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精准农业——未来农业发展的趋势
热度 18 jldxwsj2000 2015-4-30 04:47
精准农业 —— 未来农业发展的方向 吉林大学 王洁 序 以下为我在某媒体《经纬纵横专栏》的讲课材料,愿与大家在科学网分享! 希望给广大的读者与观众带来更多的益处与启迪,谢谢! 一.什么是精准农业? 精准农业是当今世界农业发展的新潮流,是由信息技术支持的、根据空间变异定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统 . 基本涵义是根据作物生长的土壤性状,调节对作物的投入,即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异,另一方面确定农作物的生产目标,进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”,调动土壤生产力,以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入,并改善环境,高效地利用各类农业资源,取得经济效益和环境效益。 精准农业的技术是一项系统工程 , 精准农业是在现代信息技术、生物技术、工程技术等一系列高新技术最新成就的基础上发展起来的一种重要的现代农业生产形式,其核心技术是地理信息系统、全球定位系统、遥感技术和计算机自动控制技术。 精准农业系统是一个综合性很强的复杂系统,是实现农业低耗、高效、优质、安全的重要途径。 二.精准农业的技术构成 具体由十个系统组成: 由全球定位系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、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。 其核心是建立一个完善的农田地理信息系统( GIS ),可以说是信息技术与农业生产全面结合的一种新型农业。精准农业并不过分强调高产,而主要是强调效益。它将农业带入数字和信息时代,是 21 世纪农业的重要发展方向。 三 主要 技术 模块 1. 全球定位系统 广泛采用了 GPS 系统用于信息获取和实施的准确定位。为了提高精度广泛采用了 DGPS ( Differential Global Positioning System )技术,即所谓“差分校正全球卫星定位技术”。它的特点是定位精度高,根据不同的目的可自由选择不同 精度的 GPS 系统。 2. 地理信息系统 ( GIS ) 精准农业离不开 GIS ( GeographicalInformation System )的技术支持,它是构成农作物精准管理空间信息数据库的有力工具,田间信息通过 GIS 系统予以表达和处理,是精准农业实施的重要。 GIS 技术优势在于它的集地理数据采集 、 存储 、 管理 、 分析 、 三维可视化显示与输出于一体的数据流程,在于它的空间分析 、 预测预报和辅助决策的能力。 地理信息系统从外部来看它表现为计算机软件系统,而其内涵是计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型,是一个逻辑缩小的,高度信息化的地理系统。 3 、遥感系统 ( RS ) 遥感技术( Remote Sensing )是精准农业田间信息获取的关键技术,为精准农业提供农田小区内作物生长环境、生长状况和空间变异信息的技术要求。 定义:不直接接触物体,从远处通过探测仪器接收来自目标地物的电磁波信息,经过对信息的处理,判别出目标地物的属性 空间特性:视域范围大,具有宏观特性。 光谱特性:探测的波段从可见光向两侧延伸,扩大了地物特性的研究范围。 时相特性:周期成像,有利于进行动态研究和环境监测。 特点:大面积的同步观测 、 时效性 、 数据的综合性和可比性 、 经济性。 4 、作物生产管理专家决策系统 它的核心内容是用于提供作物生长过程模拟、投入产出分析与模拟的模型库;支持作物生产管理的数据资源的数据库;作物生产管理知识、经验 的集合知识库;基于数据、模型、知识库的推理程序;人机交互界面程序等。 