精准农业实施方案与服务

航天 · 2016-11-22 23:46:20

一、卫星导航在精准农业中的应用现状　　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。　　精准农业作为一种现代化农业理念，就是将最先进的卫星导航技术应用于农业生产中，从而达到科学合理地利用农业资源、提高农作物产量、降低生产成本、减少环境污染、提高经济效益的目的。具体来说就是在传统农业中综合应用全球导航卫星系统（GNSS）、地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）和计算机自动控制系统，使传统农业逐步向农业生产自动化方向发展[1]。这是目前农业生产最前沿的技术和发展方向。　　目前我国在精准农业方面的应用，主要集中在农机自动驾驶作业，它能够提高农机作业的精准度，减少作业误差，提高农业生产的标准化程度，促进土地的高效利用。然而，要最大限度地提高产量，降低投入，使有限的土地资源效益最大化，自动驾驶仅仅是开始。精准农业在与卫星导航相融合的过程中，其内涵也在不断地延伸，还包括自动驾驶、产量测定、流量控制、变量控制、播种控制、信息共享[2]等。　　在精准农业领域，美国GPS导航系统依托凯斯、约翰迪尔等大型农机生产厂商，占据着我国农业导航市场主要份额。基于国家安全的考虑，同时考虑到GPS的费用、地基增强网络和服务能力等限制，我国亟待开展研制基于自主北斗导航系统的智能农机终端，制定行业标准，创新服务模式，实现北斗在农业中的产业化发展。　　1．国外精准农业发展现状　　2013年全球导航定位市场规模达1080亿美元，卫星导航正以空前的速度发展。作为卫星导航的重要应用领域，农业生产的各个环节已实现了相对成熟的卫星导航产业化应用。　　基于3S技术的精准农业是现代化农业的主要发展趋势，3S技术中最重要的一环即是卫星导航定位技术。当前世界各国精准农业发展水平及产业模式发展水平参差不齐，美国、加拿大、法国等国处于领先地位，韩国等发展中国家虽然起步较晚，但发展速度迅猛。　　美国是最早应用3S技术开展精准农业的国家，主要集中在精准作业、农情监测等方面。美国有近16万个年收入25万美元以上的大规模农场，农场耕地面积占整体的37%。其中有60%~70%的大农场均采用精准农业技术，提高粮食产量、节约农业投入成本。在GPS产业化推广方面，美国GPS系统广泛推广大众应用，并形成重要产业，其军民应用比已达1︰20。美国已形成将GPS系统与凯斯、约翰迪尔等大型农机生产厂商绑定出口销售产业链条，其精准农机产品迅速占领了全球主要市场，形成相关的GPS农机应用标准，基本垄断了全球精准农机市场，最大程度地制约了其他国家农业导航系统的发展。美国在精准农业领域的主要产品包括约翰迪尔（JOHNDEERE）的“绿色之星”精准农业系统，凯斯公司的“先进农业”（AFS）系统，天宝公司的AG系列农用设备，ESRI公司的ArcGIS地理信息系统。另外，凯斯公司生产的导航自动驾驶终端、约翰迪尔公司生产的大马力拖拉机和联合收割机等设备，均基于GPS导航系统。这些为GPS全球产业推广奠定了坚实的基础[1，3]。　　加拿大是世界第七大粮食生产国，多年来致力于依托GPS系统开展农业生产中的精准耕作，使其农业信息化水平稳居世界前列。与此同时，加拿大政府鼓励将GPS技术应用于精准农业等国民经济领域的企业参与国家导航基础设施建设，提倡民间资本进入导航产业开展行业应用建设，政府每年投入固定预算购买民间企业导航定位、数据挖掘等增值服务，以促进本国导航产业的健康发展。　　法国是欧盟最大的农业生产国，世界第二大农业食品出口国。