[1]。

農業是保障國家安全的基礎性產業，農業穩則天下安。我國大力推行“藏糧于技”，2019年12月，農業農村部、中央網信辦印發《數字農業農村發展規劃（2019-2025年）》中指出，建立健全農業農村數據采集體系、天空地一體化觀測網絡體系、農業農村基礎數據資源體系，數字技術與農業產業體系、生產體系、經營體系加快融合。數字農業將是實施鄉村振興戰略、實現農業農村現代化必不可少的組成部分[2]。

本文旨在探討如何利用北斗、遙感、5G通信、物聯網等新一代信息技術，構建基于北斗的現代農業天空地一體化新模式，推動農業全方位、全角度、全鏈條數字化改造，進一步釋放數字化對現代農業的放大、疊加、倍增作用，促進生產成本節約、要素配置優化、供求有效對接、管理精準高效，實現現代農業發展質量變革、效率變革、動力變革。

二、北斗系統應用于農業生產管理

北斗定位系統在農業生產管理中應用范圍廣泛，效果顯著，借助于北斗定位系統可以提高農業機械的數字化與精細化作業水平，提升農業生產的信息化手段和綜合效率。高精度定位技術是發展現代化農業的關鍵，將北斗高精度定位技術應用在精準農業中，是實現“數字農業”的基礎。通過北斗差分定位技術可提供厘米級的定位精度，在農機自動導航駕駛、農田信息的監測管理等方面都發揮著巨大作用，為實現農業數字化管理及精細化作業提供了技術基礎，大幅度提升了農業生產的效率和土地資源的利用率[3]。

當前農業領域，基于北斗的應用主要包括農田信息采集、土壤養分及分布調查、特種作物種植區監控、農業機械無人駕駛、無人機植保等應用，其中農業機械無人駕駛、農田起壟播種、無人機植保等應用對高精度北斗服務需求強烈。當前我國基于北斗的農機作業監管平臺實現農機遠程管理與精準作業，服務農機設備超過5萬臺，精細農業產量提高5%以上，農機油耗節約10%以上。北斗衛星技術在數字化、精準化農業生產管理中主要應用于以下兩個方面[4]。

1. 農機自動導航駕駛

基于北斗差分技術的農機自動導航駕駛系統在工作中實時通過移動通信網絡接收由若干個CORS基準站數據匯集而成的數據中心傳輸來的差分數據，與車載衛星接收天線接收到的定位數據進行實時聯合解算，為農機自動導航駕駛系統提供厘米級的定位精度。基于北斗差分技術的農機自動導航駕駛應用系統示意圖如圖1所示。農機自動導航駕駛系統首先根據生產作業需求，規劃農機作業路線；然后導航控制器將差分數據和車載衛星接收天線接收到的數據進行聯合解算，結合車輪的轉向和角度數據，實時向轉向控制機構發送指令參數，通過控制農機液壓系統油量的流量大小、流動方向，或者控制方向盤的轉向大小、轉動方向，進而控制農機的行駛方向，確保農機能按照設定的路線行駛，從而保證農機作業過程中作業質量和作業效率。基于北斗差分技術的農機自動導航駕駛系統在黑龍江、吉林、遼寧、河南、新疆生產建設兵團等農業生產區得到了廣泛的應用，作業精度可達到±2.5cm，作業效率可提高30%以上。

圖1 基于北斗差分技術的農機自動導航駕駛應用系統示意圖

2. 農田信息的監測管理

在農田信息的監測管理方面，北斗差分技術提高了農田信息測量的精度，提升了農田定界、采樣和監測的便利性和精準性。農田是農業規劃、生產、管理的基本單元，實現農田信息的信息采集、實時監測是農業數字化、信息化的基礎。根據精確的坐標信息，可以繪制作物與生長環境的空間位置關系，建立完善的基礎數據庫，方便查詢、管理土地以及作物等信息。此外，通過與GIS技術結合，還支持圖形輸出、地理統計等。在農田信息采集過程中，采集人員手持差分定位設備，實時通過移動通信網絡獲取數據中心的差分數據，使手持差分定位設備得到高精度的定位數據，從而實現農田信息的精準測量。基于北斗差分技術的農田信息監測示意圖如圖2所示。

圖2 基于北斗差分技術的農田信息監測示意圖

三、“北斗+”應用于農業產業化

通過北斗與其他技術的融合應用，“北斗+”可將衛星導航技術融合衛星遙感技術、大數據融合處理技術、信息通信技術以及互聯網、物聯網平臺，創造新的發展生態。

“北斗+遙感”是北斗衛星和遙感衛星的綜合應用，遙感衛星是提供空間信息的數據源，是信息采集和數據獲取的基礎，北斗導航系統可獲取精確的空間位置信息和時間信息，可對遙感圖像顯示的內容進行準確定位，二者與地理信息系統有機結合，形成一個動態的、可視的、不斷更新的、通過計算機網絡能夠傳輸的、三維立體的、不同地域、行業和層次都可以使用的綜合信息管理平臺。“北斗+遙感”農業綜合應用場景示意圖如圖3所示。