5、 田间肥力、墒情、苗情、杂草及病虫害监测及信息采集处理技术设备 如田间信息适时采集传感器与数据处理方法。 6、 带 GPS 系统的智能化农业机械装备技术 如带产量传 感器及小区产量生成图的收获机械;自动控制精密播种、施肥、洒药机械等等。 GPS----全球定位系统 GPS定位技术是利用高空中的GPS卫星,向地面发射L波段的载频无线电测距信号,由地面上用户接收机实时地连续接收,并计算出接收机天线所在的位置。因此,GPS定位系统是一下三个部分组成: l GPS卫星星座(空间部分) l 地面监控系统(地面控制部分) l GPS信号接收机(用户设备部分) 应用特点:定位精度高,观测时间短,测站空间无需通视,可提供三维坐标,操作简便,全天候作业,功能多 、 应用广。 7. “ 3S ” 整体集成模式 7.1 “ 3S ” 整体集成模式 以GIS为中心的集成方式(目的,非同步数据处理)通过利用GIS作为集成系统的中心平台,对包括RS和GPS在内的多种来源的空间数据进行综合处理 、 动态存储和集成管理。 以GPS/RS为中心的集成方式(目的:同步数据处理。通过RS和GPS提供的实时动态空间信息)结合GIS的数据库和分析功能,为动态管理 、 实时动态空间信息,结合GIS的数据库和分析功能,为动态管理,实时决策提空在线空间信息支持服务。该模式要求集成多种信息采集和信息处理平台,同时需要实时通信支持。实现代价高。 7.2 3S技术的应用 GPS在精准农业中的应用 l 智能化农业机械作业的动态定位 根据管理信息系统发出的指令,实施田间耕作 、 播种 、 施肥 、 灌溉 、 排水 、 喷药和收获的精确地位。 l 农业信息采集样点定位 在农田设置的数据采集点自动或人工数据采集点和环境监测点均需GPS定位数据,以便形成数字信息进行存储与共享。 l 遥感信息GPS定位 对遥感信息中的特征点用GPS采集定位数据,以便于与GIS配套应用。 l 在防虫治病方面:包括分析病虫害发生的空间动态;评估其发生的适宜生活环境及影响因子;监测 、 预测病虫害发生趋势等,通过结合网络 、 数据库 、 模型库 、 专家系统等 l 水利资源管理方面 GIS 主要用于在水资源管理决策管理决策支持系统 、 区域水资源管理 、 地下水资源管理和水资源保护。 l 农业生产中施肥管理 应用相关的地理信息系统软件,可以建立用于精确农业变量施肥的田间土壤养分信息数据库及田间施肥管理方式。根据土壤采样数据生成田间施肥管理方式。根据土壤采样数据生成田间土壤养分分布图。据此可以了解田间土壤养分差异,并根据该差异进行变量施肥决策和变量施肥作业。 RS在精准农业中的作用 1. 作物长势监测和大面积农业估产 作物遥感检测是利用遥感数据对作物的实时苗情 、 环境动态和分布状况进行宏观的估测,及时了解作物的分布状况 、 生长状况 、 肥水行情以及病虫害动态,便于采取各种管理措施,为作物生产管理者或管理决策者提供及时准确的数据信息平台。 2 提供大量数据源 在精准农业系统中 遥感(特别是高光谱遥感)将为精准农业实施提供大量的田间时空变化信息,遥感技术将成为监测土壤和作物养分变化,水分胁迫和病虫害等的主要数据库源。 3 用于灾害遥感监测和损失评估 例如:从1995年开始,我国就开始了利用卫星等资料进行黄淮平原地区旱灾监测的业务化运行工作,到1999年旱灾监测由监测黄淮海平原地区扩展到全国冬小麦主产区。 GPS在农业中的应用(案例分析) 在播种之前,可用一种适用于在农田中运行的采样车辆按一定的要求在农田中采集土壤样品。车辆上配置有 GPS接收机和计算机,计算机中配置地理信息系统软件。采集样品时,GPS接收机把样品采集 点的位置精确地测定出来,将其输入计算机,计算机依据地理信息系统将采样点标定,绘出 一幅土壤样品点位分布图。 2. 监测作物产量 在联合收割机上配置计算机、产量监视器和 GPS 接收机,就构成了作物产量监视系统。对不同的农作物需配备不同的监视器。例如监视玉米产量的监视器,当收割玉米时,监视器 记录下玉米所接穗数和产量,同时 GPS 接收机记录下收割该株玉米所处位置,通过计算机最终绘制出一幅关于每块土地产量的产量分布图。