精准农业技术体系分析与展望

周俊池

(湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128）

0 引言

近年来，农业得到了飞速的发展并逐渐趋向产业化，粮食安全与人类和环境的关系由于不同技术的应用而发生了翻天覆地的变化[1]。在这方面，传统农业系统强调利用化石燃料的使用和投入来维持农业成果的产出，如化肥、农药、除草剂以及高能耗高污染的农业机械。尽管应用此类技术和手段在一定程度上明显提高了农业生产率，但它们破坏了延续农业系统所依赖的多种自然资源，随即也引发了诸多问题与挑战，如农作物减产、养分利用效率低下、水土流失、土壤板结、土壤生产力降低、水体富营养化、农药抗性、耕地面积缩小等[2-3]。这些问题引起了国内外的广泛关注，也一直是农业研究的热门话题。

因此，在生产、经济、生态环境等方面，迫切需要发展可持续农业措施。随着农业信息化的推进，传统农业也开始深入改革，同时，众多学者也致力于开发一种可以维持土地质量的、能够保持和扩大生产潜力的可持续发展农业方式，能够高效地利用有限的资源，节能减排和维持生态系统的服务，成为一种很好的选择，而精准农业是一种很好的选择[4]。精准农业是实现农业低能耗、高效率、品质优良、环保安全的重要途径，也是全球农业科技革命的方向，更是我国实现农业现代化的有效途径[5]。与传统农业方法相比，精准农业致力于技术研究生产粮食，以满足世界各地的粮食需要，减少环境对其不利的影响。

1 精准农业的内涵

精确农业(precision agriculture)又称精确农业或精细农业，不同学者对其定义不尽相同[6-7]，目前被普遍接受的含义是通过现代高新信息技术和农业技术，根据特殊场所的详情，实现农业资源综合利用，并准确、高效地以田间为基础。各部分的土壤、作物的特点调整了农业生产方式和管理措施，从而提高了作物产量和质量，最大程度地提高了农业的生产，实现了优质、高产和低耗能的农业可持续发展[8]。精准农业所隐含的原理是仅在作物生产最需要的时间和地点投入生产所需要的资源，减少不必要的浪费，做到低投入高回报[9-10]。

精准农业是一种基于多种技术工具（如全球定位系统、地理信息系统和遥感等）综合集成的农业信息系统，它将信息技术与农业生产技术相结合，并试图根据实际农田的种植需求提供合理数量和适当类型的资源投入。同样，精准农业也被认为是基于信息技术的农田管理系统，该系统专注特定地点的生产管理，用于确定、分析和管理农田种植系统内部的变化，以实现农田系统的盈利、可持续性[11]。精准农业提出了可持续利用农业资源的新概念，并被定义为一种管理概念，它结合了通信和信息技术来管理农场的时空变化[12]。精准农业的目标是收集和分析有关土壤和作物状况变化的信息，以便在农田的小区域内最大化农资投入的效率。

2 精准农业的意义

众多研究评估了精准农业技术的影响，发现它不仅可以降低农田生态系统的成本，而且还可以提高作物产量。此外，仅在需要的地方准确施用化学药品和肥料，可以减少农业活动对地下水和地表水的污染[13]。准确的机械引导系统可以提高效率，为农民带来可观的回报。Takacs-G et al[14]研究发现精准的自动转向系统可以通过减少重复以及增加操作的及时性（如在晚上喷洒农药）为农民节省5%～15%的投入成本（燃料、农药和肥料）。提高产量、改善经济和补偿成本被视为应用精准农业技术的优势[14]。除了经济效益外，还必须考虑环境利益，例如减少温室气体排放以及化肥和农药引起的污染等[15]。通过减少营养物质和农药等的过量使用，精准农业可以提高农民的收入，并减少农用化学品对地下水或地表水的污染[16]。

Anton J et al[17]表示精准农业除了对生产者的收入以及生态环境有明显的作用以外，它还能够对就业机会和农业结构产生巨大的社会效应，如提供咨询服务、售后支持服务、专用工具等，特别是农村地区的农场规模分布。国外的Swinton S et al[18]曾经研究表明精准农业可以带来约57%的利润。还有研究发现，精准农业由于产量增加和成本降低而使农场获利，同时财务管理的改进能够促使风险管理得以改善以及农场管理能力得到提高[19]。提高生产率、利润率和可持续性，改善产品质量、产品管理，保护土壤、水和能源，提升生产效率，将环境影响和风险降至最低是为了实现农业发展的环境和经济可持续性。