法国多年来不断探索在农业生产中推广卫星应用技术，开展精准农业，提升农业生产效率；并且在精准作业和农情监测方面已经取得了一定的成绩。在精准作业方面，法国跟随美国、加拿大等国的步伐，通过进口基于GPS的先进大型农机、自动导航驾驶仪等设备，实现变量施肥、变量施药、变量灌溉等精准作业，提升了本国的农业机械精准作业水平。法国对于农业导航产业化发展的高度重视已经取得了一定的成绩：政府与企业出资共同组建商业化运营公司，由企业主导运营管理商业公司，开展导航数据加工、基础位置服务、终端制造等业务。同时为从事导航信息产业的小公司免费提供基础位置信息，供其后期加工挖掘，以扶植中小企业，促进国内导航产业发展。　　韩国是农业卫星应用起步较晚的国家，但其采用了农业卫星应用的“追赶型”模式，注重卫星应用技术的实效性和产业的延续性。其已经建立了比较完善的农业卫星应用体系，依托农情监测、精准作业等手段实现农业增产、稳产，并采用商业运营模式开展数据增值业务，政府和民间资本共同投资建设精准农业应用公司，通过向国内大型农户提供精准作业服务，获得巨大利润。在精准作业方面依托进口约翰迪尔、凯斯等厂商的大型农机和精准农业作业设备，基于GPS发展本国的导航产业，在产业应用、行业推广上做出自己的特色，实现农田精细耕作，全面提升了韩国农业现代化水平和农业生产效率。　　总体上，国际上农业卫星导航市场被美国GPS系统牢牢占据。美国本土的几家大规模农机制造商均推出了绑定GPS系统的精准农机，并提供相应精准作业服务，由此实现了GPS的农业垄断，给他国卫星导航技术的发展制造了阻碍。　　2．国内精准农业发展现状　　当前我国北斗导航系统在海事、交通、电力等应急救援领域起到重要作用。我国北斗导航中长期的战略目标是开拓国内民用市场，在农、林、渔等重点行业推广基于北斗导航技术的一体化兼容型终端；普及国内行业与大众应用，逐步取代GPS系统，形成北斗导航产业，为北斗导航的国际化推广奠定基础。其中农业领域是卫星导航产业推广的重点。　　精准农业是我国卫星产业推广的重点，1999年国家发改委支持北京发展精准农业；2001年农业部开始支持黑龙江农垦总局开展精准农业示范；科技部从“十五”开始首次在863计划中支持精准农业技术自主创新研究；2003年3月，科技部在北京组织召开了“中国数字农业和农村信息化发展战略研讨会”，来自相关领域的专家共同探讨并制定了我国精准农业的发展战略；2003年8月，科技部启动实施了国家863计划“数字农业技术研究与示范”重大专项，以构建拥有自主知识产权的精准农业技术体系；科技部从“十一五”后在863计划中以“精准农业技术与智能装备””重大专项的形式对精准农业予以支持；科技部制定的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中，明确把农业精准作业与信息化作为农业科技发展的优先主题[4-5]。如上一系列强力支持计划彰显了国家对于精准农业强势发展的信心。　　总体上，我国农业卫星导航的发展在原有基础上已取得了一定的成就，但示范区域覆盖面积小、规模化应用缺乏、核心技术受限都是亟待解决的问题[6]。尤其是GPS系统的使用不但需要高昂的设备及软件引进费用还给我国农业信息安全遗留了巨大的安全隐患。国内基于北斗导航技术的精准农业受限于技术水平、资金储备与市场份额仍处于初级发展阶段，欲形成完备的农业导航产业仍有很长的路要走。　　北斗导航农业化推广的阻碍主要体现在以下几个方面。　　1）运转资金短缺，行业规模推广缺乏。目前北斗农机终端的出货量虽然逐年攀升，但与GPS市场份额相比，仍有较大距离。大量资金的注入在快速催熟产业。但是，国内融资环境不容乐观。