通过和土壤养分含量分布图的综合分析,可以找出影响作物产量的相关因素,从而进行具体的田间施肥等管理工作。 3 合理施肥,精确农业管理 依据农田土壤养分含量分布图,设置有 GPS 接收机的“受控应用”的喷施器,在 GPS 的控制下,依据土壤养分含量分布图,能够精确地给田地的各点施肥,施用的化肥种类和数量由计算机根据养分含量 分布图控制。 在作物生长期的管理中,利用遥感图象并结合 GPS 可绘出作物色彩变化图。利用 GPS 定位采集一定数量 的土壤及作物样品进行分析,可以绘制出作物生长的不同时期的土壤含量的系列分布图。 这样可以做到精确地对作物生长进行管理。 在传统的条播机的基础上,通过控制播种机槽轮的转速,从而达到变量投放化肥或种子,这就是变量施肥播种机。在正常情况,变量施肥播种机主要是由 GPS 、变量控制器、田间计算机、播种机、液压马达等构成。变量施肥播种机的工作过程如下:将有施肥处方图信息 ( 数据卡 ) 输入 ( 插入 ) 田间计算机。该播种机可以在行驶过程中通过计算机将 GPS 系统的处方图与位置信息相匹配,从而获得当前位置的播种量和施肥量,然后,向液压马达发出控制指令,马达在得到控制指令后。带动播种机的槽轮动作控制播种机的播种量和施肥量。 4. GPS 与精准灌溉 精确灌溉既能满足作物生长过程中对灌水时间、灌水量、灌水位置、灌水成分的精确要求,又能按照田间的每个操作单元的具体条件,精细准确地调整农业用水管理措施,最大限度地提高水的利用效率和利用率。在田间运用 GPS 土地参数采样器采集植物生长的环境参数,如土壤湿度、地温等,通过 GPS 中心控制基站利用专家系统进行植物分析,可以调控植物生长环境,精确凋控节水灌溉系统 . 5. 在无人驾驶拖拉机上的应用 无人驾驶拖拉机是由固定操作站控制的无人驾驶农业机械,它在 GPS 卫星全球定位系统或者在田问附近地面系统的导航下开展作业。通过自动导航系统,拖拉机在无人驾驶的情况下,能够沿着直线和不规则的曲线自动行驶,这种技术目前在欧美国家正在得到快速推广应用。前两年,中国科学技术协会在北京宣布,我国首次研究成功无人驾驶拖拉机,实现了拖拉机在田问作业条件下的自动导航和地头转向控制,这项技术对我国现代农业的发展具有重要现实意义。无人驾驶拖拉机——更多更广泛的智能化农业机械,随着 GPS 的广泛应用和各种新技术的集成,必将走进农业生产一线。 6. 在病虫害防治中的应用 ( 1 )定位功能的应用 在勘查工作通过综合应用 GPS 和 GIS 两项先进技术,可望准确划定害虫宜发区及作物病害的准确位置、地形地貌,为飞机及人工防治时精准施药,高效防治,减少环境污染提供科学依据,从而使飞机治虫及其他工作彻底摆脱了依靠地面人工信号的历史。由于很多害虫属于迁飞类害虫,对于其迁飞路径, GPS 的位置实时回传功能可以对确定其迁飞路径及科学的综合防治提供及时的准确的数据。 ( 2 )测面积功能的应用 通过 GPS 与 GIS 的结合,可准确测量出病虫害发生区域的面积,为合理喷药提供科学依据,对灾害评估及病虫害防治测报工作的科学管理起着重要作用。 基于 GPS 的变量喷洒农药技术 7. 在变量播种中的应用 土壤类型、养分、墒情和地形在田间分布存在差异 , 为了达到整块农田出苗整齐、茁壮生长的目的 , 需要在行进间 , 根据播种处方图随时调整下种量和播种深度。播种机的位置信息由卫星接收机获取后 , 被传输至移动处理器 , 处理器读取播种处方图信息 , 通过液压系统控制播种机的下种量和播种深度 , 实现行进间变量播种作业。 8. GPS 技术用于森林防火 利用实时差分 GPS 技术 , 美国林业局与加里弗尼亚的喷气推进器实验室共同制定了 FRIREFLY 计划。它是在飞机的环动仪上安装热红外系统和 GPS 接收机,使用这些机载设备来确定火灾位置,并迅速向地面站报告。另一计划是使用直升飞机或轻型固定翼飞机沿火灾周边飞行并记录位置数据,在飞机降落后对数据进行处理并把火灾的周边绘成图形,以便进一步采取消除森林火灾的措施。 后续讨论部分(待续)
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精确农业是否会被农业信息学取代?
