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精細農業(yè)”發(fā)展與工程技術創(chuàng)新
精細農業(yè)”發(fā)展與工程技術創(chuàng)新 摘 要 本文綜述了目前國外“精細農業(yè)”實踐的主要目標及其技術思想的內涵。著重圍繞其主要支持技術發(fā)展，討論了有關工程技術創(chuàng)新及推動我國開展試驗研究的問題。目前國外對這一技術體系的研究與實踐，主要仍集中在基于GPS和GIS技術應用的作物生產系統(tǒng)精細管理方面，因此本文提出用“精細農作”的譯名來表達當前研究目標的內涵，希望引起學術界的討論。進入21世紀，基于知識和信息的“精細農作”技術思想，必將擴展到大農業(yè)經營的各個領域，推動傳統(tǒng)農業(yè)生產的信息化與知識化，即進一步發(fā)展到設施園藝、工廠化養(yǎng)殖、農產品精細加工及農業(yè)系統(tǒng)精細經營管理方面，逐步形成一個基于農業(yè)生物科學、電子信息技術及工程裝備為主導的“精細農業(yè)”技術體系，為建立優(yōu)質、高效和可持續(xù)發(fā)展的農業(yè)系統(tǒng)服務。 關鍵詞：精細農業(yè) 精細農作 GPS和GIS 工程技術創(chuàng)新 引 言
近兩年來，我國科技界在研究推進新的農業(yè)科技革命中，關于國外“精細農業(yè)”技術的發(fā)展，引起了廣泛的關注。新聞媒體陸續(xù)有了一些報導，科技部在篩選“面向21世紀解決16億人口食物安全的關鍵技術”項目、組織S - 863農業(yè)高技術領域發(fā)展計劃研究以及農業(yè)部948引進項目立項中，也受到了重視。有的單位已開展了有關研究和試驗示范工程準備工作, 加強了和國外的學術交流與合作聯(lián)系，國內學術交流也開始活躍。國外有關產業(yè)界開始向我國推薦其技術產品，密切關注中國走向21世紀實現(xiàn)農業(yè)現(xiàn)代化、信息化中這一巨大的潛在技術市場�？梢灶A言：“精細農業(yè)”技術體系的試驗示范及其相關技術產品的開發(fā)研究，將在世紀之交成為推進我國新的農業(yè)科技革命中的重要研究課題。信息技術革命為農業(yè)生產現(xiàn)代化發(fā)展提供了新機遇，在開拓新的前沿科技應用研究領域中，發(fā)達國家和一些發(fā)展中國家的起跑線拉近了距離，時間上的差距在縮小。在某些重要領域實現(xiàn)技術發(fā)展上的跨越，將是機遇性的挑戰(zhàn)。江澤民主席1998.9在安徽考察工作時的講話中指出：“現(xiàn)在一些發(fā)達國家，已經把基因育種工程、電子信息互聯(lián)網絡、衛(wèi)星地面定位系統(tǒng)等高新技術應用于農業(yè)。我們必需有緊迫感，盡快迎頭趕上”�！熬氜r業(yè)”技術體系是? ┭�、农业工倡H⒌繾佑胄畔⒖萍嫉榷嘀盅Э浦兜淖樽凹�，其应用研究发肇曍将带动一批直接面向农业生产者应用服务的道`有畔⒏咝錄際�，燃偤卫星定位系蛨觫地理信息系蛨觫遥感茧H醯吶┮滌τ�；农嚏毰息繝F儼杉瞧鰲⑴┨鋦鰲⑼練使芾懟⑴┮├謾⑽廴究刂頻仁視眉際鹺團┮倒こ套氨訃捌洳禱際醯難芯坑肟�，夺j貧夜謚逗托畔⒌拇撐┮迪執(zhí)�，具有赦j兜惱鉸孕砸庖濉?nbsp;“精細農業(yè)”，即國際上已趨于共識的“Precision Agriculture”或“Precision Farming”學術名詞的中譯。國內科技界及媒體報導中目前尚有各種不同的譯法和對其內涵的理解。實際上，目前國外關于Precision Farming的研究，基本上仍是集中于利用3S空間信息技術和作物生產管理決策支持技術（DSS）為基礎的面向大田作物生產的精細農作技術，即基于信息和先進技術為基礎的現(xiàn)代農田“精耕細作”技術。因此，作者認為采用“精細農作”譯名來表達當前這一技術思想的內涵可能更為確切�！熬氜r作”是直接面向農業(yè)生產者服務的技術，這一技術體系的早期研究與實踐，在發(fā)達國家始于八十年代初期從事作物栽培、土壤肥力、作物病蟲草害管理的農學家在進行作物生長模擬模型、栽培管理、測土配方施肥與植保專家? 低秤τ醚芯坑朧導薪徊澆沂鏡吶┨錟諦∏魑鋝亢蛻せ肪程跫拿饗允笨詹鉅煨�，磦蝤提除f宰魑鐫耘喙芾硎凳┒ㄎ弧蔥璞淞客度�，或称“处纺_┳鰲倍⒄蠱鵠吹模輝諗┮倒こ塘煊潁云呤甏釁諼⒌繾蛹際躚桿偈滌沒貧吶┮禱底氨傅幕繅惶寤�、智能化紘素茧H�，农嚏毰息智能化采集与处理茧H躚芯康姆⒄�，加闪暵柈年代各发村H葉耘┮稻斜匭杓婀伺┮瞪�、自嚨A⒒肪澄侍獾墓惴汗厙瀉陀行Ю門┮低度�、阶暭硽⒈M⑻岣吲┮道�、提高农产品手C【赫圖跎倩肪澈蠊鈉惹行棖�，为“精细农做棻茧H跆逑檔男緯勺急噶頌跫：Ｍ逭秸驡PS技術的民用化，使得它在許多國民經濟領域的應用研究獲得迅速發(fā)展，也推動了“精細農作”技術體系的廣泛實踐。使得近20年來，基于信息技術支持的作物科學、農藝學、土壤學、植�？