新型数字化农业的发展及其应用

○上海联适导航技术有限公司 陈宏涛 沈培培

北斗导航定位系统作为GNSS全球卫星导航定位系统中的一员，自诞生之日便肩负着重要的使命。作为我国完全自主研究发射的导航定位系统，其在民用方面，特别是农业生产、农业安全方面起着至关重要的作用。

我国作为农业大国，农业安全至关重要，农业的发展也关系着国家的发展。在当前时期，农业机械化、智能化、数字化是农业发展的趋势，也是精准农业发展的目标。基于此，目前已可以实现作业机械的全无人驾驶，作业生产数据等信息实时回传信息化平台，实现远程操作、云端指导等功能。

数字农业的建设与发展是建立在无人化作业的基础上的，通过采集地块数据，实现科学灌溉、施肥、打药等，同时采集不同时期的作物作业数据，最后与其产量做关联，进而分析其生产的影响因素，做到有理有据的种植，有理有据的分析。

而无人化的作业离不开机械化作业的辅助，通过对机械化作业的全过程辅以现代化的技术支持，便可以达到精准化、数字化的高效率作业目标。

一、无人驾驶系统

1.自动驾驶系统。自动驾驶系统是无人驾驶系统的一个前身，经过这几年的发展，自动驾驶系统在农业上已经呈现出了百花齐放的效果。特别是在播种、施肥、打药、中耕、收获等不同作业环节发挥了其高效率的作用。

农业用自动驾驶系统即通过改装拖拉机油路或者方向盘等部件，加装相应控制设备，自动控制作业车辆的转向，使其在自动控制模式下以±2.5CM的控制精度进行作业。

安装自动驾驶系统后，设备可以24h作业不间断，大大提高了作业效率。通过对作业地块的路线规划，大大提高了土地利用率，同时也减轻机手的作业强度，降低劳动人员的操作技术门槛。

2.无人驾驶系统。无人驾驶系统是目前比较热门的一个话题，也是目前农业领域的一个发展趋势和未来的发展目标。当前，依托于互联网技术的发展，无人驾驶系统已在插秧机上进行了广泛应用，且效果显著。

通过将自动驾驶系统安装在插秧机上，并增添结构件，控制其油门、刹车、秧盘的抬升与下降等，最后在控制器的作用下，各个功能区相互协调，从而可实现完全无人作业。

目前无人驾驶系统除插秧机外，已成功应用在运苗机、履带式拖拉机、自走式打药机、无级变速大马力拖拉机等设备之上。

二、 智能喷雾系统

北斗智能喷雾控制系统可以根据作业车辆的速度快慢，自动控制农药喷洒量，并且可以预先设定每亩打药量，实现精准喷洒的效果。其主要通过北斗定位模块、显示屏、控制器以及大小流量控制阀组组成，安装调试简单，其有效控制精准度可达99%以上。

安装智能喷雾控制系统的打药机

三、卫星整地系统

卫星整地系统是基于卫星定位技术，结合北斗基准站系统，通过系统设定需要的基准高度，配合液压油阀等控制部件，可以实时地操作平地铲进行升降，在地势高的地方铲土，地势低的地方进行卸土，通过几个来回的作业，达到土地整平的效果。

安装有卫星整地系统的作业车辆

整个系统操作过程相对比较简单，整平后的土地可以更好地进行土地灌溉，包括进行一些水田整平的作业。

四、精量播种系统

目前农机作业的重要一环便是播种作业。为了达到更高的投入产出比，需要对种子、肥料、农药等精准把控，尽可能的减少浪费，降低投入成本，保证最高产量，进而达到更高的效益。

目前国内多个厂家，其中包括播种机厂家均有这方面的研究，其设备不仅做到精准播种，还可以实时对播种量和施肥量进行监控，获取单位面积播种量等信息，并可以将信息回传至信息化平台，为后面的数字化农业提供数据支持。

五、土壤探测系统

1.系统简介。数字化农业的发展需要数字化的作业数据以及理论支撑。由于不同地块的土壤成分相差较大，我们可以通过土壤探测系统TSM（Topsoil Mapper），实时扫描区域内土壤在一定深度范围内的电导率信息，通过数字化处理软件生成区域内的数字化地图，进而为变量播种、变量施肥等提供支持。

安装有TSM土壤探测系统的设备

2.系统组成。TSM土壤探测系统，由前部的传感器扫描系统、高精度定位天线、显示控制平板等组成。通过人工作业行驶到需要扫描的区域，扫描完成后将数据进行导出到本地进行数据分析。

