“北斗+高分”在無人農場中的應用展望

文 | 卜一平 侯瑛男 陳思 趙超越

哈爾濱航天恒星數據系統科技有限公司

一、引言

2021 年2 月，中共中央、國務院發布《關于全面推進鄉村振興加快農業農村現代化的意見》，提出“建立農業農村大數據體系，推動新一代信息技術與農業生產經營深度融合。”同年3 月，農業農村部辦公廳發布了《關于申報2021 年度全國農業農村信息化示范基地的通知》，指出“重點支持示范基地發展，鼓勵示范基地率先承擔農業農村改革試點示范任務，為加快推進農業現代化奠定基礎。”可見國家為推廣無人農場理念，出臺農業相關政策及規劃，全面提升了農業無人化作業模式在農產品生產的應用范圍，不斷加快推進農業現代化。

無人農場作為智慧農業的發展方向，綜合應用生物技術、農機監控技術和信息化技術等先進技術。其中“北斗+高分”技術作為我國自主研發的導航遙感技術，為農機作業的定位導航、自動控制和無人農場的信息化、數字化、智能化管理提供了有力支撐。

二、研究背景及現狀

1.無人農場現狀

無人農場可以定義為通過對設施、裝備、機械等的智能控制，實現農場全空間、全天候、全過程無人化生產作業的一種農業生產組織模式。英國哈珀·亞當斯大學（Harper Adams University）與Precision Decision 公司建成了世界上首個無人農場（Hands-Free Farm）。目前，歐美、日本等發達國家建設的無人農場已經應用于實際生產中。在無人農場進行農事活動時，農戶幾乎不用進入田間，而是依靠物聯網、云計算、人工智能和自動農機控制等高新技術實現農事作業。“無人化”是無人農場的基本要求以及顯著特征。我國的無人農場目前也進入了實驗研究階段，無人農場的建立和普及逐漸成為農業現代化的發展趨勢。本文研究對象為大田農業生產中，通過高分遙感影像、農機自動駕駛、物聯網設施等高新技術，實現對土地、作物、環境、農機、投入品等數據的觀測、統計、數據分析、決策，形成全天候、全過程的無人化作業模式的無人農場。

2.北斗導航技術在農業中的應用

隨著北斗導航技術的發展，我國大力發展智慧農業、數字農業，將北斗導航技術與農業生產、農機導航、農情監測等深度融合。北斗三號全球衛星導航系統的正式運行，標志著北斗導航系統進入國際化服務新時期，也意味著可以為農業信息化升級提供更多支撐。以北斗衛星導航系統結合傳統農業需求和技術，打造了“北斗+農業”新發展模式，顯著提升了農業生產技術先進性，為傳統農業的發展升級提供了有力保障。在生產實踐中,北斗衛星導航技術還可以和其他先進農業耕作技術有機融合,從而全面提高農作物產出效益。未來衛星定位技術將更加實際地指導農業信息化發展,同時結合農機機械化技術重點實現無人駕駛和自動收割。

北斗導航技術廣泛應用于農業生產中，如農機自動導航駕駛、農機作業質量監測、農機智能作業等方面，精準、全面、立體化地獲取大田環境數據，精準控制農機田間作業，有效降低生產成本，提升農產品質量和生產效率，降低勞動強度，提升耕地精度，提高作業效率，針對農作物種植全過程提供科學的解決方案。在農機自動駕駛方面，通過北斗高精度定向定位天線和差分技術，監測農機的實時位置信息和方向信息等，并以此為依據結合控制算法模型控制農機自動駕駛。在農情監測方面，采用了依托北斗衛星導航技術的物聯網監測、云計算、無線通信等前沿技術，對農作物進行大區域、全生命周期的監控，并根據實時數據實施深耕、插秧、灌溉、施肥等農事活動。

3.高分遙感技術在農業中的應用

隨著我國高分辨率對地觀測系統的基本建成，高分遙感應用加速落地。衛星遙感具有覆蓋范圍廣、時效性高等優勢，是農作物類型識別的主要技術途徑，并且我國高分遙感衛星的核心技術指標達國際領先水平，所獲取的高質量多光譜遙感數據已在農林、生態、環保、防災減災及國家安全等領域廣泛應用，結合基于衛星遙感的農作物類型分類與辨識技術，可以較為細致地刻畫作物空間分布信息，并以此為種植結構調整、保障農田安全、制訂合理的農業政策等提供數據基礎。隨著衛星遙感技術的深入發展，面向大宗農作物類型的“數據—樣本—算法優化”研究應該是當前農作物遙感算法研究的重點努力方向。

高分遙感技術在土地信息調查、農業生產效果評估、農村種植格局監測等工作中提供了有力支撐，為我國農業生產提供了真實可靠的判斷依據。在產量預估方面，可觀測指定作物的實際種植區域并計算相應面積，結合作物生長情況及單位產量信息，預測出該農作物的大概產量，實現精準產量預估，同時節約了農業大田數據統計成本。在作物生長監管方面，依據作物長勢結合實際生長情況，不斷調整反演模型參數，監測農作物關鍵參數如葉面積系數、葉綠素、氮含量、氮累積量等信息，通過這些參數評估作物長勢，幫助農戶計劃何時實施播種、灌溉、施肥等農事活動,同時可提供預測農產品品質的參考依據。在災害預警方面，根據自然災害如干旱、寒潮、洪澇的相應判斷模型，若監測到災情及時進行提醒、報警，從而盡可能減少自然災害帶來的損失，并針對災情狀況，進行補種、搶收、灌溉、追肥或排水排漬等抗災措施。