茖W、資源環(huán)境科學和智能化農業(yè)裝備與田間信息采集技術、系統(tǒng)優(yōu)化決策支持技術等，在GPS、GIS空間信息科技支持下組裝集成起來，形成和完善了一個新的精細農作技術體系和開展了試驗實踐。迄今支持“精細農作”示范應用的基本技術手段已逐步研究開發(fā)出來，在示范應用中預示了良好的發(fā)展前景。近五、六年來，已有數(shù)千計的研究成果，實驗報告見諸于國際學術會議或學術刊? 錚幻磕甓季侔熳ㄌ狻骯示概┮笛躚刑只帷焙陀泄刈氨訃際醪氛故凈幔輝諭蛭仙柚糜卸喔鱟ㄌ饌罰梢約笆輩檠接泄匱芯糠⒄剮畔�；灭仮英、澳、紦砣国一些著名大学设立了“精细农业”研究中心，开设翑\泄夭┦�、硕蕢ㄐ究份^蚣芭嘌悼緯蹋蝗鍘⒑裙昀匆鴨涌煒寡芯抗ぷ鰨⒌玫攪蘇棵藕拖喙仄笠檔拇罅χС幀９噬隙哉庖患際跆逑檔姆⒄骨繃壩τ們熬壩辛斯惴旱墓彩�，将成为侍m橢環(huán)⒄古┮蹈咝錄際跤τ醚芯康鬧匾翁狻?/P> “精細農作”技術思想的內涵及其主要支持技術：
“精細農作”技術思想的核心，是獲取農田小區(qū)作物產量和影響作物生長的環(huán)境因素（如土壤結構、地形、植物營養(yǎng)、含水量、病蟲草害等）實際存在的空間和時間差異性信息，分析影響小區(qū)產量差異的原因，采取技術上可行、經濟上有效的調控措施，區(qū)別對待，按需實施定位調控的“處方農作”。正是信息技術革命為這一技術思想的實踐，提供了先進的技術手段。 千百年來的作物生產，都是以地區(qū)或田塊為基礎，在區(qū)域或田塊的尺度上，把耕地看作是具有作物均勻生長條件的對象進行管理，如利用統(tǒng)一的耕作、播種、灌溉、施肥、噴藥等農藝措施，滿足于獲得區(qū)域、農場或田塊的平均產量的認識水平，很少顧及對農田的盲目投入及過量施肥施藥造成的環(huán)境后果。傳統(tǒng)的農業(yè)技術推廣模式，也是在區(qū)域尺度上進行品種選擇、土肥監(jiān)測，通過地區(qū)試驗積累的適于當?shù)氐脑耘喙芾泶胧┫蜣r戶推薦使用。實際上，即使在同一農田內，地表上、下影響作物生長條件和產量的明顯時空分布差異性，包括農田內作物病、蟲、草害總是先以斑塊形式在小區(qū)發(fā)生，再逐步按時空變化蔓延的特性，早已為人們所認識。幾世紀前，農民把土地劃分為小田塊來耕作經營，正是受到對作物生長環(huán)境和產量空間變異的感性知識的影響。我國農民幾千年來在小塊土地上經過勞動密集的投入和積累的豐富生產管理經驗而形成的“傳統(tǒng)精耕細作”技術，也可以在小塊農田內達到很好的經濟產量，只是沒有現(xiàn)代科學方法的定量研究和現(xiàn)代工程手段的支持來形成大規(guī)模的生產力。本世紀初期，科學家就研究報告過作物產量和田間土壤特性，如N、P、K、pH、SOM含量等在田間分布具有明顯的差異性。1929年，Illinois大學C.M. Linsley和F.C.Bauer 發(fā)表文章勸告農戶應繪制自己田區(qū)內的土壤酸度分布圖和按小區(qū)需求使用石灰的建議。之后，一直都有關于農田土壤和收獲量空間變異性研究的報導。八十年代以來，關于在農田中實施土壤肥力、植保和作物生產定位管理（Site Specific Crop Management）的技術研究受到廣泛的重視。世界著名廠商先后向市場提供了裝有空間定位和產量傳感器的現(xiàn)代谷物聯(lián)合收獲機，已可以在收獲過程中自動生成以12-15m2為單元組成的農田小區(qū)產量分布圖。多年的試驗實踐表明，田區(qū)內小區(qū)平均產量的最大差異可以超過100％。由于作物生產還受到氣候變異的影響，經連續(xù)多年對同一田區(qū)積累的數(shù)據(jù)表明，同一小區(qū)年際間的產量差異性也可能是十分明顯的。田區(qū)內產量上述明顯的時空分布差異性，顯示了農田資源利用存在的巨大潛力�，F(xiàn)代農學技術與電子信? ⒓際醯姆⒄�，为定量获取諒T┯跋熳魑鍔ひ蛩丶白鈧帳粘傻目占洳鉅煨孕畔�，实施基又u逗拖執(zhí)萍嫉姆植際降骺�，达到体|謐試辭繃Φ木飫煤突袢【】贍芨叩木貌砍晌贍�。�?是精細農作技術思想的示意圖。其實施過程可描述為：帶定位系統(tǒng)和產量傳感器的聯(lián)合收獲機每秒自動采集田間定位及對應小區(qū)平均產量數(shù)據(jù) → 通過計算機處理，生成作物產量分布圖 → 根據(jù)田間地形、地貌、土壤肥力、墑情等參數(shù)的空間數(shù)據(jù)分布圖，作物生長發(fā)育模擬模型，投入、產出模擬模型，作物管理專家知識庫等建立作物管理輔助決策支持系統(tǒng)，并在決策者的參與下生成作物管理處方圖 → 根據(jù)處方圖采用不同方法與手段或相應的處方農業(yè)機械按小區(qū)實施目標投入和精細農作管理。上述精細農作技術體系在許多發(fā)達國家的試驗和應用表明，可以顯著節(jié)約投入，獲得良好的經濟效益，受到農戶的歡迎。 “精細農作”是基于田間小區(qū)農作條件的空間差異性，為實現(xiàn)優(yōu)化作物生產系統(tǒng)的目標而提出的。但工程支持技術的開發(fā)研究，對實現(xiàn)這一技術思想起著關鍵的作用。如：農田信息采集與處方農作的空間定位，需依靠衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）；地理空間信息管理和數(shù)據(jù)處理，需要應用地理信息系統(tǒng)(GIS)；未來大量地理空間數(shù)據(jù)的更新，需要遙感技術(RS) 的支持；作物產量計量與小區(qū)產量圖的生成需要能按秒記錄收獲機累計產量和對應地理坐標位置的智能型收獲機械，以及計算機數(shù)據(jù)處理和產量圖自動生成技術；田區(qū)空間變量信息的快速實時采集，需要研究基于新原理的傳感技術與信號處理技術；按小區(qū)實施自動處方農作、調控目標投入需要變量處方農業(yè)機械；制定科學的農作處方需要計算機作物管理輔助決策支持系統(tǒng)的支持；作為一個能協(xié)調運作的智能化系統(tǒng)需要有高效的信息集成以及有關信息傳輸、標準化技術的研究等等。 迄今“精細農業(yè)”在發(fā)達國家也不過五、六年的應用試驗歷史，部分支持技術手段還不十分成熟，有待不斷研究完善，相關的應用基礎研究還比較薄弱。“精細農作”應用實踐可根據(jù)不同國家、不同地區(qū)的社會、經濟條件，圍繞提高生產、節(jié)本增效、保護環(huán)境的目標，采用不同的技術組裝方式，逐步提高作物生產管理的科學化與精細化水平。其中，獲取農田小區(qū)產量空間分布的差異性信息是實踐精細農作的基礎。有了小區(qū)產量分布圖，農戶既可以根據(jù)自己的經驗知識，分析小區(qū)產量差異的原因，選擇經濟適用的對策，在現(xiàn)實可行條件下采取適當措施實施調控；也可以根據(jù)技術經濟發(fā)展的條件，利用先進的科技手段或智能化變量處方農業(yè)機械實現(xiàn)生產過程的自動調控。建立一個完整的精細農作技術體系，需要有多種技術知識和先進技術裝備的集成支持
圖1. 精細農作技術思想示意圖
（來源：Massey Ferguson Inc.） ，這為農業(yè)工程師提供了進行技術創(chuàng)新的機遇。 3. “精細農作”技術發(fā)展與工程技術創(chuàng)新 3.1 3S技術農業(yè)應用研究： “精細農作”中的定位信息采集與處方農作實施，需要采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）。已經建成投入運行的有美國GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)。美國GPS系統(tǒng)包括在離地球約20,000 km 高空近似圓形軌道上運行的24顆地球衛(wèi)星，其軌道參數(shù)和時鐘，由設于世界各大洲的五個地面監(jiān)測站和設于其本土的一個地面控制站進行監(jiān)測和控制。使得在近地曠野的GPS接收機在晝夜任何時間、任何氣象條件下最少能接受到4顆以上衛(wèi)星的信號，通過測量每一衛(wèi)星發(fā)出的信號到達接收機的傳輸時間，即可計算出接收機所在的地理空間位置。信號處理技術的發(fā)展，可使微弱的衛(wèi)星信號為便攜式或掌上型接收機的小型天線所接收。這是一個功能強大、對任何人、在全球任何地方都可以免費享用的空間信息資源。盡管美國政府對其GPS系統(tǒng)施加了“選擇可用性政策”(SA)的影響和衛(wèi)星信號在空間傳輸過程中發(fā)生的各種累積誤差，但技術上可通過差分誤差校正方式及信息處理技術使通用接收機的動態(tài)3維定位精度容易達到米級或分米級，測量型GPS接收機動態(tài)定位精度可達厘米級要求。近幾年來，GPS產業(yè)技術發(fā)展迅速，若干大公司迅速涉足農業(yè)領域，提供了用于農田測量、定位信息采集和與智能化農業(yè)機械配套的DGPS產品。這類產品通常均具有12個可選擇的衛(wèi)星信號接收通道、動態(tài)條件下每秒能自動提供一個3維定位數(shù)據(jù)，動態(tài)定位精度一般可達分米和米級，并具有與計算機和農機智能監(jiān)控裝置的通用標準接口。如美國Trimble 公司Ag132 12 通道GPS接收機，可接收信標臺發(fā)布的地區(qū)性差分校正信號免費服務或獲得由近地衛(wèi)星轉發(fā)的廣域差分收費校正信號服務，提供可靠的分米級定位和0.1米/小時的速度測量精度。系統(tǒng)可用于農田面積和周邊測量、引導田間變量信息定位采集、作物產量小區(qū)定位計量、變量作業(yè)農業(yè)機械實施定位處方施肥、播種、噴藥、灌溉和提供農業(yè)機械田間導航信息等。