精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系分析與展望

周俊池

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

0 引言

近年來(lái)，農(nóng)業(yè)得到了飛速的發(fā)展并逐漸趨向產(chǎn)業(yè)化，糧食安全與人類和環(huán)境的關(guān)系由于不同技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)生了翻天覆地的變化[1]。在這方面，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)利用化石燃料的使用和投入來(lái)維持農(nóng)業(yè)成果的產(chǎn)出，如化肥、農(nóng)藥、除草劑以及高能耗高污染的農(nóng)業(yè)機(jī)械。盡管應(yīng)用此類技術(shù)和手段在一定程度上明顯提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率，但它們破壞了延續(xù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)所依賴的多種自然資源，隨即也引發(fā)了諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)，如農(nóng)作物減產(chǎn)、養(yǎng)分利用效率低下、水土流失、土壤板結(jié)、土壤生產(chǎn)力降低、水體富營(yíng)養(yǎng)化、農(nóng)藥抗性、耕地面積縮小等[2-3]。這些問(wèn)題引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，也一直是農(nóng)業(yè)研究的熱門(mén)話題。

因此，在生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等方面，迫切需要發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)措施。隨著農(nóng)業(yè)信息化的推進(jìn)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)也開(kāi)始深入改革，同時(shí)，眾多學(xué)者也致力于開(kāi)發(fā)一種可以維持土地質(zhì)量的、能夠保持和擴(kuò)大生產(chǎn)潛力的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)方式，能夠高效地利用有限的資源，節(jié)能減排和維持生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)，成為一種很好的選擇，而精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是一種很好的選擇[4]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)低能耗、高效率、品質(zhì)優(yōu)良、環(huán)保安全的重要途徑，也是全球農(nóng)業(yè)科技革命的方向，更是我國(guó)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的有效途徑[5]。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方法相比，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)致力于技術(shù)研究生產(chǎn)糧食，以滿足世界各地的糧食需要，減少環(huán)境對(duì)其不利的影響。

1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵

精確農(nóng)業(yè)(precision agriculture)又稱精確農(nóng)業(yè)或精細(xì)農(nóng)業(yè)，不同學(xué)者對(duì)其定義不盡相同[6-7]，目前被普遍接受的含義是通過(guò)現(xiàn)代高新信息技術(shù)和農(nóng)業(yè)技術(shù)，根據(jù)特殊場(chǎng)所的詳情，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源綜合利用，并準(zhǔn)確、高效地以田間為基礎(chǔ)。各部分的土壤、作物的特點(diǎn)調(diào)整了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和管理措施，從而提高了作物產(chǎn)量和質(zhì)量，最大程度地提高了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低耗能的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[8]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)所隱含的原理是僅在作物生產(chǎn)最需要的時(shí)間和地點(diǎn)投入生產(chǎn)所需要的資源，減少不必要的浪費(fèi)，做到低投入高回報(bào)[9-10]。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是一種基于多種技術(shù)工具（如全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和遙感等）綜合集成的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)，它將信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合，并試圖根據(jù)實(shí)際農(nóng)田的種植需求提供合理數(shù)量和適當(dāng)類型的資源投入。同樣，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)也被認(rèn)為是基于信息技術(shù)的農(nóng)田管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)專注特定地點(diǎn)的生產(chǎn)管理，用于確定、分析和管理農(nóng)田種植系統(tǒng)內(nèi)部的變化，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田系統(tǒng)的盈利、可持續(xù)性[11]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提出了可持續(xù)利用農(nóng)業(yè)資源的新概念，并被定義為一種管理概念，它結(jié)合了通信和信息技術(shù)來(lái)管理農(nóng)場(chǎng)的時(shí)空變化[12]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的目標(biāo)是收集和分析有關(guān)土壤和作物狀況變化的信息，以便在農(nóng)田的小區(qū)域內(nèi)最大化農(nóng)資投入的效率。

