中国精准农业的研究现状和发展方向.pdf
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1、中国农学通报第2 3卷 第7期2 0 0 7年7月h t t p:/w w w.c a s b.o r g.c n农业信息科学中国精准农业的研究现状和发展方向刘焱选,白慧东,蒋桂英(新疆石河子大学农学院,新疆石河子 8 3 2 0 0 3)摘 要:精准农业是以信息为基础,利用传感器及现代先进的监测技术,完整、准确、及时的了解土地和作物的详细数据,结合精确时空统计分析,及时迅速的做出决策的一种农业管理系统。在介绍精准农业的内涵及其基本技术组成的基础上,进一步论述了中国现今精准农业的研究现状及其存在的主要问题。(1)不同地区经济发展水平差异较大,农业资金缺乏;(2)适用精准农业上的专用品种及肥料的
2、开发滞后;(3)由于其他方面的制约,经营管理水平较低。并由此指出中国精准农业今后的发展方向,对中国发展具有中国特色精准农业提出了相应的对策建议,即为第一阶段为引进、试验、示范阶段;第二阶段将试验示范工作扩展到大型国营农场和小型农户,即抓一大一小,大小并举,特别要主要在小型农户中实施精准农业的概念和方法,进一步探索规律和积累经验;第三阶段在多点试验示范基础上,形成中国特色的“精准农业模式”,并在部分地区形成实用化和产业化。关键词:精准农业;3 S技术;现状中图分类号:S1文献标识码:AT h e R e s e a r c hP r e s e n t C o n d i t i o na n
3、dt h e D e v e l o p me n t D i r e c t i o no f P r e c i s e A g r i c u l t u r e i nC h i n aL i uY a n x u a n,B a i H u i d o n g,J i a n g G u i y i n g(A g r i c u l t u r e c o l l e g e o f S h i h e z i U n i v e r s i t y i nX i n j i a n g,X i n j i a n g,S h i h e z i 8 3 2 0 0 3)A b s
4、 t r a c t:T h ep r e c i s ea g r i c u l t u r et a k ei n f o r m a t i o na sf o u n d a t i o n,m a k i n gu s eo f am o n i t o rt e c h n i q u eo fs p r e a dt h ef e e l i n gm a c h i n ea n dm o d e r nf o r e r u n n e r,i n t e g r i t y,a c c u r a t e,u n d e r s t a n dt h ed e t a i
5、 l e dd a t ao f t h el a n da n df a r mc r o p s i nt i m e,c o m b i n ea na c c u r a t et i m e s p a c et os t a t i s t i c s a n a l y s i s,d oak i n do f a g r i c u l t u r eo ft h ed e c i s i o nm a n a g e m e n ts y s t e m i nt i m ea n dq u i c k l y.T h i st e x td i s c u s s e df
6、 u r t h e ri ni n t r o d u c i n gt h ec o n t e n t a n di t s b a s i ct e c h n i q u eo f t h ep r e c i s ea g r i c u l t u r et oc o n s t i t u t eo f f o u n d a t i o nC h i n e s ea t p r e s e n t t h er e s e a r c hp r e s e n t c o n d i t i o no f t h ep r e c i s eg r i c u l t u
7、r ea n di t e x i s t o f k e yp r o b l e m.(1)T h ed i f f e r e n t r e g i o ne c o n o m yd e v e l o p m e n t l e v e l d i f f e r e n c ec o m p a r eg r e a t l y,t h ea g r i c u l t u r ef u n d sl a c k;(2)A p p l yap r e c i s ea g r i c u l t u r eo f a p p r o p r i a t i o ns p e c