配置這一系統(tǒng)需要考慮本地區(qū)可能提供的差分信號現(xiàn)有條件，或在缺乏上述服務條件下購置兩臺Ag132 和配套通信電臺建立獨立的自用差分GPS系統(tǒng)，另還可配置必要的專用可選件如：基站附件、導航附件、背負式田間信息采集附件、掌上型計算機及必要的聯(lián)接信號電纜等。Ashtect 公司的Ag Navigator結構設計有些不同，但功能大體相當。DGPS技術的迅速發(fā)展，使得近幾年來各國提供局域差分信號免費服務的信標站迅速建設起來，至1996年末，美國這類信標站的地區(qū)覆蓋范圍已接近國土的2/3。信標站差分信號服務半徑約計300 km。我國在東南沿海原交通部也建立了近2 0個這類信標站。以近地衛(wèi)星作為星載GPS廣域差分信號服務系統(tǒng)在今后幾年內也可望在我國部分地區(qū)相繼建立。在競爭中謀求信息高新技術產品市場的商業(yè)利益，將是今后GPS技術發(fā)展競爭的總趨勢。今年3月30日美國副總統(tǒng)戈爾在白宮新聞發(fā)布會上，宣布開放GPS衛(wèi)星的L2頻道并進一步開放L3頻道民用服務，這將大大有利于進一步改善GPS衛(wèi)星服務的精度和可靠性，使用戶獲得性能價格比更好的精確定位、定時技術服務。GPS用戶系統(tǒng)外觀結構簡單，小型化，操作方便，但技術含量高�，F(xiàn)有國外農機廠商配套的GPS產品，大多采用OEM方式引進關鍵部件進行二次開發(fā)后嵌入于農業(yè)機械應用系統(tǒng)中，可使性能價格比顯著改善。DGPS作為農業(yè)空間信息管理的基礎設施，一旦建立起來，即不但可服務于“精細農作”，也可用于農村規(guī)劃、土地測量、資源管理、環(huán)境監(jiān)測、作業(yè)調度中的定位服務，其農業(yè)應用技術開發(fā)的前景廣闊。 地理信息系統(tǒng)（GIS）作為用于存儲、分析、處理和表達地理空間信息的計算機軟件平臺，技術上已經成熟。它在“精細農作”技術體系中主要用于建立農田土地管理，土壤數(shù)據(jù)、自然條件、作物苗情、病蟲草害發(fā)生發(fā)展趨勢、作物產量的空間分布等的空間信息數(shù)據(jù)庫和進行空間信息的地理統(tǒng)計處理、圖形轉換與表達等，為分? 霾鉅煨院褪凳┑骺靨峁┐Ψ叫畔ⅰＫ扇胱魑鐫耘喙芾碭ㄖ霾咧С窒低�，与作五婜产管来冸长势预拆GＤ餑Ｐ汀⑼度氬齜治瞿Ｄ餑Ｐ禿橢悄芑┳髯蟻低騁黃穡⒃誥霾噠叩牟斡胂賂薟康目占洳鉅煨�，分西|頡⒆鞒穌鋃�、提出科学处穭Μ落蕶n紾IS支持下形成的田間作物管理處方圖，指導科學的調控操作。由于農業(yè)活動涉及廣闊的地理空間和各種管理信息都有明顯的空間隨機分布特征，GIS在農業(yè)中具有廣泛的應用價值。在形成農業(yè)空間信息地理圖形時，采樣密度、采樣成本與信息處理的方法如何能更準確反映參數(shù)的空間分布，仍然是尚待深入研究的課題。由于商用GIS系統(tǒng)的功能一般都照顧到各種類型用戶的需要，針對農業(yè)資源信息管理和精細農業(yè)實踐的需要和農村用戶的特點，開發(fā)基于GIS設計規(guī)范的簡單實用、易于向基層農村用戶推廣、界面友好的田間地理信息系統(tǒng)（FIS）已引起學術界的注意，值得我國農業(yè)工程師進行創(chuàng)新研究。 遙感（RS）技術是未來精細農作技術體系中獲得田間數(shù)據(jù)的重要來源。它可以提供大量的田間時空變化信息。近30多年來，RS技術在大面積作物產量預測，農情宏觀預報等方面作出了重要貢獻。由于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)目前尚達不到必要的空間分辨率和提供滿足農作需要的實時性，目前還未用于作物生產的精細管理。然而，遙感技術領域積累起來的農田和作物多光譜圖象信息處理及成像技術、傳感技術和作物生產管理需求密切相關。RS獲得的時間序列圖象，可顯示出由于農田土壤和作物特性的空間反射光譜變異性，提供農田作物生長的時空變異性的信息，在一季節(jié)中不同時間采集的圖象，可用于確定作物長勢和條件的變化�；谶b感產業(yè)界對“精細農作”的商業(yè)興趣，一系列的地球觀測衛(wèi)星將在近幾年內發(fā)射，到2005年，將有超過40個這類衛(wèi)星提供服務。大部分這類衛(wèi)星采集的全色圖象，空間分辯率將達1～3米，多光譜圖象分辯率預計可達3～15米，掃視區(qū)6～30km。由于采用衛(wèi)星遙感比航空攝影的成本將低一半以上，衛(wèi)星遙感技術可預期在近3～5年內，在“精細農作”技術體系中扮演重要角色。農業(yè)工程師應該涉足這一領域，了解有關的知識，參與應用研究，現(xiàn)在的RS軟件已可裝載在PC機上使用，性能價格比已可為普通用戶所接受。 3.2 收獲機械產量計量與產量分布圖生成技術 作物產量是許多因素綜合影響形成的結果和評價種植管理水平的基礎�！熬氜r作”技術思想也正是從獲得田間小區(qū)產量的差異性信息出發(fā)，分析原因，指導管理決策。