精準農業技術體系分析與展望

周俊池

(湖南農業大學機電工程學院，湖南 長沙 410128）

0 引言

近年來，農業得到了飛速的發展并逐漸趨向產業化，糧食安全與人類和環境的關系由于不同技術的應用而發生了翻天覆地的變化[1]。在這方面，傳統農業系統強調利用化石燃料的使用和投入來維持農業成果的產出，如化肥、農藥、除草劑以及高能耗高污染的農業機械。盡管應用此類技術和手段在一定程度上明顯提高了農業生產率，但它們破壞了延續農業系統所依賴的多種自然資源，隨即也引發了諸多問題與挑戰，如農作物減產、養分利用效率低下、水土流失、土壤板結、土壤生產力降低、水體富營養化、農藥抗性、耕地面積縮小等[2-3]。這些問題引起了國內外的廣泛關注，也一直是農業研究的熱門話題。

因此，在生產、經濟、生態環境等方面，迫切需要發展可持續農業措施。隨著農業信息化的推進，傳統農業也開始深入改革，同時，眾多學者也致力于開發一種可以維持土地質量的、能夠保持和擴大生產潛力的可持續發展農業方式，能夠高效地利用有限的資源，節能減排和維持生態系統的服務，成為一種很好的選擇，而精準農業是一種很好的選擇[4]。精準農業是實現農業低能耗、高效率、品質優良、環保安全的重要途徑，也是全球農業科技革命的方向，更是我國實現農業現代化的有效途徑[5]。與傳統農業方法相比，精準農業致力于技術研究生產糧食，以滿足世界各地的糧食需要，減少環境對其不利的影響。

1 精準農業的內涵

精確農業(precision agriculture)又稱精確農業或精細農業，不同學者對其定義不盡相同[6-7]，目前被普遍接受的含義是通過現代高新信息技術和農業技術，根據特殊場所的詳情，實現農業資源綜合利用，并準確、高效地以田間為基礎。各部分的土壤、作物的特點調整了農業生產方式和管理措施，從而提高了作物產量和質量，最大程度地提高了農業的生產，實現了優質、高產和低耗能的農業可持續發展[8]。精準農業所隱含的原理是僅在作物生產最需要的時間和地點投入生產所需要的資源，減少不必要的浪費，做到低投入高回報[9-10]。

精準農業是一種基于多種技術工具（如全球定位系統、地理信息系統和遙感等）綜合集成的農業信息系統，它將信息技術與農業生產技術相結合，并試圖根據實際農田的種植需求提供合理數量和適當類型的資源投入。同樣，精準農業也被認為是基于信息技術的農田管理系統，該系統專注特定地點的生產管理，用于確定、分析和管理農田種植系統內部的變化，以實現農田系統的盈利、可持續性[11]。精準農業提出了可持續利用農業資源的新概念，并被定義為一種管理概念，它結合了通信和信息技術來管理農場的時空變化[12]。精準農業的目標是收集和分析有關土壤和作物狀況變化的信息，以便在農田的小區域內最大化農資投入的效率。

2 精準農業的意義

眾多研究評估了精準農業技術的影響，發現它不僅可以降低農田生態系統的成本，而且還可以提高作物產量。此外，僅在需要的地方準確施用化學藥品和肥料，可以減少農業活動對地下水和地表水的污染[13]。準確的機械引導系統可以提高效率，為農民帶來可觀的回報。Takacs-G et al[14]研究發現精準的自動轉向系統可以通過減少重復以及增加操作的及時性（如在晚上噴灑農藥）為農民節省5%～15%的投入成本（燃料、農藥和肥料）。提高產量、改善經濟和補償成本被視為應用精準農業技術的優勢[14]。除了經濟效益外，還必須考慮環境利益，例如減少溫室氣體排放以及化肥和農藥引起的污染等[15]。通過減少營養物質和農藥等的過量使用，精準農業可以提高農民的收入，并減少農用化學品對地下水或地表水的污染[16]。

Anton J et al[17]表示精準農業除了對生產者的收入以及生態環境有明顯的作用以外，它還能夠對就業機會和農業結構產生巨大的社會效應，如提供咨詢服務、售后支持服務、專用工具等，特別是農村地區的農場規模分布。國外的Swinton S et al[18]曾經研究表明精準農業可以帶來約57%的利潤。還有研究發現，精準農業由于產量增加和成本降低而使農場獲利，同時財務管理的改進能夠促使風險管理得以改善以及農場管理能力得到提高[19]。提高生產率、利潤率和可持續性，改善產品質量、產品管理，保護土壤、水和能源，提升生產效率，將環境影響和風險降至最低是為了實現農業發展的環境和經濟可持續性。