3 精准农业技术的研究现状

精准农业并不是一个全新的概念，早在几十年前，牧民每年都要去自己管辖的草场视察，并根据牧场的实际情况有针对性的在草皮较差的地区播撒种子和肥料。这是精准农业最初的简单体现，但是这种行为完全取决于农民的经验，在大多数情况下，农民的主观因素严重影响着最终的收成。而且，这种农业行为会受到天气、气候等不利的环境条件影响。随着科学技术的发展，精准农业的概念越来越受到人们的认可和追捧，其理论也相对更加系统和完善。虽然国内外对于精准农业的研究曾做出细致的讨论，如谢海军等[20]人和Prost L et al[21]研究了精准农业的理论体系，陈恋、董柳柳、何友铸等[22-24]人讨论了精准农业的技术应用。但是整体来看，精准农业是一个循环优化过程，其中必须从现场收集数据，进行分析和评估，最后对现场管理实现准确的应用决策。我国自古以来就是一个农业大国，农业发展对于我国经济和社会的发展紧密相关。新时期，党的十八大提出了“四化同步推进”的新要求，并制定了农业现代化的新目标，对于精准农业的实施提出了更高的要求。因此，了解目前国内外精准农业的研究现状、问题与不足，对我国精准农业的研究、应用与发展具有极其重要的作用。本节就精准农业实施的一般过程进行系统阐述。

3.1 数据采集技术

精准农业的前提和基础就是获得客观的真实数据，并将它存储起来用于进行作物管理和决定评估，以便为未来农业活动作出决策。本小节重点介绍了全球地理位置信息采集系统，用于收集农田信息，以及在种植和收获农作物期间使用的产量监测技术。

3.1.1 全球卫星定位系统（Global Positioning System,GPS)

全球定位系统是利用地球上空通讯卫星连续和准确获取数据，通过地面接收系统把野外的数据记录成地理编码，从而使目标全天候和高精度地对其进行定位[25]。该技术在农业领域的应用很广，因为它能及时精确、有效地获取与农业资源有关的空间信息，从宏观上实现农业资源全面的调配和监管，确保最大限度地实现。一般应用如下：根据GPS位置准确报道作物的产量，对土地资源的使用状况进行动态监控，对田地土壤中含量的分布和分布进行调查[26-27]。GPS接收器和产量监测器共同提供空间坐标产量监测数据，可以生成不同字段的产量图；整合了不同的卫星所收集到的数据，并在其协助下进行。建立现场管理战略，用于化肥施用、品种栽培、作物收获。将全球定位系统和地理信息系统结合起来，使得精准农业在特定地点的开发和实施成为可能。基于GPS的精准农业已成功应用于农业规划、田间制图、土壤采样、农业机械引导、产量制图等方面[28]。

3.1.2 遥感（Remote Sensing,RS）

遥感技术（RS）指的是在传感器没有与物体直接接触的情况下，检测和识别电磁能，准确获取各种实地信息[29]。精准农业中的遥感应用是通过安装在卫星、飞机或地面设备上的传感器收集和分析有关作物和土壤特性的信息[30]，获取农田时空变化信息，预测农作物产量的同时准确预警农情[31]。在农业领域，最常用的遥感包括光学遥感和热学遥感。光学遥感是利用可见光，通过检测目标区域表面反射的能量来创建地球表面的图像[32]，已经成功的应用于估算各种植物参数，例如叶面积、植物覆盖、生物量、叶绿素含量等。光学遥感最大的缺点是这些变量响应较慢，通常仅在植物出现明显的胁迫损害后才进行调整。相比之下，通过热传感器检测的表面温度是监测作物生长和胁迫的相关变量[33-34]。热学遥感是测量从物体表面发出的辐射并将其转换为温度而不建立与物体直接接触的过程。通常，作物冠层表面温度是蒸腾速率的函数，而它本身又是大气蒸发和作物可用土壤水分状况的函数。作物中的压力（即水、杂草、养分）会影响其冠层温度，可以在关键的阶段对其进行测量，以用于规划、管理和优化农业生产和投入[35]。此外，最新的多源遥感技术联合使用开展实时实地监控，还提供了广泛的潜在应用，包括检测作物压力、了解农作物的分布状况、监测农作物生长、及时发现病虫草害等[36-37]，不仅为农业生产管理部门及时提供准确的信息，也有效预防和降低病虫害所导致的经济损失[38]。