在“精細農業(yè)”研究發(fā)展中，雖然也有關于甜菜、土豆、甘蔗、牧草、棉花、水果等收獲機械產量計量及產量分布圖自動生成的試驗研究成果，但迄今已商品化的產品仍集中于谷類作物收獲機械方面。據(jù)報導，美國目前約有20個制造商供應谷物聯(lián)合收獲機產量計量系統(tǒng)，1997年底，全國使用這一技術的聯(lián)合收獲機約17,000臺，其中約有一半帶GPS定位系統(tǒng)可支持產量分布圖自動生成。一個主要生產廠商宣稱，至2001年其生產的90%谷物聯(lián)合收獲機將裝備產量監(jiān)視器。迄今已進入商品化的這類產品主要是基于沖擊式-力傳感技術（如美國John Deree和Case IH）、容積式光電計量技術（如英國RDS產品）和γ射線流量傳感技術（如Massey Ferguson產品）等。在谷物流量自動傳感過程中，還可同時測量凈糧含水量，在小區(qū)產量分布圖基礎上結合定位處方投入的成本分析直接顯示小區(qū)經濟效益分布圖（Gross Margin Variability Map）�！熬氜r作”體系中的產量圖自動生成技術，需要解決如下的科學技術問題： 流量傳感器的計量精度、穩(wěn)定性、通用性、標定簡便性的進一步改善；
產量計量中同時獲得收獲機的實際割幅和前進速度信息；
生成產量分布圖需要的空間分辨率不大于收獲機械工作幅寬的DGPS定位系統(tǒng)；
針對不同收獲機械建立谷物由割臺至流量測量點的谷物運移過程模型，以校正產量分布信息的動態(tài)誤差；
研究采集的定位數(shù)據(jù)和產量數(shù)據(jù)編碼格式與快速存儲傳輸方式。這些數(shù)據(jù)通常都是存儲在軟盤或IC智能卡中，能一次存儲至少一個作業(yè)班內的全部數(shù)據(jù)，然后再傳入PC機進行處理和生成產量分布圖；
開發(fā)PC上進行產量分布圖生成的軟件，含文件結構、數(shù)據(jù)結構、誤差校正、數(shù)據(jù)圖形化、顯示方式等； 上述技術都還需要繼續(xù)完善。研究適于不同國家的農業(yè)機械裝備、種植特點、適于不同作物和更為精確的上述各環(huán)節(jié)的智能化技術，仍然是農業(yè)工程師面臨的挑戰(zhàn)。谷物聯(lián)合收獲機電子裝置，包括谷物產量自動計量和產量圖自動生成技術，是當代農機研究的一個重要方向，也應是我國農機裝備機電一體化、信息化研究的優(yōu)先發(fā)展方向之一。對于改善易地收獲、農機社會化服務，提高農機作業(yè)信息化意識，促進 精細農業(yè)”發(fā)展與工程技術創(chuàng)新作物生產科學管理，都有十分重要的現(xiàn)實意義，應是世紀之交我國農機技術創(chuàng)新的重要課題。 3.3 田間變量信息采集與處理技術快速、有效采集和描述影響作物生長環(huán)境的空間變量信息，是實踐“精細農作”的重要基礎。優(yōu)先需予考慮的主要是土壤含水量、肥力、SOM、土壤壓實、耕作層深度和作物病、蟲、草害及作物苗情分布信息采集等。目前田間信息快速采集技術的研究仍大大落后于支持精細農作的其它技術發(fā)展，已成為國際上眾多單位攻關研究的重要課題�，F(xiàn)有的土壤信息采集方法是基于定點采樣與實驗室分析相結合，耗資費時、空間尺度大、難于較精細地描述這些信息的空間變異性。技術創(chuàng)新的方向是研究開發(fā)可快速操作，有利于提高采樣密度，測量精度能滿足實際生產要求的新傳感技術和進一步改善空間分布信息的定量描述與近似處理方法。部分參數(shù)將可用掃描方式通過安裝于作業(yè)機械上的傳感器連續(xù)采集和進一步自動生成空間信息分布圖。已經取得實用化或具有良好開發(fā)前景的成果，如：土壤含水量測量將在TDR成熟技術基礎上，在開發(fā)經濟實用的基于駐波比、頻域法原理、近紅外技術的快速測量儀方面拓寬研究領域。土壤主要肥力因素（N、P、K）測量儀器開發(fā)方面，基于傳統(tǒng)化學分析技術基礎上的快速肥力分析儀，目前國內已有實用化產品投入使用，其穩(wěn)定性、操作性和測量精度雖然尚待改進，但對農田主要肥力因素的快速近似測量具有實用價值；一? 只誚焱餳際跬ü浣右睹娣瓷涔餛滋匭越信┨锏史柿λ嬌燜倨攔酪瞧饕言謔匝槭褂�，它与遥感茧H醯吶┮滌τ妹芮邢喙�，可翼嵿互借鉴相关茧H躚芯砍曬�；一种基诱O胱友≡癯⌒в騫埽↖SFET）集成元件的土壤主要礦物元素含量測量技術的研究在國外已取得進展，將是值得關注的技術突破性研究方向。土壤耕作層深度對評價土壤持水能力和指導定位處方耕作，確定播種深度、施肥用量密切相關，在美、加、澳等已經開發(fā)出不接觸式、基于電磁場測量土壤電導率用于評價土層深度分布圖的儀器已試驗使用，可對指導定位處方深耕取得良好的經濟效益；關于SOM傳感器，早在數(shù)年前已有報導，通過 NIR原理研制的可用于田間在線測量的多光譜SOM測量儀已有商品化產品。在作物生長有關變量信息的采集方面，田間雜草識別是“精細農業(yè)”支持技術中引起廣泛關注的領域。