热度 2 jiaqiangzheng 2014-1-24 10:30
咨询公司GeoSilos创始人Matt Bechdol认为“作为农业创新源,精确农业正在被大数据和农业信息学所取代”(Precision ag is being replaced with“Big Data”and“AgInformatics”as sources of innovation in agriculture,全文附后)。 5年前我们思考了相关的问题,撰写了一篇有关农林工程学科专业的文章( Zheng Jiaqiang, Zhou Hongping, Xu Youlin, Xu Linyun. From Agricultural Engineering and Forestry Engineering to Biomechinfotronic Engineering . International Journal of Agricultural and Biological Engineering , 2009 , 2 ( 1 ): 72-78 ),只是当时能力学识所限,没有考虑大数据的到来。 那么农业工程和林业工程的学科专业建设未来如何改革以及农林生产技术研究突破点与创新点又是什么,需要引起思考。 凭中国人的智慧,中国的农林工程应该可以超前思考些问题,拭目以待。 ———————————————————————————— http://www.agprofessional.com/news/240112191.html?dm_i=1ANQ,24REH,6LPYAB,7P5ZB,1 Precision ag being replaced by‘AgInformatics’ Precision ag is being replaced withBig Dataand AgInformaticsas sources of innovation in agriculture, Matt Bechdol, founder of GeoSilos, a consulting firm focused on leveraging place-based solutions for agriculture, said at a workshop at the American Farm Bureau Federation's 95th Annual Convention. “I don't like the term'precision ag'anymore,” said Bechdol. “Especially if we're not doing anything precise with it. We're going to move to predictive ag and prescriptive ag. We're going to move beyond precision ag with Big Data.” Bechdol's consulting firm helps agricultural companies maximize the use of data and conducts analyses for businesses, policy makers and economists. Bechdol said data is the modern agricultural commodity and that place-based approaches are important tools in adding value because roughly 80 percent of all data has a geographical element. A takeover of new technology is coming soon, according to Bechdol. Wearable technology, for example, like the Fitbit and Google glasses are poised to be used by farmers to help make better planting decisions in real-time while walking their fields. Bechdol went on to discuss apps but criticized their inability to provide the full picture of an organization’s data in one place. “Here's my problem with apps. Apps don'talk to other apps and that’s got to change.” He predicted a rise in dashboards and benchmarking tools that can aggregate data from various apps to make it easier for farmers to access and utilize it. On a larger scale, Bechdol said a technique called “fly and scan” using unmanned aircraft, or drones, will play an increasing role in collecting data for crop producers. Commenting on the downside of big data collection, Bechdol warned attendees to read the terms of service agreements when signing up for free email accounts or downloading operating systems on tablets and cell phones. “They make you agree to share your data with their affiliates, which I'm not saying is malicious, but it's not clear what their intentions are,” said Bechdol. With all this rapidly changing and newly available technology and data, Bechdol called upon Farm Bureau to bring stability, clarity and guidance to farmers who are unsure how to capture and utilize Big Data. “Because coming and it's going to make the difference between the strong and the weak,” said Bechdol. But ultimately, Bechdol believes Big Data and AgInformatics will help developing nations acquire the information they need to sustainably feed the world’s growing population. “I don't think the United States is going to feed the world in 2050.” Bechdol said. “I think we’re going to create innovations to help the world feed itself.”