3.1.3 产量监控（Yield Monitor,YM）

产量监测技术用来监控农作物在种植和收获过程中的产量，从而对整个农田进行产量的预估。产量监测技术通常与全球定位系统产量监测器结合，收集作物在特定时期的表现，如作物密度、水份含量和覆盖范围以及地区等。就目前来说，比较成功的实验是小麦氮素的实时监测技术，通过这种技术的研究，小麦的最佳氮肥施用可以极大地减少农民氮肥的使用，实现小麦的需求与氮肥的同步，实现了氮肥的供应。既提高产量，又提高养分的利用率，保护生态环境[39-40]。此外，市场上比较流行的还包括棉花、花生、甜菜等作物产量监测仪。马鑫等[41]人把产量监测技术应用到作物收割机中，借助GPS系统来确定农业机械位置、收割机速度、收割幅度和籽粒流量对田地区产量进行了精确的评估。产量监测设备的设计推动了农作物收获机械产量监测技术的发展，使作物在收获期间实现实时的产量监测，使作物在收获期实现自动、智能和信息化，为作物产量进一步监测提供理论基础。

Li X et al[42]表示，目前所有GNSS都使用70颗以上的卫星，但是当所有四个系统（GPS、GLONASS、Galileo和北斗）全部部署完毕时，数目将达到120颗卫星，对于农业数据的采集是一个极大的利好。而且，随着我国北斗导航系统的全面运行，我国农业的发展将迎来新一轮的契机，精准农业的信息化发展将更加深入。

3.2 数据分析技术

农业的发展日趋复杂，精准农业的推广与实施更是让农民获得了大量数据，对农田系统的实时数据采集完毕并初步加工后，接下来就是对数据分析和评估，这些技术的应用范围十分广泛、变量众多，从简单的基于计算机的决策模型到复杂的农场管理和信息系统。

通常，初步获取的数据数量众多，如果要准确理解其含义，则必须对所有收集的数据进行分析和解释，而这需要现有的技术或新开发的方法来完成。统计学基于所谓的“区域变量理论”，可以对简单的统计信息形成一个初步的范围和分布，进一步处理可以构建出特定农田系统的本地地图。如果这些数据满足长期的连贯性，那么这些分析所得的数据可以为农作物的分析和管理开辟新的可能性。数据分析的目的是定义可以共同管理的具有相同特征的领域。管理区的划界应该满足地区的均质性，进而对相同的区域可以以相同的方式管理和实践，大大省去了农业管控的成本和环节。

Burrough et al[43]将地理信息系统（GIS）定义为功能强大的计算机软件工具平台，一般包括：以数字形式存储空间数据，管理数据并将其集成到GIS系统，以所需格式检索和转换数据，分析数据并转换为目标信息，信息管理和决策。GIS技术在过去几十年得到了飞速发展，如今已被视为潜在的基于地理信息技术的空间数据分析和管理工具，在自然资源管理、环境保护、区域规划和城市开发以及公共事业管理方面发挥着重要作用[44-45]。GIS在农业中的主要应用领域包括地图测绘、农林资源管理、土地资源管理、耕地评价、农田污染评价[46-47]。对具体的农业生产而言，通过GIS获得的高光谱和多光谱图像对于分析作物健康和土壤湿度具有重要作用。此外，GIS支持对化肥使用、农药管理、作物逆境测绘和农田灌溉进行高水平的分析与决策，从而高效解决农业问题[48]，并且将农业属性与GIS、RS等多技术结合使用，可从根本上提高农业生产力[49]。

3.3 精准决策技术

精确决策技术是指在收集到有关农田的全面状况（使用数据采集技术）后进行适当的处理和加工（数据分析技术），这些数据必须分析才能得出最佳的作物管理决策方案（精准决策技术）。成功的关键在于及时获取信息和精心制定决策。农业上应用比较普遍的有决策支持系统（DSS）和可变量技术（VRT）等。

决策支持系统（DSS）是基于计算机来支持农业决策的系统。精准农业与农民的决策直接相关。在农业中，它可以替农民为农场管理做出正确的决定，因此可以将其描述为将数据转换为决策的大脑[50]。ArnóSatorra J et al[51]曾经试图在巴基斯坦大力发展DDS，但是由于经济和科技的限制一直停滞不前。Kitchen N et al[52]指出在精准农业实施的过程中准确的作物模型有助于DSS的成功研发。