3 精準農業技術的研究現狀

精準農業并不是一個全新的概念，早在幾十年前，牧民每年都要去自己管轄的草場視察，并根據牧場的實際情況有針對性的在草皮較差的地區播撒種子和肥料。這是精準農業最初的簡單體現，但是這種行為完全取決于農民的經驗，在大多數情況下，農民的主觀因素嚴重影響著最終的收成。而且，這種農業行為會受到天氣、氣候等不利的環境條件影響。隨著科學技術的發展，精準農業的概念越來越受到人們的認可和追捧，其理論也相對更加系統和完善。雖然國內外對于精準農業的研究曾做出細致的討論，如謝海軍等[20]人和Prost L et al[21]研究了精準農業的理論體系，陳戀、董柳柳、何友鑄等[22-24]人討論了精準農業的技術應用。但是整體來看，精準農業是一個循環優化過程，其中必須從現場收集數據，進行分析和評估，最后對現場管理實現準確的應用決策。我國自古以來就是一個農業大國，農業發展對于我國經濟和社會的發展緊密相關。新時期，黨的十八大提出了“四化同步推進”的新要求，并制定了農業現代化的新目標，對于精準農業的實施提出了更高的要求。因此，了解目前國內外精準農業的研究現狀、問題與不足，對我國精準農業的研究、應用與發展具有極其重要的作用。本節就精準農業實施的一般過程進行系統闡述。

3.1 數據采集技術

精準農業的前提和基礎就是獲得客觀的真實數據，并將它存儲起來用于進行作物管理和決定評估，以便為未來農業活動作出決策。本小節重點介紹了全球地理位置信息采集系統，用于收集農田信息，以及在種植和收獲農作物期間使用的產量監測技術。

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

全球定位系統是利用地球上空通訊衛星連續和準確獲取數據，通過地面接收系統把野外的數據記錄成地理編碼，從而使目標全天候和高精度地對其進行定位[25]。該技術在農業領域的應用很廣，因為它能及時精確、有效地獲取與農業資源有關的空間信息，從宏觀上實現農業資源全面的調配和監管，確保最大限度地實現。一般應用如下：根據GPS位置準確報道作物的產量，對土地資源的使用狀況進行動態監控，對田地土壤中含量的分布和分布進行調查[26-27]。GPS接收器和產量監測器共同提供空間坐標產量監測數據，可以生成不同字段的產量圖；整合了不同的衛星所收集到的數據，并在其協助下進行。建立現場管理戰略，用于化肥施用、品種栽培、作物收獲。將全球定位系統和地理信息系統結合起來，使得精準農業在特定地點的開發和實施成為可能。基于GPS的精準農業已成功應用于農業規劃、田間制圖、土壤采樣、農業機械引導、產量制圖等方面[28]。

3.1.2 遙感（Remote Sensing,RS）

遙感技術（RS）指的是在傳感器沒有與物體直接接觸的情況下，檢測和識別電磁能，準確獲取各種實地信息[29]。精準農業中的遙感應用是通過安裝在衛星、飛機或地面設備上的傳感器收集和分析有關作物和土壤特性的信息[30]，獲取農田時空變化信息，預測農作物產量的同時準確預警農情[31]。在農業領域，最常用的遙感包括光學遙感和熱學遙感。光學遙感是利用可見光，通過檢測目標區域表面反射的能量來創建地球表面的圖像[32]，已經成功的應用于估算各種植物參數，例如葉面積、植物覆蓋、生物量、葉綠素含量等。光學遙感最大的缺點是這些變量響應較慢，通常僅在植物出現明顯的脅迫損害后才進行調整。相比之下，通過熱傳感器檢測的表面溫度是監測作物生長和脅迫的相關變量[33-34]。熱學遙感是測量從物體表面發出的輻射并將其轉換為溫度而不建立與物體直接接觸的過程。通常，作物冠層表面溫度是蒸騰速率的函數，而它本身又是大氣蒸發和作物可用土壤水分狀況的函數。作物中的壓力（即水、雜草、養分）會影響其冠層溫度，可以在關鍵的階段對其進行測量，以用于規劃、管理和優化農業生產和投入[35]。此外，最新的多源遙感技術聯合使用開展實時實地監控，還提供了廣泛的潛在應用，包括檢測作物壓力、了解農作物的分布狀況、監測農作物生長、及時發現病蟲草害等[36-37]，不僅為農業生產管理部門及時提供準確的信息，也有效預防和降低病蟲害所導致的經濟損失[38]。