圖3 “北斗+遙感”農業綜合應用示意圖

“北斗+遙感”綜合信息管理平臺是針對當前農作物數據統計、分析、決策支持需求設計的高分辨率衛星遙感影像應用系統，“北斗+遙感”農業綜合信息管理平臺如圖4所示。以北斗衛星導航系統以及網絡通信技術為基礎，結合地面監測系統獲取準確、及時、全面的作物生產信息，通過對歷年遙感、氣象、農事等信息的綜合分析，實現對農情、農事的精準管理，可大大節省用于生產的人力、物力投入，為農機調度和農業生產提供有利的數據支撐和決策支持。主要遙感數據服務包括：土地利用專題服務、土壤肥力監測專題服務、作物種植格局專題服務、農情災害監測、農業作物長勢監測服務、農作物產量預估等，“北斗+遙感”農業監測專題圖如圖5所示。系統能夠面向農業生產的“產前、產中、產后”各環節，及時準確地獲取、處理衛星遙感影像。在農業資源調查、土地利用現狀分析、產量估算、農業投保理賠等方面提供全方位的數據管理、數據分析和成果的生成與可視化輸出。目前此系統已經在黑龍江、新疆、河北、江蘇等地廣泛應用。

圖4 “北斗+遙感”農業綜合信息管理平臺

四、基于北斗的天地一體化現代農業應用

黨的十九大報告提出實施鄉村振興戰略，構建現代農業產業體系、生產體系、經營體系。通過利用北斗固有的時空特性推進“現代農業三大體系”的建設工作，建立以北斗為核心的新型農業天空地一體化生態圈，可以實現農業的立體態勢感知、精準決策控制、完備管理服務。打通企業在農作物的種植、收獲、加工、倉儲、物流、銷售各環節監管，實現星與物、人與物、物與物互聯互通，促使中國農業進入智能化、信息化和智慧化的新時代。新型農業產業生態圈構想如圖6所示。

圖6 新型農業產業生態圈構想圖

1. 新型基礎設施建設，為農業生態圈提供能源動力

2020年3月4日，我國提出“加快推進國家規劃已明確的重大工程和基礎設施建設，加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度”。地面基礎設施和衛星通信、衛星導航、衛星遙感等空間基礎設施的有效融合，可以構建全國范圍、天地一體的農業應用“一張圖”，推進數據在農業領域的匯聚和共享協同。

2. “北斗+”融合新手段，為農業全產業鏈生態圈搭建聯通橋梁

通過將北斗融合遙感、物聯網、互聯網、大數據和云計算等技術，即可以發揮衛星技術優勢，實現農業資源監測、作物監測、災害監測、精細作業；發揮物聯網優勢，實現農作物集智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理于一體；發揮互聯網優勢，實現涉農電子商務、直播帶貨銷售新模式；發揮大數據和云計算優勢，實現空間數據、動態數據、自然資源數據、社會資源數據等公共基礎數據的智能化供應與管理，以上技術融合為實現星地聯動、物物聯通提供堅實基礎，最終形成一種“你就是我，我就是你”的新經濟形態，對整個農業經濟、社會、文化、生態各方面帶來深刻的變革。

3. 建立智慧農業全新的服務運營模式，實現農業生態圈持續健康運行

發展智慧農業除了依托先進的科學技術，實現全產業鏈條的互融互通、智能化健康發展，還要依托國家的宏觀政策和保障體系，建立智慧農業全新的服務運營模式，實現智慧農業運營服務，要以人為本、以市場為導向、以產品為基本單元，新型農業產業土地一體化生態體系服務運營模式如圖7所示。

圖7 新型農業產業土地一體化生態服務運營模式

通過北斗和遙感衛星、物聯網傳感器、視頻監控等基礎設施感知各類農業數據，經網絡傳輸，將從基礎設施層采集到的多源異構數據進行統一的分類存儲與管理、分布式并行計算等數據處理后，為基于數據的生態圈應用服務和大數據發掘提供及時有效的數據支撐。生態圈的生產領域指農業生產過程中涉及到的各類活動，如農技支持、智能大棚/溫室/倉儲、農機管理、農情監測等旨在提高耕種效率、降低成本、促進農民增產增收的應用服務。生態圈的監管領域是政府部門主導對農業各領域開展的監督指導類活動，如農業資訊、農資安全執法、農產品安全、精準扶貧、農人管理、土地產權交易等活動，通過專業的指導和智能化的監管手段，引導農民脫貧致富，保障全產業鏈健康有序發展。生態圈的經營領域指社會各界圍繞涉農產品這一核心開展的各類活動，如農產品深加工、涉農電子商務（農產品、農機、種子、化肥等）、都市涉農旅游等活動， 為農民、消費者、涉農企業帶來更大商機、更多實惠。

五、結論

當前是我國全面建成小康社會目標、全面打贏脫貧攻堅戰和實現鄉村振興戰略的關鍵時期。借助北斗三號衛星全球組網完成的重大時機，應以衛星應用、物聯網、互聯網、云計算、電子商務等信息化為載體，實現星地聯動，全力打造基于北斗的現代農業新模式，促進現代農業提質增效，提高單位土地產出效益，促使農業從低端產品向高端品牌邁進，促進我國現代農業高質量發展，真正實現強農富農惠農。