三、“北斗+高分”系統在無人農場生產管理中的探索

“北斗+高分”系統作為我國北斗導航衛星和高分遙感衛星的綜合應用，高分遙感衛星提供耕地影像數據，是作物信息和環境數據分析的基礎，北斗導航系統提供定位、導航和授時服務，可對遙感影像顯示的內容進行高精度、高可靠性定位。在此基礎上與GIS 系統深度結合，形成一個動態、直觀、實時、數字化、廣域、各行業各層級都易于使用的農業管理平臺。“北斗+高分”系統無人農場應用如圖1 所示。

圖 1 “北斗+高分”系統無人農場應用示意圖

“北斗+高分”系統應用于各個農場、合作社等大型農業經營主體，通過北斗導航衛星和高分遙感衛星的深度融合，針對當前農作物種植整個流程中土地、作物、環境、農機、投入品等數據的觀測、統計、數據分析、決策等需求。以北斗導航衛星技術和網絡技術作為基礎，結合物聯網監測設備獲取高精度、可靠及時、全方位的糧食作物生產活動信息，同時通過對歷年農業遙感影像結合天氣、農事活動等信息的數據匯總、整理、分析，并以此作為依據實現對大田農業的精確管控，能夠顯著節約用于農業生產的投入成本，為后續農業生產計劃以及農機調度提供良好的數據分析支撐和決策輔助作用。同時憑借這些數據在農業資源統籌、土地使用調查、作物產量預估、農業投保理賠等方面提供必需的數據匯總、整理、分析、決策等服務。如今，“北斗+高分”系統已經在黑龍江、新疆生產建設兵團等地的大型農場中廣泛應用。下面對“北斗+高分”系統在無人農場種植產前、產中、產后三個場景的具體應用分別進行分析。

1.“北斗+高分”系統在產前環節的應用

在產前環節中，由于耕地是農業建設、生產、經營管理的重點對象，農田地塊、土壤信息是無人農場備春耕階段重要的數據基礎。為保證生產計劃安排、種植物資儲備等活動順利開展，可通過高分衛星遙感影像結合北斗土壤信息采集終端在特定地區針對田間土壤成分、農田肥力、地塊信息等農情信息進行快速、大范圍的監測。通過對上述信息的匯總、整理、分析，制作土地信息分布圖、生產計劃、施肥建議卡等生產資料，作為農作物種植規劃，農機工作調度，種子、肥料、地膜、農藥儲備等工作的依據。基于高分遙感技術應用于農田信息監測如圖2 所示。

圖2 高分遙感技術應用于農田信息監測示意圖

2.“北斗+高分”系統在產中環節的應用

在農業生產過程中，基于北斗導航技術的農機自動駕駛系統依據生產作業的需要，設定農機行駛路線，并依據當前農機位置信息以及農機行駛方向、車輪當前角度數據，結合控制算法模型得到轉向指令并發送至主控機構，而主控機構再通過改變農機液壓系統或者方向盤，改變農機車輪方向，調節農機的行駛方向，確保農機能按沿著指定路徑行駛，進而提高了農機作業質量和農事生產效率。基于北斗差分技術的農機自動駕駛應用系統如圖3所示。

圖3 農機自動駕駛應用系統示意圖

同時，高分衛星遙感技術通過遙感影像數據獲取氣候監測、農情災害、作物品種、種植面積、農作物長勢等農情信息，上述數據結合地理坐標信息，可以繪制農作物與土地二者相互關聯的專題圖，便于人們查詢、分析、管理有關土壤和作物的信息。通過對上述農情信息的整理與發布，為農業管理部門和生產單位追肥計劃、災害預防等決策工作提供信息支持。此外，通過分析農作物光譜，配合農學知識可以建立不同條件下的產量預報模型，實現作物產量的監測預報，為銀行信貸、保險理賠等服務提供有力的數據支撐。農業監測專題圖如圖4 所示。

圖4 農業監測專題圖

3.“北斗+高分”系統在產后環節的應用

在產后環節中，無人農場作為高標準建設農田為滿足消費者糧食安全、產品可追溯的需求，需要對農作物的倉儲、物流的全過程進行監管，通過北斗導航技術能夠實現車輛集中統一的信息化管理和運輸過程的可視化。通過定位終端提供實時的物流車輛和貨物位置信息，同時為運動軌跡的實時查看和回放提供數據，獲取貨物運輸狀況。監管部門可隨時掌握物流車輛的運行狀況、任務的執行情況，下達調度命令。進而補全對農作物從種植到收獲、從倉儲到銷售全過程的生產及物流數據，為產品的質量安全溯源提供數據支撐，實現糧食安全全程監控追溯。

四、結論

如今智能化無人農場正快速發展，但整體上對無人農場技術的研發還處于探索階段。獲取可靠準確的農機農情信息，從而實現精準化作業成為最關鍵的問題。“北斗+高分”信息技術與農業科技高度融合，廣泛用于高標準農田中并建立起自身領域優勢，為促進現代化農業高質量發展提供有力支撐，具有廣泛的農業應用前景。未來實際農業生產中，無人農場能否借助“北斗+高分”系統取代傳統農場，還需要進一步的技術發展和應用實踐。