3.1.3 產量監控（Yield Monitor,YM）

產量監測技術用來監控農作物在種植和收獲過程中的產量，從而對整個農田進行產量的預估。產量監測技術通常與全球定位系統產量監測器結合，收集作物在特定時期的表現，如作物密度、水份含量和覆蓋范圍以及地區等。就目前來說，比較成功的實驗是小麥氮素的實時監測技術，通過這種技術的研究，小麥的最佳氮肥施用可以極大地減少農民氮肥的使用，實現小麥的需求與氮肥的同步，實現了氮肥的供應。既提高產量，又提高養分的利用率，保護生態環境[39-40]。此外，市場上比較流行的還包括棉花、花生、甜菜等作物產量監測儀。馬鑫等[41]人把產量監測技術應用到作物收割機中，借助GPS系統來確定農業機械位置、收割機速度、收割幅度和籽粒流量對田地區產量進行了精確的評估。產量監測設備的設計推動了農作物收獲機械產量監測技術的發展，使作物在收獲期間實現實時的產量監測，使作物在收獲期實現自動、智能和信息化，為作物產量進一步監測提供理論基礎。

Li X et al[42]表示，目前所有GNSS都使用70顆以上的衛星，但是當所有四個系統（GPS、GLONASS、Galileo和北斗）全部部署完畢時，數目將達到120顆衛星，對于農業數據的采集是一個極大的利好。而且，隨著我國北斗導航系統的全面運行，我國農業的發展將迎來新一輪的契機，精準農業的信息化發展將更加深入。

3.2 數據分析技術

農業的發展日趨復雜，精準農業的推廣與實施更是讓農民獲得了大量數據，對農田系統的實時數據采集完畢并初步加工后，接下來就是對數據分析和評估，這些技術的應用范圍十分廣泛、變量眾多，從簡單的基于計算機的決策模型到復雜的農場管理和信息系統。

通常，初步獲取的數據數量眾多，如果要準確理解其含義，則必須對所有收集的數據進行分析和解釋，而這需要現有的技術或新開發的方法來完成。統計學基于所謂的“區域變量理論”，可以對簡單的統計信息形成一個初步的范圍和分布，進一步處理可以構建出特定農田系統的本地地圖。如果這些數據滿足長期的連貫性，那么這些分析所得的數據可以為農作物的分析和管理開辟新的可能性。數據分析的目的是定義可以共同管理的具有相同特征的領域。管理區的劃界應該滿足地區的均質性，進而對相同的區域可以以相同的方式管理和實踐，大大省去了農業管控的成本和環節。

Burrough et al[43]將地理信息系統（GIS）定義為功能強大的計算機軟件工具平臺，一般包括：以數字形式存儲空間數據，管理數據并將其集成到GIS系統，以所需格式檢索和轉換數據，分析數據并轉換為目標信息，信息管理和決策。GIS技術在過去幾十年得到了飛速發展，如今已被視為潛在的基于地理信息技術的空間數據分析和管理工具，在自然資源管理、環境保護、區域規劃和城市開發以及公共事業管理方面發揮著重要作用[44-45]。GIS在農業中的主要應用領域包括地圖測繪、農林資源管理、土地資源管理、耕地評價、農田污染評價[46-47]。對具體的農業生產而言，通過GIS獲得的高光譜和多光譜圖像對于分析作物健康和土壤濕度具有重要作用。此外，GIS支持對化肥使用、農藥管理、作物逆境測繪和農田灌溉進行高水平的分析與決策，從而高效解決農業問題[48]，并且將農業屬性與GIS、RS等多技術結合使用，可從根本上提高農業生產力[49]。

3.3 精準決策技術

精確決策技術是指在收集到有關農田的全面狀況（使用數據采集技術）后進行適當的處理和加工（數據分析技術），這些數據必須分析才能得出最佳的作物管理決策方案（精準決策技術）。成功的關鍵在于及時獲取信息和精心制定決策。農業上應用比較普遍的有決策支持系統（DSS）和可變量技術（VRT）等。

