美行漫记：体验美国精准农业应用

国外航天 · 2016-11-22 23:46:28

农民自建CORS　　清晨出门，迎着细雨，乘风破雾，来到爱荷华州迪比克市。爱荷华州在美国的中北部，地处黄金玉米带，种植玉米、大豆和小麦等经济和粮食作物。　　此行的目的是调研美国农业CORS建设与应用情况。国内这几年自动驾驶系统应用推广较快，市场前景广阔，但高企的系统成本（如1+1模式）和滞后的基础设施建设，也严重地制约着这一成熟技术的普及应用。农业是否需要CORS？如何建设低成本的CORS？怎么设计农业CORS合作建设模式？带着这一系列的问题，闻听美国有农民自建CORS，便兴冲冲地踏上了调研之旅。　　美国是卫星导航技术的发源地。按说，在美国，GPS的基础设施无处不在。地上，有国家和州建设的能提供厘米级导航定位精度的CORS站；天上，则有可供免费使用精度达到750px的WAAS，还有能提供5~625px定位精度的OmniSTAR和StarFire品牌接收机。那农民为什么还要自己建CORS站网呢？　　从莫林市机场前往迪比克的路上，CHC公司的Lance热情地介绍着他们的客户DigiFarm公司。该公司的创始人是David，他家有千余亩的农场，10年前在拖拉机上开始使用RTK，一开始用州政府在当地建设的免费RTK基准站，通过无线电台获取差分信息。但由于政府的设施疏于管理，特别是每到抢收抢种的农忙季节，时不时的故障，极大影响着他的农业生产；不断修建的房屋和起伏的农田，也会阻断无线电信号的传播。为此，四五年前，他铁心自建CORS站，真正实现差分信息自主可控。他的创举，被邻居们看在眼里，纷纷要分享他的基站信号，当然都自愿掏腰包。随着用户越来越多，David发现了有利可图的商机，便立即成立DigiFarm公司，短短的几年时间，在爱荷华州、伊利诺伊州、内布拉斯加州等地，扩建了百余个CORS站，并联成网，通过移动通信网络、无线电台等提供实时RTK差分服务。　　如何建站？大部分的站，都是DigiFarm和当地农场主合作建设。他们提供RTK基站、天线及有关设施，农场提供房屋和无线网络。设备主要用CHC和NavCom公司生产的基站接收机，软件则用德国的Geo++。虽然州政府的CORS站是免费的，但他们基本不用，只是用其中2个站进行CORS网的检验对比。　　如何收费？建站农场免费使用，对于本州客户，每个注册用户每年收取750美金的费用，外州则收取900美金。目前大约有800余个用户。相比之下，Trimble公司的VRS要收取1300美金。　　如何推广？建站农场起主导作用。建站农场既是合作者、用户，也是代理商。由于建站农场与周边农场都是邻居，熟门熟路，便于现身说法。每发展一个用户，建站农场分成40%，并负责接收机的接入、调试、培训和指导。据说DigiFarm只有数个员工，只负责CORS的维护。

州政府建设的GPS站　　那为什么不用OmniSTAR和StarFire呢？其根本原因，除了价格因素（OmniSTAR大约1500美金），还是因为星基差分的精度远不如RTK网络差分。卫星差分误差加上机械操控误差，总体误差较大。例如，对于免耕（No-Till）播种作业，要求第二次播种带不能与第一次播种带重叠，需错开一定的距离。在国内考察，也发现有此要求。棉花灾后重播，既不能播在已播位置，也不能破坏旁边的滴管带，这种农艺要求对精密播种作业提出了很高的导航定位要求。显然，DigiFarm公司找准了自己的技术和价格优势，才能够在“天罗地网”中脱颖而出。　　百闻不如一见。下午，Lance驱车带我去见David和Jerry。David正在田里收割玉米。他们为了直接脱粒、粉碎秸秆，在玉米成熟后，仍要等待一段时间，使得玉米穗在田里风干到一定程度。David见我们来了，跳下收割机，邀请我一起上到驾驶室，边干活，边介绍，非常淡定。David看起来很年轻，后来知道才34岁。在驾驶室里，他挂着一个AgLeader公司的产量监控器，可以实时显示产量、湿度等信息。据说，这个公司很善于贴牌，唯有这个产品是他们公司自主研发的产品，也是精准农业较早应用的产品。产量图可以较好地反应土壤养分及水管理情况，为下一年度的农田管理提供直接的信息。与我上周在堪萨斯州看到收割大豆用自动驾驶系统不同，David的联合收割机这次没有用自动驾驶，因为需要与家人开着卸粮食的拖拉机进行同步行进。他指着旁边的拖拉机说，上面那个白色的就是GPS天线，其接收机直接接入他的CORS网络，进行自动驾驶与精密播种和农药喷施导航。