2 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的意義

眾多研究評(píng)估了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)它不僅可以降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的成本，而且還可以提高作物產(chǎn)量。此外，僅在需要的地方準(zhǔn)確施用化學(xué)藥品和肥料，可以減少農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)地下水和地表水的污染[13]。準(zhǔn)確的機(jī)械引導(dǎo)系統(tǒng)可以提高效率，為農(nóng)民帶來(lái)可觀的回報(bào)。Takacs-G et al[14]研究發(fā)現(xiàn)精準(zhǔn)的自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以通過(guò)減少重復(fù)以及增加操作的及時(shí)性（如在晚上噴灑農(nóng)藥）為農(nóng)民節(jié)省5%～15%的投入成本（燃料、農(nóng)藥和肥料）。提高產(chǎn)量、改善經(jīng)濟(jì)和補(bǔ)償成本被視為應(yīng)用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[14]。除了經(jīng)濟(jì)效益外，還必須考慮環(huán)境利益，例如減少溫室氣體排放以及化肥和農(nóng)藥引起的污染等[15]。通過(guò)減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和農(nóng)藥等的過(guò)量使用，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可以提高農(nóng)民的收入，并減少農(nóng)用化學(xué)品對(duì)地下水或地表水的污染[16]。

Anton J et al[17]表示精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)除了對(duì)生產(chǎn)者的收入以及生態(tài)環(huán)境有明顯的作用以外，它還能夠?qū)蜆I(yè)機(jī)會(huì)和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的社會(huì)效應(yīng)，如提供咨詢服務(wù)、售后支持服務(wù)、專用工具等，特別是農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)場(chǎng)規(guī)模分布。國(guó)外的Swinton S et al[18]曾經(jīng)研究表明精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可以帶來(lái)約57%的利潤(rùn)。還有研究發(fā)現(xiàn)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)由于產(chǎn)量增加和成本降低而使農(nóng)場(chǎng)獲利，同時(shí)財(cái)務(wù)管理的改進(jìn)能夠促使風(fēng)險(xiǎn)管理得以改善以及農(nóng)場(chǎng)管理能力得到提高[19]。提高生產(chǎn)率、利潤(rùn)率和可持續(xù)性，改善產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品管理，保護(hù)土壤、水和能源，提升生產(chǎn)效率，將環(huán)境影響和風(fēng)險(xiǎn)降至最低是為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性。

3 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)并不是一個(gè)全新的概念，早在幾十年前，牧民每年都要去自己管轄的草場(chǎng)視察，并根據(jù)牧場(chǎng)的實(shí)際情況有針對(duì)性的在草皮較差的地區(qū)播撒種子和肥料。這是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)最初的簡(jiǎn)單體現(xiàn)，但是這種行為完全取決于農(nóng)民的經(jīng)驗(yàn)，在大多數(shù)情況下，農(nóng)民的主觀因素嚴(yán)重影響著最終的收成。而且，這種農(nóng)業(yè)行為會(huì)受到天氣、氣候等不利的環(huán)境條件影響。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的概念越來(lái)越受到人們的認(rèn)可和追捧，其理論也相對(duì)更加系統(tǒng)和完善。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究曾做出細(xì)致的討論，如謝海軍等[20]人和Prost L et al[21]研究了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的理論體系，陳戀、董柳柳、何友鑄等[22-24]人討論了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)應(yīng)用。但是整體來(lái)看，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是一個(gè)循環(huán)優(yōu)化過(guò)程，其中必須從現(xiàn)場(chǎng)收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和評(píng)估，最后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管理實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的應(yīng)用決策。我國(guó)自古以來(lái)就是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展緊密相關(guān)。新時(shí)期，黨的十八大提出了“四化同步推進(jìn)”的新要求，并制定了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的新目標(biāo)，對(duì)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施提出了更高的要求。因此，了解目前國(guó)內(nèi)外精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究現(xiàn)狀、問(wèn)題與不足，對(duì)我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究、應(yīng)用與發(fā)展具有極其重要的作用。本節(jié)就精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的一般過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)闡述。

3.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的前提和基礎(chǔ)就是獲得客觀的真實(shí)數(shù)據(jù)，并將它存儲(chǔ)起來(lái)用于進(jìn)行作物管理和決定評(píng)估，以便為未來(lái)農(nóng)業(yè)活動(dòng)作出決策。本小節(jié)重點(diǎn)介紹了全球地理位置信息采集系統(tǒng)，用于收集農(nóng)田信息，以及在種植和收獲農(nóng)作物期間使用的產(chǎn)量監(jiān)測(cè)技術(shù)。