8、i e sa n dt h ef e r t i l i z e r e m p r e s sd e v e l o p m e n t f o l l o wb e h i n d;(3)B e c a u s eo fo t h e r c h e c ka n ds u p e r v i s i o n s,t h em a n a g e m e n tt h el e v e l i sl o w e r.p o i n t o u t a no u r c o u n t r yf r o mh e r ef o rp r e c i s ea g r i c u l t u
9、r ea f t e r t i m ea l s oo f d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n,h a dap r e c i s ea g r i c u l t u r eo f C h i n e s es p e c i a lf e a t u r e s t o p u t f o r w a r dt h e c o u n t e r p l a ns u g g e s t i o nf o r c o r r e s p o n dt ot h eo u r c o u n t r yd e v e l o p m e n t,
10、f o r af i r s ts t a g ef o ru s h e ri n,e x p e r i m e n t,d e m o n s t r a t i o ns t a g e;t h es e c o n ds t a g ew i l l e x p e r i m e n t t h ed e m o n s t r a t i o nw o r kt o e x p a n dt o t h e l a r g ea n ds t a t e-r u nf a r ma n dt h es m a l l s c a l e dp e a s a n t h o u
11、s e h o l d,t h e ng r a s pab i gas m a l l,t h es i z er a i s e sa l s o,w a n t i n gs p e c i a l l yt om a i n l yc a r r yo u t i nt h es m a l l s c a l e dp e a s a n t h o u s e h o l dp r e c i s e a g r i c u l t u r e o f t h e c o n c e p t a n dm e t h o d,f u r t h e r i n v e s t i
12、g a t e t h e r e g u l a t i o na n dt h e b a c k l o g e x p e r i e n c e;t h et h i r ds t a g eb e c o m e p r e c i s ea g r i c u l t u r em o d e o f w i t h C h i n e s es p e c i a lf e a t u r e si no r d e r i n gt oe x p e r i m e n t t h e d e m o n s t r a t i o nf o u n d a t i o nm
13、 u c h,a n db e c o m e i nt h e p a r t s o f r e g i o np r a c t i c a l t u r nt o t u r nw i t hi n d u s t r y.K e yw o r d s:P r e c i s e a g r i c u l t u r e,T e c h n i q u e o f 3 S,P r e s e n t c o n d i t i o n第一作者简介:刘焱选,男,1 9 8 1 年出生,硕士,主要从事农业遥感方向研究。通信地址:8 3 2 0 0 3新疆石河子大学农学院,绿洲生态实验室
14、。E-m a i l:l a n g-w o l i u 0 1 1 2 6.c o m。收稿日期:2 0 0 7-0 5-0 8,修回日期:2 0 0 7-0 5-2 1。5 7 7农业信息科学C h i n e s e A g r i c u l t u r a l S c i e n c e B u l l e t i n V o l.2 3N o.7 2 0 0 7 J u l yh t t p:/w w w.c a s b.o r g.c n1精准农业的内涵和技术组成1.1精准农业的内涵精准农业又称精确农业(P r e c i s i o n a g r i c u l t u r
15、e)或精确农作(P r e c i s i o n f a r m i n g),是由美国明尼苏达大学的土壤学者于 2 0 世纪 9 0 年代倡导环境保全型农业的统称。所谓精准农业,是指按照田间每一操作单元的环境条件和作物产量的时空差异性(T e m p o r a l a n dS p a t i a l V a r i a b i l i t y),精细准确地调整各种农艺措施,最大限度地优化水、肥、种子、农药等的量、质和时机,以期获得最高产量和最大经济效益,同时保护农业生态环境,保护土地等农业自然资源 1 3。精准农业要求实时获取地块中每个小区(1 1 0 0 m2)土壤、水、农作物、光、