除了DDS以外，农场管理信息系统（FMIS）也具有不错的应用。FMIS被定义为有目的的系统，用于收集、处理、存储和分发以执行农田操作和功能所需要的特定形式的数据[53]。FMIS的基本组件包括面向农民的设计、专用的用户界面、自动数据处理功能、专家知识以及标准化的数据通信。由于农业是一个复杂的系统，它包含了农民、贸易商、政府机构、农业机械、环境法规、经济成本等之间的许多相互作用。为了提高系统的功能性，已经提出了各种数据库网络结构和软件体系结构提高FMIS的适应性和兼容性[54]。FMIS也涵盖了许多功能，如库存、记事、营销、特定时刻和位置的管理功能，并且也在不断地修改和完善[55]。就当前的发展而言，FMIS已经可以成功用于作物监测，农田或农场的全面管理，如计划灌溉、喷雾调整以及准确的天气预报等。

可变量技术（VRT）是现代农业机械设备中一种能实时改变并自动调整的高效工具，其核心是“实时问诊，对症下药，差异对待，精准调校”[56]。因此，它可以在化肥、农药等田间喷施，大大提高农业的生产效率。可变量技术通常包括四个部分，即完成信息处理与加工的控制器、定位坐标与引导田间定位系统、提前探测和及时提供信息的传感器、精确作业的可变量施用装置，其中还包括农耕、施肥和农业化等设备[57]。当前比较流行的是使用各种来源收集的数据（如GPS数据、RS图像和GIS生成的图形）基于合理的农艺学原理制定特定地点的实施计划，帮助农民减少不必要的投入，从而降低农业生产成本。同时还能对预先获取的地图信息或通过传感器“随时随地”收集的信息做出调整，更改反馈速率[58]。Hatfield J L[59]研究发现，采用变量施药方法可减少约50%除草剂的施用，陈勇[60]研究发现，使用自动除草机器人对杂草进行切割，再往野草切口涂除草剂，可节约农药消耗90%左右。

4 完善精准农业的对策与展望

基于当前我国农业机械化信息化发展的现状，以及农业主体经营的改变和农田用电率较低的问题，从我国精准农业市场的潜力和发展情况可以看到，精准农业的市场有着巨大的潜力。因此，应根据中国农业发展面临的实际问题，走上具有中国特色的精准农业发展道路，实现中国农业可持续发展。具体地说，我国精准农业技术与理论制度需要进一步完善与发展，在理论指导、人才培养、技术发展和实践应用等方面还有待进一步提升。

1）我国精准农业的研究起步晚，发展缓慢，尚缺乏系统成熟的理论体系。因此，应充分利用通过GNSS数据分析给定区域的变量的产量监测技术，例如作物产量和水分含量，从而对预期的农作物产量进行合理的评估，有利于政府部门积极地对市场进行调整和应对。

2）制约我国农业技术发展的因素众多，如地形复杂、基础建设落后、信息化程度不高。可变量技术可以控制对农作物的成本和能源的投入，但是它容易受到土壤类型，天气状况和地形特点等不利因素的影响。因此，未来的研究应该致力于开发出更加稳定、更加实用、可以应对各种情形的变量技术，使之应用于农业机械中，成为我国农业现代化的强劲的助推剂。

3）信息数字化是未来农业的发展趋势，如果农业数字化实现，那么科学家和农民可以更加方便地获得农作物、土壤状况、气候条件、植被状况等信息，模拟实际生产过程进而制定可持续发展对策。随着全球信息化的深化和GPS、GIS、RS技术日趋成熟，同时也在农业现代化的发展中展现出巨大的优势，多种技术联合使用是未来的一个发展趋势。

5 结论

农业发展目前存在着双重的矛盾，既要扩大产业来满足人口不断增长的需求，又要同时推动农业产品的经济、社会和环保效益，实现经济、社会和环保效益的双重发展。精准农业的出现与发展，可以很好地化解两者之间的矛盾，更是中国农业现代化发展的一个必然趋势。将农业建设和多种高科技联合运用并贯穿精准农业的各个环节，可以有效地提高我国现阶段农业生产水平，实现我国现代农业发展的目标。