在雜草識別的光譜響應特性方面已有許多研究成果及參考數(shù)據(jù)可供借鑒。其它田間作物變量傳感與空間信息處理技術方面的研究，將圍繞新的物理原理與數(shù)學方法的應用，如多光譜識別、NIR視角技術、圖象模式識別、人工智能方法（ANN、Fuzzy 系統(tǒng)分析、ES應用）、狀態(tài)空間分析、小波分析、卡爾曼濾波方法等。在實踐“精細農作”方面，開發(fā)基于新的物? 碓淼慕瓶燜儺畔⒉杉際跤敫納瓶占淶乩硇畔⒋矸椒ǎ勻皇強萍脊ぷ髡咼媼俚募杈奕撾瘛?/P> 3.4 智能型處方農作機械 七十年代中期微電子應用技術的迅速發(fā)展，使得工業(yè)化國家的農業(yè)機械進入到一個以迅速融合電子技術向機電一體化方向發(fā)展的新時期。農業(yè)機械的設計中，廣泛引入了微電子監(jiān)控技術用于作業(yè)工況監(jiān)測和控制。八十年代后期起，其監(jiān)控系統(tǒng)又迅速趨向智能化，由單元控制發(fā)展到分布式控制，由單機作業(yè)系統(tǒng)向與管理決策系統(tǒng)集成的方向發(fā)展。這新一代農業(yè)機械裝備技術的發(fā)展，與過去十多年來基于信息技術的作物生產管理決策支持系統(tǒng)的迅速發(fā)展，都是近五年來“精細農作”技術得以進入日益廣泛試驗實踐的重要條件。雖然，迄今支持“精細農作”的若干主要農機裝備，除了如前述帶產量圖自動生成的谷物收獲機以外，實施按處方圖進行農田投入調控的智能化農業(yè)機械, 如安裝有DGPS定位系統(tǒng)及處方圖讀入裝置的，可自動選擇作物品種（二選一）、可按處方圖調節(jié)播量和播深的谷物精密播種機；可自動選擇調控兩種化肥配比的自動定位施肥機和自控噴藥機；可分別控制噴水量的定位噴灌機均已有商品化產品，并在繼續(xù)完善。拖拉機駕駛室已安裝智能化顯示器，在一個LED顯示屏上，可隨意調用各種圖形化可視界面, 監(jiān)控機器各部分的工況和顯示處方作業(yè)和導航信息�，F(xiàn)代帶有多處理器的智能型農業(yè)機械，已經引用了工業(yè)部門中采? 玫目刂破骶植客芟嘸際酰–AN），相互間采用光纜傳輸信息，建立了工業(yè)化設計標準。我國當今農業(yè)機械技術水平從總體上看與發(fā)達國家落后了不止20年，需要在某些領域推動高新技術的應用研究與實踐。開發(fā)適于我國國情的先進技術�！熬氜r作”的示范試驗研究有可能成為農業(yè)機械裝備領域應用信息高新技術實現(xiàn)技術創(chuàng)新的切入點。 3.5 系統(tǒng)集成技術 “精細農業(yè)”技術體系是一個集成系統(tǒng)，它涉及到多種學科知識的支持，需要學習應用不同子系統(tǒng)已經形成的硬、軟件設計規(guī)范、標準、數(shù)據(jù)格式與通信協(xié)議，應用已有的單項技術成果，研究建立某些支持技術的新標準。近幾年來，國外研究實踐中已經積累了一些進行“精細農業(yè)”技術體系集成組裝的經驗。我國科技工作者要研究這方面的進展，參與國際交流。作為工程師，要善于根據(jù)工程項目的整體目標，既能從具體技術角度去思考和研究問題，具有不斷突破現(xiàn)有解決實際問題的觀念與模式的創(chuàng)新意識；又能注意進行項目目標的整體評估，協(xié)調技術先進性與經濟可行性的綜合優(yōu)化目標，提出推動技術進步的試驗實踐方案。 問題與思考
迄今，國際上關于“精細農業(yè)”的研究仍處于發(fā)展的幼年時期，支持技術產品也尚待不斷深化研究。其革命性的意義是提出了一種經營現(xiàn)代農業(yè)的新技術思想并付諸于實踐，發(fā)展前景已在國際上具有廣泛的共識。1998.1美國副總統(tǒng)戈爾第一次提出要建立以1米分辯率的“數(shù)字地球”的概念，在地理信息學術界引起了廣泛的反響，它為認識世界科技進步對未來人類生存方式的影響提出了全新的觀念�！熬氜r業(yè)”的實踐將在下一世紀開發(fā)“數(shù)字地球”的實踐中占有十分重要的地位。我國農業(yè)仍處于傳統(tǒng)農業(yè)向現(xiàn)代農業(yè)轉化的歷史過程中，全面實踐這一新技術體系的路程還很遙遠。但啟動這一新技術的示范與實踐研究，將有利與推動實現(xiàn)我國農業(yè)生產知識化與信息化進程，改變傳統(tǒng)技術思想，追蹤科技進步，有利于推動基于信息和知識的農用先進支持技術產品制造業(yè)、服務業(yè)的發(fā)展。在“精細農業(yè)”技術體系的實踐中，也將可開發(fā)出一系列適用新技術產品，為支持當前的“科技興農”服務。在發(fā)展研究中，個人認為需要重視如下問題： 4.1 加強對國際有關研究發(fā)展信息和經驗的研究。九十年代以來，國外許多單位已經積累了一大批示范試驗數(shù)據(jù)與支持技術產品開發(fā)研究成果�？梢圆扇∫M技術思想與部分裝備技術和自主創(chuàng)新相結合。