基地GPS天线　　Jerry是DigiFarm的合伙人，一个典型的美国“男孩”。他从小喜欢编程，大学只念了一年半就弃学了，认为那些课程一点用都没有，纯粹浪费时间。1993年他创立自己的第一个IT公司，2001年转手卖掉了，想干点别的。2002年，他买下了当地冷战时期修建的SecureHosting中心，为相关企业提供灾难备份。这个中心不简单，可以抵御核武器的攻击，里面的设备全用弹簧隔震，连马桶都用软管连接。我很“幸运”，受邀参观他的基地，因为他只允许一个人跟随他参观，同行的Lance都不能下去。下到地下，感觉不到丝毫的空气浑浊，反而非常舒适。DigiFarm在地下只占了一个机柜，通过地面近50m高的铁塔，与外部建立无线互联网连接。他在基地储备了大量的柴油和发电机，以备不时之需。　　在考察的路上，路过一个代理商。其厂房内外，摆放了各型农业机械。其中，有些大型拖拉机，已经安装GPS RTK接收机。据Lance介绍，拖拉机厂进行前装的情况不多见，大部分的前装都由代理商进行。代理商有很高的积极性。据说，目前1500英亩（9000亩）以上的农场，基本安装了GPS RTK系统。自动驾驶系统的使用，可以减少无聊的方向盘操纵，使驾驶员更好地关注作业质量，并且多少也有助于提高“农民”种地的积极性。因为现在美国的农村劳动力状况持续恶化，很多农民都年近七旬了。谁来种地呢？一方面农场主的孩子们进城工作，另一方面农场太贵，农场难以易主。按1英亩1万美金计，1000英亩的土地要价1000万美金。Jerry说，有那么多钱，投资农场干什么？并开玩笑说：买农场意味着死亡！　　下午的参观完毕后，感慨良多。在国内，CORS是什么？岂不是只有测绘部门的专业人士才能玩？但在美国，一个“普通”农民，非专业人士，竟然建起了横跨数州的农业专用CORS，竟然与响当当的Trimble玩起了鸡蛋碰石头的游戏。一天的调研，也印证了自己的一些设想，就是我们也可以尝试走出一条合作建站的模式，建设低成本、高质量的农业CORS。这两天，欣闻有上海和北京企业拟合作在华东建设农业CORS网，但愿他们取得成功。　　RTK新应用　　离开迪比克市之前，还有小半天时间。Lance说要给我讲讲RTK在圆形喷灌机中的应用。　　Lance打开谷歌地球，漫游到内布拉斯加州密苏里河两岸广袤的平原上，只见网状的线条间，呈现出无数或方、或圆的绿色图案。原来，网状的线条是农场至市场道路，或方、或圆的图案是农田，圆形的图案是圆形灌溉农田。

圆形灌溉农田　　在我的印象中，圆形喷灌机不过是一段段机械部件，在电机、电磁阀的驱动与控制下，边走边喷，进行浇灌、施肥和喷药。即使有同事找我，想结合北斗做些研究和应用，我也没有想到高精度的RTK，在这种大型机械作业中有何特别的用途。但听Lance一番介绍，深感自己孤陋寡闻和主观武断。　　圆形喷灌方式的一个显著问题是农田四角存在喷洒盲区。如图所示，农田面积约940亩地，喷灌机的有效作业面积约810亩地（半径约410m）。也就是说，大约有130亩地被浪费了，占比14%。130亩的农田价值约130万元人民币，可谓不小的损失。　　针对这一问题，农民也在想对策。有的农场有四块或多块土地，就在四块农田之间，再加装一个小半径的圆形喷灌机，但四个角和农田间的结合部依然存在浪费。　　后来，有聪明的农民和工程师，想到在喷灌机上安装RTK接收机，精确设定喷灌机最外一节管道的收回与打开时机，不可谓不巧妙呀。当喷灌机转到角上时，可以停下来或慢慢行走，通过控制相邻电机间的相对运动速度，“打开”最外一节管道，使之扫过原来够不着的角落。等喷灌机转到边上时，如法炮制，又可以通过控制电机“收回”外面的管道，呈“7”字形地通过“狭窄路段”。就这样，一开一收之间，近百亩的农田就“无缝覆盖”了。　　农田中常有沟渠和建筑物，是喷灌机作业的主要障碍。这又该如何应对呢？RTK有办法！喷灌机公司拿着手持RTK终端，先行精确测绘农田轮廓，确定喷灌机的圆心坐标，计算喷灌机每节管道的长度，通过简单的图形作业，就可以准确地划定喷灌机轮子行进的道路。针对障碍物，利用手持RTK终端进行标绘，然后逢山开路、遇水叠桥。　　在内布拉斯加州及周边，我预估圆形喷灌农田有几万块，如果每一部圆形喷灌机都安装一台或数台RTK终端，那么就有数万台RTK终端的销量，昨天拜访的DigiFarm公司又可以增加大量的用户。只可惜因经费和时间原因，不能去现场实地调研。　　我原想，在农业领域，RTK的重要应用是自动驾驶和变量控制。现在看来，应该换个思路，琢磨哪些劳动生产率、土地利用率、农产品质量、农机作业质量或农机管理效率还有待提高？从问题和需求入手，进行创新探索和实践。　　　　……　　　　上文摘自《卫星应用》，如需详情请查阅该期刊。

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