決策支持系統（DSS）是基于計算機來支持農業決策的系統。精準農業與農民的決策直接相關。在農業中，它可以替農民為農場管理做出正確的決定，因此可以將其描述為將數據轉換為決策的大腦[50]。ArnóSatorra J et al[51]曾經試圖在巴基斯坦大力發展DDS，但是由于經濟和科技的限制一直停滯不前。Kitchen N et al[52]指出在精準農業實施的過程中準確的作物模型有助于DSS的成功研發。

除了DDS以外，農場管理信息系統（FMIS）也具有不錯的應用。FMIS被定義為有目的的系統，用于收集、處理、存儲和分發以執行農田操作和功能所需要的特定形式的數據[53]。FMIS的基本組件包括面向農民的設計、專用的用戶界面、自動數據處理功能、專家知識以及標準化的數據通信。由于農業是一個復雜的系統，它包含了農民、貿易商、政府機構、農業機械、環境法規、經濟成本等之間的許多相互作用。為了提高系統的功能性，已經提出了各種數據庫網絡結構和軟件體系結構提高FMIS的適應性和兼容性[54]。FMIS也涵蓋了許多功能，如庫存、記事、營銷、特定時刻和位置的管理功能，并且也在不斷地修改和完善[55]。就當前的發展而言，FMIS已經可以成功用于作物監測，農田或農場的全面管理，如計劃灌溉、噴霧調整以及準確的天氣預報等。

可變量技術（VRT）是現代農業機械設備中一種能實時改變并自動調整的高效工具，其核心是“實時問診，對癥下藥，差異對待，精準調校”[56]。因此，它可以在化肥、農藥等田間噴施，大大提高農業的生產效率。可變量技術通常包括四個部分，即完成信息處理與加工的控制器、定位坐標與引導田間定位系統、提前探測和及時提供信息的傳感器、精確作業的可變量施用裝置，其中還包括農耕、施肥和農業化等設備[57]。當前比較流行的是使用各種來源收集的數據（如GPS數據、RS圖像和GIS生成的圖形）基于合理的農藝學原理制定特定地點的實施計劃，幫助農民減少不必要的投入，從而降低農業生產成本。同時還能對預先獲取的地圖信息或通過傳感器“隨時隨地”收集的信息做出調整，更改反饋速率[58]。Hatfield J L[59]研究發現，采用變量施藥方法可減少約50%除草劑的施用，陳勇[60]研究發現，使用自動除草機器人對雜草進行切割，再往野草切口涂除草劑，可節約農藥消耗90%左右。

4 完善精準農業的對策與展望

基于當前我國農業機械化信息化發展的現狀，以及農業主體經營的改變和農田用電率較低的問題，從我國精準農業市場的潛力和發展情況可以看到，精準農業的市場有著巨大的潛力。因此，應根據中國農業發展面臨的實際問題，走上具有中國特色的精準農業發展道路，實現中國農業可持續發展。具體地說，我國精準農業技術與理論制度需要進一步完善與發展，在理論指導、人才培養、技術發展和實踐應用等方面還有待進一步提升。

1）我國精準農業的研究起步晚，發展緩慢，尚缺乏系統成熟的理論體系。因此，應充分利用通過GNSS數據分析給定區域的變量的產量監測技術，例如作物產量和水分含量，從而對預期的農作物產量進行合理的評估，有利于政府部門積極地對市場進行調整和應對。

2）制約我國農業技術發展的因素眾多，如地形復雜、基礎建設落后、信息化程度不高。可變量技術可以控制對農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等不利因素的影響。因此，未來的研究應該致力于開發出更加穩定、更加實用、可以應對各種情形的變量技術，使之應用于農業機械中，成為我國農業現代化的強勁的助推劑。

3）信息數字化是未來農業的發展趨勢，如果農業數字化實現，那么科學家和農民可以更加方便地獲得農作物、土壤狀況、氣候條件、植被狀況等信息，模擬實際生產過程進而制定可持續發展對策。隨著全球信息化的深化和GPS、GIS、RS技術日趨成熟，同時也在農業現代化的發展中展現出巨大的優勢，多種技術聯合使用是未來的一個發展趨勢。

5 結論

農業發展目前存在著雙重的矛盾，既要擴大產業來滿足人口不斷增長的需求，又要同時推動農業產品的經濟、社會和環保效益，實現經濟、社會和環保效益的雙重發展。精準農業的出現與發展，可以很好地化解兩者之間的矛盾，更是中國農業現代化發展的一個必然趨勢。將農業建設和多種高科技聯合運用并貫穿精準農業的各個環節，可以有效地提高我國現階段農業生產水平，實現我國現代農業發展的目標。