3.1.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System,GPS)

全球定位系統(tǒng)是利用地球上空通訊衛(wèi)星連續(xù)和準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)，通過(guò)地面接收系統(tǒng)把野外的數(shù)據(jù)記錄成地理編碼，從而使目標(biāo)全天候和高精度地對(duì)其進(jìn)行定位[25]。該技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用很廣，因?yàn)樗芗皶r(shí)精確、有效地獲取與農(nóng)業(yè)資源有關(guān)的空間信息，從宏觀上實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源全面的調(diào)配和監(jiān)管，確保最大限度地實(shí)現(xiàn)。一般應(yīng)用如下：根據(jù)GPS位置準(zhǔn)確報(bào)道作物的產(chǎn)量，對(duì)土地資源的使用狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，對(duì)田地土壤中含量的分布和分布進(jìn)行調(diào)查[26-27]。GPS接收器和產(chǎn)量監(jiān)測(cè)器共同提供空間坐標(biāo)產(chǎn)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以生成不同字段的產(chǎn)量圖；整合了不同的衛(wèi)星所收集到的數(shù)據(jù)，并在其協(xié)助下進(jìn)行。建立現(xiàn)場(chǎng)管理戰(zhàn)略，用于化肥施用、品種栽培、作物收獲。將全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，使得精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在特定地點(diǎn)的開(kāi)發(fā)和實(shí)施成為可能。基于GPS的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已成功應(yīng)用于農(nóng)業(yè)規(guī)劃、田間制圖、土壤采樣、農(nóng)業(yè)機(jī)械引導(dǎo)、產(chǎn)量制圖等方面[28]。

3.1.2 遙感（Remote Sensing,RS）

遙感技術(shù)（RS）指的是在傳感器沒(méi)有與物體直接接觸的情況下，檢測(cè)和識(shí)別電磁能，準(zhǔn)確獲取各種實(shí)地信息[29]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的遙感應(yīng)用是通過(guò)安裝在衛(wèi)星、飛機(jī)或地面設(shè)備上的傳感器收集和分析有關(guān)作物和土壤特性的信息[30]，獲取農(nóng)田時(shí)空變化信息，預(yù)測(cè)農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)準(zhǔn)確預(yù)警農(nóng)情[31]。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，最常用的遙感包括光學(xué)遙感和熱學(xué)遙感。光學(xué)遙感是利用可見(jiàn)光，通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域表面反射的能量來(lái)創(chuàng)建地球表面的圖像[32]，已經(jīng)成功的應(yīng)用于估算各種植物參數(shù)，例如葉面積、植物覆蓋、生物量、葉綠素含量等。光學(xué)遙感最大的缺點(diǎn)是這些變量響應(yīng)較慢，通常僅在植物出現(xiàn)明顯的脅迫損害后才進(jìn)行調(diào)整。相比之下，通過(guò)熱傳感器檢測(cè)的表面溫度是監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)和脅迫的相關(guān)變量[33-34]。熱學(xué)遙感是測(cè)量從物體表面發(fā)出的輻射并將其轉(zhuǎn)換為溫度而不建立與物體直接接觸的過(guò)程。通常，作物冠層表面溫度是蒸騰速率的函數(shù)，而它本身又是大氣蒸發(fā)和作物可用土壤水分狀況的函數(shù)。作物中的壓力（即水、雜草、養(yǎng)分）會(huì)影響其冠層溫度，可以在關(guān)鍵的階段對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，以用于規(guī)劃、管理和優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和投入[35]。此外，最新的多源遙感技術(shù)聯(lián)合使用開(kāi)展實(shí)時(shí)實(shí)地監(jiān)控，還提供了廣泛的潛在應(yīng)用，包括檢測(cè)作物壓力、了解農(nóng)作物的分布狀況、監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)病蟲(chóng)草害等[36-37]，不僅為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理部門(mén)及時(shí)提供準(zhǔn)確的信息，也有效預(yù)防和降低病蟲(chóng)害所導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失[38]。