找準切入點，注重其支持技術產品的國產化及產業(yè)化開發(fā)�！熬氜r作”的技術思想在國際科技界共識的基礎上有其特定的涵義，即認識農田內小區(qū)產量和影響作物生長條件的空間差異性，實施定位處方農作。它是適應集約化、規(guī)�；潭雀叩淖魑锷a系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展目標而提出的，在我國可先在規(guī)�；r場和農業(yè)高新技術綜合開發(fā)試驗區(qū)，力求在農田小區(qū)的尺度上進行研究與實踐。我國廣大農村農田經營規(guī)模小，生產手段仍較落后，實現(xiàn)廣域的農田精細經營尚需有較長的發(fā)展過程，有條件的地區(qū)可先以村片、農田的尺度上對精細農作的技術思想進行示范試驗研究，并應結合農業(yè)技術推廣性試驗和農業(yè)社會化服務方式創(chuàng)新中，開拓出新的服務領域。這樣，既可以使我國的研究實踐與國際上的研究發(fā)展趨勢相接軌，又可以探索形成具有國情特色、有利于在農村推廣的先進農作技術體系。 4.2 在“精細農作”試驗研究與實踐過程中，注意組裝一批基于信息和知識的單項適用先進技術支持當前的“科技興農”。如：GPS、GIS技術用于農田管理、節(jié)水灌溉、環(huán)境監(jiān)測的實用技術；面向農業(yè)生產者應用的電子儀器、實用監(jiān)控設備；農業(yè)裝備信息化技術；精細測土配方施肥、病蟲草害快速實用監(jiān)測技術；智能化農業(yè)生產管理輔助決策支持系統(tǒng)的推廣及支持農業(yè)社會化服務體系的先進裝備技術與工具的開發(fā)等。 4.3 迄今國外進行的精細農業(yè)（Precision Agriculture）的實踐，實際上是面向大田作物生產的精細農作（Precision Farming）系統(tǒng)。實現(xiàn)基于信息和知識的農業(yè)產業(yè)系統(tǒng)精細經營的技術思想，應該擴展到種、養(yǎng)、加，產前、產中、產后的整個過程，即過渡到建立“精細農業(yè)”的技術體系。實際上，“精細農業(yè)”的技術思想，早在七十年代后期開始，已優(yōu)先在發(fā)達國家奶牛場根據(jù)奶牛產奶量定量配料系統(tǒng)中得到了廣泛的推廣應用。近十多年來，全自動化設施園藝業(yè)的發(fā)展和養(yǎng)殖業(yè)中動物生長預測模型與配料、環(huán)境調控自動化系統(tǒng)的結合，農產品產后儲藏、保鮮、加工為達到高品質、高附加值產品的過程中，都已吸收了電子信息科技前沿的成就。“精細農業(yè)”的技術思想，尤應在設施園藝，集約養(yǎng)殖，農產品品質優(yōu)選、加工增值產業(yè)中先付諸實踐與推廣，這對我國目前處于傳統(tǒng)農業(yè)的結構性調整時期和開始重視強調實現(xiàn)農業(yè)增產方式的轉變中，依靠先進技術裝備和農業(yè)精細經營技術的支持，對農業(yè)增產、農民增收，具有重要的現(xiàn)實意義。 4.4 在試驗研究中加強多部門、多學科間的相互聯(lián)系，協(xié)同攻關.發(fā)展學術討論交流，加強國際合作，重視應用基礎研究。在高等農業(yè)工程院系的學科建設與教學內容改革中，要逐步創(chuàng)造條件開設有關GPS、GIS、RS應用課程，加強必要的實驗研究設施與課程建設等。 中國農業(yè)大學“精細農業(yè)研究中心“近二年多來已經啟動了有關研究工作，內容涉及DGPS、GIS農業(yè)應用，田間信息采集傳感技術，智能型農業(yè)機械監(jiān)控技術，精細農作技術的系統(tǒng)集成與發(fā)展戰(zhàn)略研究。與國外有關研究中心和企業(yè)界已建立了比較廣泛的聯(lián)系，積累了比較豐富的信息，我們愿意與國內有關單位、企業(yè)發(fā)展合作，共同為推動我國農業(yè)工程技術創(chuàng)新與“精細農業(yè)”技術在我國的應用示范與實踐作出貢獻。 參 考 文 獻 National Research Council, Precision Agriculture in the 21st Century, Geospatial and Information Technologies in Crop Management, National Academic Press, Washington, D.C. 1997.
J.K Schueller, Technology for Precision Agriculture, Proceedings of the First European Conference on Precision Agriculture, Warwick University, U.K. 8-10, September 1997.