产业发展初期，企业经营状况整体不佳；缺乏对私人、投行及风投资金的吸引力；公开上市难度大，造成了产业资金短缺，影响企业的正常科研投入和发展[7]。　　2）企业少、小、杂，行业凝聚合力薄弱。国内从事北斗农机终端的企业有百余家，但企业呈小、散、乱的分布形态，致使产业整体竞争力低，且不利于资源的合理配置。如何重组行业资源，优化产业结构，提升产业拓力，是一个重要难题。并且国内掌握核心技术企业仅十余家并且各自为战，企业间缺乏合作与交流，重复研究现象严重。过多企业盲目投资进行关键技术研究，不仅加剧了资金短缺，而且造成了科研人力、设备资源的浪费，延缓了技术攻关速度。　　3）GPS占据市场，国内信息安全受胁。目前，国内精准作业农机上的导航自动驾驶仪全部依靠进口设备，其中美国天宝、约翰迪尔等品牌占据绝大多数份额。这些进口设备采集我国土壤墒情、耕地状况、作物长势等信息，利用卫星回传，涉及粮食产量等农业秘密信息，给我国农业信息安全带来巨大的隐患[8]。　　4）设备服务有限，产业发展规模受限。农机GPS导航自动驾驶需要地面基准站提供的RTK差分信息。GPS差分基准站设备采用美国天宝公司的数传电台，根据实际测试结果，其最大有效作用距离（半径）仅为30km，限制了农机的作业范围。而省级以上范围的GPS差分站建设在国内是被明令禁止的。因此，无法实现大范围的农机调度指挥，限制了农机资源服务潜力最大限度的发挥。　　二、精准农业对导航定位技术的需求　　（1）农情监测位置服务需求　　建立起对农田土壤湿度和地表温度进行卫星微波遥感监测，并根据卫星微波遥感所得到土壤湿度、地表温度数据预报粮食产量，开展基于多源遥感数据的协同反演与监测，提供农田尺度的关键农情参数信息服务，根据实时的农田尺度农情信息，满足即时进行农田生产管理的调整的需求[1]。　　（2）农田地块位置服务需求　　通过建设农田地块地理信息系统，在农场卫星遥感影像的基础上，结合农场农田地块图，建设农场农田地块地理网络信息系统，使农场职工和各级管理人员能通过互联网络方便地对农场农田的地理位置、土壤信息、种植作物情况等信息进行查询[4]。　　（3）高精度北斗差分定位需求　　目前，农机管理信息系统已经在部分农场中推广应用，由于系统用户承载量有限、GPS导航终端费用过高、存在农业信息泄露安全隐患等问题的限制，无法实现大规模应用。高精度北斗差分定位系统的建立能够解决信息安全隐患问题[4]。　　（4）种植业生产管理信息化需求　　为实现种植业生产管理数据信息的计算机管理和计算机网络支持，实现数据资源共享，为种植业生产管理决策分析提供可靠的信息和数据支持。以建立包含农田地理信息系统、种植业自然资源信息、种植业生产环境信息、种植业生产状态信息等信息数据库为目标，建立农业数据库信息管理系统，满足种植业生产管理信息化的需求。　　（5）基于位置服务的农机管理信息化需求　　为满足信息的分析处理、监控对象的图形化展示、机车的档案管理、机车作业成本费用管理以及机车的作业指挥调度的需求，建立起农机作业北斗导航定位跟踪系统、农机作业及农具场视频监控系统、无线网络传输系统和农机具管理信息系统，通过有线和无线传输技术，实现农机场、机车和控制指挥中心之间的信息传输[6]。　　（6）农产品质量追溯信息化需求　　为实现农产品从基地到市场的全过程跟踪管理，建立农产品产业链质量追溯信息系统。建立原料、半成品、成品各生产环节的质量档案，产品出厂通过条形码标明产品生产信息。并建立产品销售档案，一旦产品发生质量问题，通过条形码和产品质量追溯系统，就可以追根溯源。追溯产品的整个生产过程，进一步可以追溯到问题的发生环节[7,9]。　　从粮食安全的角度出发，保证农产品质量，保证农药化肥低毒无残留，保障土壤安全，真正地让百姓吃到放心粮。