3.1.3 產(chǎn)量監(jiān)控（Yield Monitor,YM）

產(chǎn)量監(jiān)測(cè)技術(shù)用來(lái)監(jiān)控農(nóng)作物在種植和收獲過(guò)程中的產(chǎn)量，從而對(duì)整個(gè)農(nóng)田進(jìn)行產(chǎn)量的預(yù)估。產(chǎn)量監(jiān)測(cè)技術(shù)通常與全球定位系統(tǒng)產(chǎn)量監(jiān)測(cè)器結(jié)合，收集作物在特定時(shí)期的表現(xiàn)，如作物密度、水份含量和覆蓋范圍以及地區(qū)等。就目前來(lái)說(shuō)，比較成功的實(shí)驗(yàn)是小麥氮素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)這種技術(shù)的研究，小麥的最佳氮肥施用可以極大地減少農(nóng)民氮肥的使用，實(shí)現(xiàn)小麥的需求與氮肥的同步，實(shí)現(xiàn)了氮肥的供應(yīng)。既提高產(chǎn)量，又提高養(yǎng)分的利用率，保護(hù)生態(tài)環(huán)境[39-40]。此外，市場(chǎng)上比較流行的還包括棉花、花生、甜菜等作物產(chǎn)量監(jiān)測(cè)儀。馬鑫等[41]人把產(chǎn)量監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到作物收割機(jī)中，借助GPS系統(tǒng)來(lái)確定農(nóng)業(yè)機(jī)械位置、收割機(jī)速度、收割幅度和籽粒流量對(duì)田地區(qū)產(chǎn)量進(jìn)行了精確的評(píng)估。產(chǎn)量監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)推動(dòng)了農(nóng)作物收獲機(jī)械產(chǎn)量監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，使作物在收獲期間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的產(chǎn)量監(jiān)測(cè)，使作物在收獲期實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、智能和信息化，為作物產(chǎn)量進(jìn)一步監(jiān)測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

Li X et al[42]表示，目前所有GNSS都使用70顆以上的衛(wèi)星，但是當(dāng)所有四個(gè)系統(tǒng)（GPS、GLONASS、Galileo和北斗）全部部署完畢時(shí)，數(shù)目將達(dá)到120顆衛(wèi)星，對(duì)于農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的采集是一個(gè)極大的利好。而且，隨著我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的全面運(yùn)行，我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展將迎來(lái)新一輪的契機(jī)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的信息化發(fā)展將更加深入。

3.2 數(shù)據(jù)分析技術(shù)

農(nóng)業(yè)的發(fā)展日趨復(fù)雜，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的推廣與實(shí)施更是讓農(nóng)民獲得了大量數(shù)據(jù)，對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集完畢并初步加工后，接下來(lái)就是對(duì)數(shù)據(jù)分析和評(píng)估，這些技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛、變量眾多，從簡(jiǎn)單的基于計(jì)算機(jī)的決策模型到復(fù)雜的農(nóng)場(chǎng)管理和信息系統(tǒng)。

通常，初步獲取的數(shù)據(jù)數(shù)量眾多，如果要準(zhǔn)確理解其含義，則必須對(duì)所有收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋，而這需要現(xiàn)有的技術(shù)或新開(kāi)發(fā)的方法來(lái)完成。統(tǒng)計(jì)學(xué)基于所謂的“區(qū)域變量理論”，可以對(duì)簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)信息形成一個(gè)初步的范圍和分布，進(jìn)一步處理可以構(gòu)建出特定農(nóng)田系統(tǒng)的本地地圖。如果這些數(shù)據(jù)滿足長(zhǎng)期的連貫性，那么這些分析所得的數(shù)據(jù)可以為農(nóng)作物的分析和管理開(kāi)辟新的可能性。數(shù)據(jù)分析的目的是定義可以共同管理的具有相同特征的領(lǐng)域。管理區(qū)的劃界應(yīng)該滿足地區(qū)的均質(zhì)性，進(jìn)而對(duì)相同的區(qū)域可以以相同的方式管理和實(shí)踐，大大省去了農(nóng)業(yè)管控的成本和環(huán)節(jié)。