TSM土壤探测系统简介

3. 数据分析。将扫描获取的数据导入数据分析软件Topsoil Data Analyzer里面进行数字化处理，可以获取到该区域内不同深度的电导率信息，进而分析其不同深度的含水量、不同区域的压实度以及土壤成分结构信息。

通过分析绘制的土壤信息，可以为下一步的变量施肥、变量播种进行科学地分析。结合后续的作业规划，在不同的区域内进行针对性的施肥、播种、灌溉等作业。

六、数字化农业发展

1.数字化农业简述。前面的内容主要简述了目前机械化作业的一些应用案例，包括北斗无人驾驶系统、北斗自动驾驶系统、北斗智能喷雾控制系统、北斗卫星整地系统、北斗精量播种系统，以及TSM土壤探测系统等。这些系统的应用为数字化农业提供了实践基础。

目前数字化农业主要包括高标准的农田建设、数据化的变量播种/施肥作业、不同作业季的田间管理、采集各个区域作物产量信息。

同时还需要获取其生长期间的气象数据等外部环境数据，不同时期的农作物生长状况等信息，将同时期信息进行关联汇总，并记录回传至信息化平台。

2.数字化农业应用。目前在黑龙江建三江地区、上海嘉定地区已成功进行了数字化农业与无人农场的试验。

无人农场是数字农业发展到一定阶段的产物。数字农业可分为以下四个阶段：

1）以感知设备为基础的农业物联网；

2）以农业产销全产业链数据为基础的农业大数据；

3）以单农机精准智能控制硬件为基础的精准农业；

4）以大数据平台+智能精准硬件为基础的智慧农业。

3.数字化农业无人农场的建设。

（1）标准农田建设。通过北斗卫星整地系统，将现有小型、不规则、高低不平的田块进行整合，从而建设出标准化的利于进行无人作业路径规划、适于农机具作业的农田。

（2） 地理信息系统及基础服务网络建设。无人农场由大数据服务平台、智能农机和传感器物联网组成，数据传输依赖稳定可靠的通信网络，需要在农场建设不低于4G的通讯网络系统，5G通信技术具有更好的边缘计算能力和更小的延时，更适合用于打造数字化无人农场。

另外通过无人机多光谱数据以及卫星遥感数据，可以对地理信息进行采集。

通过架设多个北斗GNSS网络基准服务站，网络基准站的部署遵循半径30km的覆盖范围，可以满足智能农机的导航、平地、测绘等基础服务。

（3）田间物联感知网络构建。田间物联感知系统包括小型气象站监测、田间视频监测、土壤信息监测等。

田间小型气象监测站

（4）无人农业智能生产硬件。数字化无人农场的作业生产过程依托于无人智能驾驶系统，其包括无人播种作业、无人插秧作业、无人田间管理、无人施肥/打药作业、无人收割作业、无人田间信息采集等，通过这些无人化的作业，其作业数据可以实时有效的传送到数字化农业信息化平台，对数据进行分析，进而改善工艺，提高产量。

无人水田打浆作业

（5）基于大数据物联网云平台的AI智慧农业信息化平台。无人农场的物联网指的是构成农场的各个基础要素之间的互联互通，数据实时互传共享，达到信息实时反馈，及时感知、收集各个农业生产关键节点的数据，为生产决策提供数据支撑。其核心即基于物联网的无人农场智慧管理云平台，其分支节点则由各种智能传感器、无人农机具、基础地理信息等部分组成。具体包括：

1）基础地理信息采集与共享。

2）农业生产智能传感器。

3）基于高精度定位的无人驾驶设备。

4.数字化无人农场精准化。通过农业“耕种管收”生产中的多类型数据的采集、甄别和大数据分析，确定各有效数据的权重因子，最终建立标准有效数据与土壤肥力图之间的函数关系，从而根据预期产量生成施肥处方图；通过智能农机装备实现变量施肥、减肥增产或不减产，减少或避免倒伏，响应国家“一控、二减、三基本”国策。

自动驾驶、北斗卫星平地等精准智能农机装备的投入使用，是建立高标准农田、获取标准有效数据的必要途径，为最终生成土壤肥力分布图提供有效的数据支持；以光谱技术，如无人机多光谱/高光谱、卫星高光谱等技术为用户提供定期的大面积作物长势监测，及时针对不同区域的长势情况作出处置，做到合理的田间管理。

以智慧农业服务云平台为入口，以手机App和小程序的方式为用户提供全生命生产周期的定制化技术服务，打通农业科技与种植户之间的最后一公里。

精准农业的是智慧农业发展的必然阶段，下一个发展阶段即为智慧农业的代表形态无人农场。