建立从农田到餐桌的全过程粮食安全管理体系，实现“生产有记录、流向可追踪、信息可查询、质量可追溯”。研究开发粮食生产基地——粮食加工——粮食流通全过程质量安全追溯关键技术和系统平台，对于保障我国粮食安全具有十分重要的意义。　　（7）基于位置服务的综合农业平台需求　　增强农业抵御自然灾害的能力，实现实时监控决策，统一指挥调度、统一区域联防，合理安排农业生产。实现粮食的网上实时交易、并辅以物流配套体系，汇集仓储、运输、金融、质检等多种服务。为粮食交易商提供网上订单交易、竞买交易、竞卖交易、现货交易等，建立基于位置服务的综合农业服务信息化平台。　　（8）农业大棚实时监测需求　　农业物联网是实现农业上作物与环境、土壤及肥力间的物物相联的关系网络，通过多维信息与多层次处理实现农作物的最佳生长环境调理及施肥管理。但是作为管理农业生产的人员而言，仅仅数值化的物物相联并不能完全营造作物最佳生长条件。视频与图像监控为物与物之间的关联提供了更直观的表达方式。通过在大棚内内安装摄像头和高精度的温度、湿度、光照等传感器组成智慧农业物联网，监测大棚内的基础农情信息。并将实时图像和基础农情信息回传监测中心，监测中心再通过回传的基础农情信息为管理农业生产人员提供决策支持，为农业生产经营管理的智能化提供服务。　　三、创新型精准农业实施方案与服务模式　　我国是农业大国，农业问题关系到国家经济繁荣及社会稳定，是国家平稳发展的先决条件。精准农业在实际农业生产中的应用，可以实现农业增产增收，作业效率提升并服务三农经济。　　农业生产中增加产量和提高效益是最终目的。要达到增产增收的目的，除了适时种植高产作物，加强田间管理等技术措施外，弄清土壤性质，检测农作物产量、分布、合理施肥以及播种和喷撒农药等也是农业生产中重要的管理技术。尤其是现代农业生产走向大农业机械化道路，大量采用飞机撒播和喷药，为降低成本，如何引导飞机作业准确投放是十分重要的。利用卫星导航技术，配合遥感技术和地理信息系统，能够做到监测农作物产量分布、土壤成分和性质分布，做到合理施肥、播种和喷洒农药，节约费用、降低成本，进而实现农业生产规模化，生产过程的自动化、精确化，生产管理的科学化、现代化，达到增加产量提高效益的目的。　　1．精准农业实施方案　　哈尔滨航天恒星数据系统科技有限公司多年来潜心研究卫星导航领域的产业化推广，针对农业领域提出了创新性的精准农业实施方案，以求有利于提升精细化、信息化管理水平，实现农业生产的规模化，生产过程的自动化、精确化，生产管理的科学化、现代化，推动农业信息化建设。　　改方案采用卫星导航技术、GIS技术、云计算技术、物联网技术等多种技术，涉猎包括高端装备制造、高端服务业、农业在内的多种产业，创建了符合国内卫星导航发展模式及农业产业链的精准农业服务模式。在创新型精准农业服务模式中坚持“大平台、大数据、大农业”的基本原则，强调数据的保密性、融合性、集成性。通过四层平台架构模式实现精准农业与卫星导航的完美融合。基本架构图如图1所示。

图1 卫星导航精准农业架构图　　1）感知层：为平台层提供数据支撑，原始数据包括北斗参考站原始观测值、农机状态信息、农机位置信息、农情遥感数据、农情传感器监测数据等。　　2）传输层：主要用于数据支撑层采集数据的收集、信息数据的交互、分发。传输层主要采用地面有线网络和地面无线网络，地面有线网络含运营商提供的FDDI光纤、以太网、DWDM、SDH等网络设施提供的有线通信链路，无线网络包括3G、4G网络。　　3）平台层：基于云计算技术构建，提供农业遥感影像数据、传感器监测数据、农机位置数据、农机状态数据等海量异构数据预处理、海量数据管理、专业应用数据服务、用户管理等基础服务。　　