Burrough et al[43]將地理信息系統(tǒng)（GIS）定義為功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件工具平臺(tái)，一般包括：以數(shù)字形式存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)，管理數(shù)據(jù)并將其集成到GIS系統(tǒng)，以所需格式檢索和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為目標(biāo)信息，信息管理和決策。GIS技術(shù)在過(guò)去幾十年得到了飛速發(fā)展，如今已被視為潛在的基于地理信息技術(shù)的空間數(shù)據(jù)分析和管理工具，在自然資源管理、環(huán)境保護(hù)、區(qū)域規(guī)劃和城市開(kāi)發(fā)以及公共事業(yè)管理方面發(fā)揮著重要作用[44-45]。GIS在農(nóng)業(yè)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括地圖測(cè)繪、農(nóng)林資源管理、土地資源管理、耕地評(píng)價(jià)、農(nóng)田污染評(píng)價(jià)[46-47]。對(duì)具體的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言，通過(guò)GIS獲得的高光譜和多光譜圖像對(duì)于分析作物健康和土壤濕度具有重要作用。此外，GIS支持對(duì)化肥使用、農(nóng)藥管理、作物逆境測(cè)繪和農(nóng)田灌溉進(jìn)行高水平的分析與決策，從而高效解決農(nóng)業(yè)問(wèn)題[48]，并且將農(nóng)業(yè)屬性與GIS、RS等多技術(shù)結(jié)合使用，可從根本上提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力[49]。

3.3 精準(zhǔn)決策技術(shù)

精確決策技術(shù)是指在收集到有關(guān)農(nóng)田的全面狀況（使用數(shù)據(jù)采集技術(shù)）后進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗图庸ぃ〝?shù)據(jù)分析技術(shù)），這些數(shù)據(jù)必須分析才能得出最佳的作物管理決策方案（精準(zhǔn)決策技術(shù)）。成功的關(guān)鍵在于及時(shí)獲取信息和精心制定決策。農(nóng)業(yè)上應(yīng)用比較普遍的有決策支持系統(tǒng)（DSS）和可變量技術(shù)（VRT）等。

決策支持系統(tǒng)（DSS）是基于計(jì)算機(jī)來(lái)支持農(nóng)業(yè)決策的系統(tǒng)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)與農(nóng)民的決策直接相關(guān)。在農(nóng)業(yè)中，它可以替農(nóng)民為農(nóng)場(chǎng)管理做出正確的決定，因此可以將其描述為將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為決策的大腦[50]。ArnóSatorra J et al[51]曾經(jīng)試圖在巴基斯坦大力發(fā)展DDS，但是由于經(jīng)濟(jì)和科技的限制一直停滯不前。Kitchen N et al[52]指出在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的過(guò)程中準(zhǔn)確的作物模型有助于DSS的成功研發(fā)。

除了DDS以外，農(nóng)場(chǎng)管理信息系統(tǒng)（FMIS）也具有不錯(cuò)的應(yīng)用。FMIS被定義為有目的的系統(tǒng)，用于收集、處理、存儲(chǔ)和分發(fā)以執(zhí)行農(nóng)田操作和功能所需要的特定形式的數(shù)據(jù)[53]。FMIS的基本組件包括面向農(nóng)民的設(shè)計(jì)、專用的用戶界面、自動(dòng)數(shù)據(jù)處理功能、專家知識(shí)以及標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)通信。由于農(nóng)業(yè)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它包含了農(nóng)民、貿(mào)易商、政府機(jī)構(gòu)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、環(huán)境法規(guī)、經(jīng)濟(jì)成本等之間的許多相互作用。為了提高系統(tǒng)的功能性，已經(jīng)提出了各種數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)提高FMIS的適應(yīng)性和兼容性[54]。FMIS也涵蓋了許多功能，如庫(kù)存、記事、營(yíng)銷、特定時(shí)刻和位置的管理功能，并且也在不斷地修改和完善[55]。就當(dāng)前的發(fā)展而言，F(xiàn)MIS已經(jīng)可以成功用于作物監(jiān)測(cè)，農(nóng)田或農(nóng)場(chǎng)的全面管理，如計(jì)劃灌溉、噴霧調(diào)整以及準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)等。