16、热等信息,以诊断作物长势和产量空间上存在的差异,并按每个小区做出决策,实现 3 个精确:一是定位的精确,精确确定灌溉、施肥、杀虫等的地点;二是定量的精确,精确地确定水、肥、药、种子等的使用量;三是定时精确,精确确定各种农艺措施实施的时间,从而精确地进行施肥、播种、灌溉、杀虫、除草、收获等 4,5。1.2精准农业的基本技术组成精准农业技术实际上就是一种以信息为基础的农业管理系统,它利用传感器及监测技术可以方便、准确、及时、完整地获得当时土地的必要数据,再根据各因素在控制作物生长中的作用及其相互关系,迅速做出恰当的管理决策,进而控制对作物的投入和作业,针对大面积的土地决策,用卫星或飞机遥测,遥感图
17、像技术可能更经济适用。现代信息技术在精准农业上的应用路径是:应用地理信息系统将土壤和作物信息资料整理分析,制成具有时效性和可操作性的田间管理信息系统,在此基础上通过全球定位系统、遥感技术以及计算机自动控制技术,按每一地块的具体条件,调节资源的投入量,达到增加产量、减少投入、保护农业资源和环境质量的目的;在农田经营管理决策上可根据不同情况选择以单纯获取高产、以适量投入,获取较好经营利润”、“减少资源消耗,保护生态环境”等多种不同优化目标。精准农业技术是现代信息技术、生物技术、工程技术等一系列高新技术在最新成果的基础上发展起来的一种重要的现代农业生产形式。它由 1 0 个系统组成,即全球定位系统(
18、G P S)、农田信息采集系统、农田遥感监测系统(R S)、农田地理信息系统(G I S)、农业专家系统、智能化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统。其核心是“3 S”(即 G P S,G I S,R S)技术和计算机自动控制系统。精准农业技术体系的构成如图 1 所示。1.2.1遥感(R e m o t e S e n s i n g,简称R S)技术R S属于非接触性传感技术,指的是从不同高度的平台上使用不同的传感器,收集地球表层各类地物的电磁波信息,并对这些信息进行分析处理,提取各类地物特征,以探求图1精准农业技术体系构成和识别各类地物的综合技术 6,7。卫星遥感具
19、有覆盖面大、周期性强、波谱范围广、空间分辨率高等优点,是精准农业农田信息采集的主要数据源。遥感技术在精准农业中的作用。(1)农作物长势监测和产量估算。作物在生长发育的不同阶段,其内部成分、结构和外部形态特征等都会存在一系列的变化。叶面积指数(L A I)是综合反映作物长势的个体特征与群体特征的综合指数。遥感具有周期性获取目标电磁波谱的特点,因此通过建立遥感植被指数(V I)和叶面积指数(L A I)的数学模型,就能5 7 8中国农学通报第2 3卷 第7期2 0 0 7年7月h t t p:/w w w.c a s b.o r g.c n农业信息科学够监测作物长势和估测作物产量。(2)土壤水分含
20、量和分布监测。在植被条件和非植被条件下,热红外波段都对水分反应非常敏感,所以利用热红外波段遥感监测土壤和植被水分十分有效。研究表明,不同热惯量条件,遥感光谱间的差异性表现得最明显,所以通过建立热惯量与土壤水分间的数学模型,就能够监测土壤水分含量和分布。(3)作物水分亏缺监测。干旱时,作物供水不足,一方面作物的生长受到影响,植被指数降低,另一方面由于缺水,没有足够的水分供给植物蒸腾蒸发,迫使叶片关闭部分气孔,导致植物冠层温度升高,因此通过遥感植被指数和作物冠层间数学模型的建立,能够监测作物水分的亏缺。(4)作物养分监测。作物养分供给的盈亏对叶片叶绿素含量有明显的影响,通过遥感植被指数与不同营养素
21、(N、P、K、C a、Mg 等)数学模型的建立,能估测作物营养素供给状态。研究表明,遥感监测作物氮素营养水平的精度比监测其他营养素的精度高。(5)农作物病虫害监测。应用遥感手段能够探测病虫害对作物生长的影响,跟踪其发生演变状况,分析估算灾情损失,同时还能监测虫源的分布和活动习性。1.2.2地理信息系统(G e o g r a p h y I n f o r m a t i o nS y s t e m,简称G I S)地理信息系统可以比喻为精准农业的大脑,精准农业的技术核心是地理信息系统,应用该系统可以将土地边界、土壤类型、地形地貌、灌水系统、历年的土壤测试结果、化肥和农药等使用情况以及历年产
22、量结果做成各自的地理信息系统图管理起来 8,9。通过历年产量图的分析,可以看出田间产量变异情况,找出低产区域,然后通过产量图与其他因素图层的比较分析,找出影响产量的主要限制因素,在此基础上制定出该地块的优化管理信息系统,用于指导当年的播种、施肥、除草、防治病虫害、中耕、灌水等管理措施。同时,当前的各项管理措施又作为一个新的地理信息系统图层储存起来,用于下一季作物管理的决策参考。地理信息系统在精准农业中的具体应用有:(1)对 G P S和传感器采集的各种离散性空间数据进行空间差值运算,形成田间状态图,如土壤养分分布图、土壤水分分布图、作物产量分布图等。(2)对点、线、面不同类型的空间数据进行复合
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