4）应用层：搭建上层应用系统，为农业生产用户提供各类农业应用服务，包括基于北斗的农机导航精准作业服务：高精度导航定位、农机生产调度、农机日常管理、农机增值服务等；农情监测服务：农作物播种面积监测、农作物长势监测、农作物病虫害监测等；大棚内基础农情监测：大棚内的温度、湿度、光照和实时图像；农产品安全追溯服务：对农产品生产到销售各个环节的监控；农产品电子交易服务：农作物质量评价和分级、农产品货源信息及农产品网上销售渠道；农业会商服务：多点会议和会议录播等视频会商；畜牧业信息管理服务：饲料配方方案和治疗方案设计，畜牧业养殖场所的相关设施环境监控；农业信息化接口服务：为已建或在建的农业信息系统提供兼容接口，补充尚未建成的农业信息系统。　　2．精准农业服务模式　　服务模式中的农业综合服务平台对需求中各领域进行了有效融合，在满足农业信息化综合服务平台的应用需求的同时推进了各技术的发展，拓展了各技术行业的应用范围。国内农业经营信息化程度低，缺乏大型农业信息实用数据库。农资商品和服务的网络化刚刚起步，农民通过网络了解市场行情的不多，而直接进行网络交易更是凤毛麟角。导致龙头企业与农户之间的产业链尚未形成，初级产品附加值低，精细加工能力较弱，大多停留在初级产品阶段，附加值低。农业信息化的建设，农产品电子平台的推广，有利于普通农户对市场行情的了解，实现供给与需求的对接，方便生产者与农产品加工商寻求合作，进行农产品深加工，形成完整的产业链条，帮助农民增收，促进农业经济转型。　　卫星导航技术在现代精细农业中具有核心地位，为精细农业提供实时高效准确的点位信息，为农机作业提供高效导航信息，没有卫星导航定位系统，现代精细农业也就无从谈起。随着精准农业向着更加精准的方向发展，卫星导航定位系统将会得到更加普遍的应用，将在现代化农业中起到愈加主导的作用。我国是世界农业大国，人口多耕地少的基本国情决定了解决粮食问题的根本出路在于发展现代精细农业。精细农业技术必将成为新世纪农业高新技术的热门课题。连续几年中央“一号文件”的发布，对于改变传统落后的农业生产方式，大力发展现代精细农业技术，实现农业产业化而言是一个有力的契机。应当抓住这个难得的机遇，以先进科技为支撑，大力发展现代精细农业。创新型的精准农业服务模式有利于高端装备制造、高端服务业和农业等多个产业融合，扩大产业范围，满足更多更广的需求，推动技术向前发展。　　　　四、精准农业发展趋势　　农业是我国的立国之本，关系民生发展。适应现代化的农业发展，融合卫星导航技术与农业发展，科学合理利用农业资源、提高农作物产量、降低生产成本、减少环境污染、提高经济效益已成为精准农业的发展趋势。同时，伴随着传感器、物联网、云计算、大数据以及互联网的出现，传统的粗放式农业生产模式已向集约化、精准化、智能化、数据化转变，逐步迈向智慧农业[2,8]。智慧农业是农业生产的高级阶段，是集互联网、移动互联网、云计算和物联网技术为一体，依托部署在农业生产现场的各种传感节点（环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等）和无线通信网络实现农业生产的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策。智慧农业是云计算、传感网、3S等多种信息技术在农业中综合而全面的应用，从而实现更完备的信息化基础支撑、更透彻的农业信息感知、更集中的数据资源、更广泛的互联互通、更深入的智能控制、更贴心的公众服务。智慧农业对于建设世界水平的农业具有重要的意义。　　　　……　　上文选自《卫星应用》，如需详情请查阅该期刊

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