可變量技術(shù)（VRT）是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備中一種能實(shí)時(shí)改變并自動(dòng)調(diào)整的高效工具，其核心是“實(shí)時(shí)問(wèn)診，對(duì)癥下藥，差異對(duì)待，精準(zhǔn)調(diào)校”[56]。因此，它可以在化肥、農(nóng)藥等田間噴施，大大提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率。可變量技術(shù)通常包括四個(gè)部分，即完成信息處理與加工的控制器、定位坐標(biāo)與引導(dǎo)田間定位系統(tǒng)、提前探測(cè)和及時(shí)提供信息的傳感器、精確作業(yè)的可變量施用裝置，其中還包括農(nóng)耕、施肥和農(nóng)業(yè)化等設(shè)備[57]。當(dāng)前比較流行的是使用各種來(lái)源收集的數(shù)據(jù)（如GPS數(shù)據(jù)、RS圖像和GIS生成的圖形）基于合理的農(nóng)藝學(xué)原理制定特定地點(diǎn)的實(shí)施計(jì)劃，幫助農(nóng)民減少不必要的投入，從而降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。同時(shí)還能對(duì)預(yù)先獲取的地圖信息或通過(guò)傳感器“隨時(shí)隨地”收集的信息做出調(diào)整，更改反饋速率[58]。Hatfield J L[59]研究發(fā)現(xiàn)，采用變量施藥方法可減少約50%除草劑的施用，陳勇[60]研究發(fā)現(xiàn)，使用自動(dòng)除草機(jī)器人對(duì)雜草進(jìn)行切割，再往野草切口涂除草劑，可節(jié)約農(nóng)藥消耗90%左右。

4 完善精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的對(duì)策與展望

基于當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化信息化發(fā)展的現(xiàn)狀，以及農(nóng)業(yè)主體經(jīng)營(yíng)的改變和農(nóng)田用電率較低的問(wèn)題，從我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)市場(chǎng)的潛力和發(fā)展情況可以看到，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的市場(chǎng)有著巨大的潛力。因此，應(yīng)根據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的實(shí)際問(wèn)題，走上具有中國(guó)特色的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展道路，實(shí)現(xiàn)中國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。具體地說(shuō)，我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)與理論制度需要進(jìn)一步完善與發(fā)展，在理論指導(dǎo)、人才培養(yǎng)、技術(shù)發(fā)展和實(shí)踐應(yīng)用等方面還有待進(jìn)一步提升。

1）我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究起步晚，發(fā)展緩慢，尚缺乏系統(tǒng)成熟的理論體系。因此，應(yīng)充分利用通過(guò)GNSS數(shù)據(jù)分析給定區(qū)域的變量的產(chǎn)量監(jiān)測(cè)技術(shù)，例如作物產(chǎn)量和水分含量，從而對(duì)預(yù)期的農(nóng)作物產(chǎn)量進(jìn)行合理的評(píng)估，有利于政府部門(mén)積極地對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整和應(yīng)對(duì)。

2）制約我國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的因素眾多，如地形復(fù)雜、基礎(chǔ)建設(shè)落后、信息化程度不高。可變量技術(shù)可以控制對(duì)農(nóng)作物的成本和能源的投入，但是它容易受到土壤類型，天氣狀況和地形特點(diǎn)等不利因素的影響。因此，未來(lái)的研究應(yīng)該致力于開(kāi)發(fā)出更加穩(wěn)定、更加實(shí)用、可以應(yīng)對(duì)各種情形的變量技術(shù)，使之應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械中，成為我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的強(qiáng)勁的助推劑。

3）信息數(shù)字化是未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，如果農(nóng)業(yè)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，那么科學(xué)家和農(nóng)民可以更加方便地獲得農(nóng)作物、土壤狀況、氣候條件、植被狀況等信息，模擬實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)而制定可持續(xù)發(fā)展對(duì)策。隨著全球信息化的深化和GPS、GIS、RS技術(shù)日趨成熟，同時(shí)也在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展中展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，多種技術(shù)聯(lián)合使用是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié)論

農(nóng)業(yè)發(fā)展目前存在著雙重的矛盾，既要擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)來(lái)滿足人口不斷增長(zhǎng)的需求，又要同時(shí)推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保效益，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保效益的雙重發(fā)展。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)與發(fā)展，可以很好地化解兩者之間的矛盾，更是中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。將農(nóng)業(yè)建設(shè)和多種高科技聯(lián)合運(yùn)用并貫穿精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，可以有效地提高我國(guó)現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，實(shí)現(xiàn)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。