A.B.McBrathey and M.J.Pringle, Spatial Variability in Soil-implications for Precision Agriculture, Proceedings of the First European Conference on Precision Agriculture, Warwick University, U.K. 8-10, September 1997.
Kenneth A. Sudduth, Engineering for Precision Agriculture - Past, Accomplishments and Future Directions, USDA agricultural Research Service, Copyright 0 1998，Society of Automotive Engineers, Inc.
Simon Blackmore, A Yield Map Primer, Cranfield University, October 1998.
汪懋華，“精細農作” 一 知識經濟時代的農田精耕細作技術， 紀念中國科協(xié)成立40周年 "科學技術面向新世紀" 學術年會，"科技進步與學科發(fā)展"論文集上冊, pp.296-299, 周光召主編, 中國科學技術出版社出版, 1998.9。
[7].汪懋華,“精細農業(yè)”研究的發(fā)展與農業(yè)裝備科技創(chuàng)新，中國農業(yè)機械學會第六次全國代表大會暨學術年會論文集，上海，1998.11。 The Development of Precision Agriculture and Innovation of Engineering Technology Research Centre for Precision Agriculture, China Agricultural University Abstract This paper summarizes the target of recent precision agriculture research and its technical ideas and discusses the direction of technical innovation for the support technologies. Some proposals for the applied research in the country are presented. Recent research on precision agriculture in the world is still concentrated on precision farming for crop production. The interpretation of the phrase "precision agriculture" into Chinese shall be implicated in the Site Specific Crop Management. Following the rapid application of information technology into the agricultural sector, the ideas&nbs p;for precision management of agricultural resources and production would be expanded into all fields of agricultural system, such as: precision facilities horticulture, precision raising, precision processing to keep high productivity, high efficiency, low cost and less environmental pollution as well as with high value-added technology and so on. Then a real precision agriculture system will be established to support overall sustainable agriculture development based on the new information and biological technological revolution. Key Words: precision agriculture, precision farming, GPS & GIS, engineering technologies innovation
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