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[转载]小型无人机(SUAV)在精确农业中的崛起
jiaqiangzheng 2013-9-13 17:35
编译自Reza Ehsani, Joe Mari Maja. The Rise of Small UAVs in Precision Agriculture. Resource , 2013 , 20 ( 4 ): 8-19 无人机( UAV )最初设计完成军事行动中乏味、肮脏、危险的工作。然而,类似于其他军事技术(如 GPS ),很快发现无人机将更多地被应用在民用领域。事实上,美国联邦航空管理局( FAA )被国会授权开放美国空军为 2015 年的无人机商业应用。一位航空经济学家保守预计,这一技术获批商业应用的前三年( 2015-2018 年)将带动 136 亿美元的市场,而精确农业是无人机所有潜在市场中最大的。通过连接无线传感器网络和机器人及其自动化系统,无人机可以改变现场数据采集、监控现场设备甚至操作农业机械的方式。 SUAV 意味着更加轻松和更低成本 SUAV 是重量不超过 10 kg 、可远距离操作以及具有 / 没有完全自主飞行能力的一类无人机。 2012 年美国估计有 220 万个平均 471 英亩的农场。 SUAV 可以携带各种成像传感器来收集田间数据,对种植者而言相对便宜而且操作很容易,能大量用于农场。专为 SUAV 设计、已商业化的成像传感器包括高光谱、多光谱和热成像摄像机,许多其他的传感器和软件正在开发来促进无人机农业使用的商业预期。 无人机可以用于不同农产品种植者,不管他们的作物类型和规模。该技术在农业生产中的潜在应用包括:作物侦察、病虫害分布图、农作物损失评估、贫瘠土壤图像、灌溉排水规划、产量估计和监测、库存管理、作物的除草剂药害诊断、培育植物的选择、空气中的植物病原菌采样、化学品和农药的有效利用、安全与保障、地面车辆的自动化和导航、学术和推广教育等。 所有上述应用均未能通过航空或卫星遥感而进行观察。虽然大量的研究表明,航空成像可用于农业,然而很少有种植者使用航空成像来帮助他们进行决策,因为现有的技术过于昂贵,且分辨率低,或根本就不方便。在一些应用中(如病害检测),用现有的空中成像系统获得的数据的分辨率不足以进行实际应用。此外,租用飞机收集航拍图像的价格会令小种植者望而却步,而且由于采集数据的可用窗口往往是狭窄的而难以安排飞机来收集航拍图像。相反,种植者可以在得到通知后的很短时间内起飞一架 SUAV 。由于 SUAV 低空飞行,可以收集非常高分辨率的图像。最重要的是,一架 SUAV 的成本仅相当于飞机收集一幅或两幅图像的成本。 用 SUAV 侦测病虫害 在 SUAVs 潜在的应用中,侦测病虫害可能是这项技术的最直接应用。人工侦测是目前监测大多数作物的整体健康状况的唯一选择,但人工侦测费时且昂贵,还容易出现人为错误。许多侦测工作,尽管不是绝大多数,都可以用 SUAV 更有效地完成。 病虫害蔓延是全球化的副产品,许多商品作物正在遭受病虫害爆发和突然增加的危险。根据联合国粮农组织( FAO ),每年由于害虫、杂草和病害而损失约 20~40% 的总产量。在佛罗里达州,柑橘黄龙病( HLB )在过去的 5 年里已经造成估计达 36.4 亿美元的柑橘产业损失。如果找不到一种防治 HLB 的方法,这种病害会导致佛罗里达州柑橘产业的进一步减产。而如果受感染果树可以完成航空监测,则种植者可以更低成本地治理 HLB 。 佛罗里达大学食品与农业科学研究所( UF-IFAS )柑桔研究和教育中心正在尝试将 6 波段摄像机装在一个 SUAV 上,采用高分辨率、低空、多波段成像来研究柑橘病害和危害监测。使用健康或受害的个体柑橘树的热成像和可见 / 近红外图像, SUAV 成像系统可以比传统航空摄影以更高的精度从健康树木中区分受害树木。 更多 SUAV 正在开发 目前, FAA 正在制定将无人机集成融入国家空域安全管理的具体规则和条例。尚不清楚 FAA 对安全性和可 靠性的具体要求。而现有多数SUAV工作得很好,但它们的性能也还没有在不同的条件下得到充分的测试。此外,大多数现有低成本的SUAV主要配备爱好者级别的硬件,容易发生软件错误和干扰。 种植者需要新的机具和技术来低成本有效管理新发生或现有病害的传播。SUAV将会为农业提供一个前所未有的发展机会。通过未来几年持续探索,这一技术将会越来越普及。
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