精细农业中农田信息获取技术综述*

杨哲炜 ，王英皓 ，雷云帆 ，李 洋 ，王国宾

（山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049）

精细农业的核心是对农田作物信息的快速提取，即通过全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）、物联网技术等获取农田作物产量及周边环境信息（如土壤结构、垄距、病虫害）等，实现作物评估、病虫害检测等[1]。

1 3S技术

3S技术即全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感（RS）。在精准农业中，单纯地运用GPS、GIS、RS中的某一种技术并不能完全满足实际作业过程中的需要，还需要将GPS、GIS、RS有机结合起来，用GPS精确定位地面位置，用GIS对地面信息进行存储、分析、辅助决策，用RS进行宏观控制[2]。

1.1 通过全球定位系统GPS实现定位

1.1.1 GPS技术概述

近年来，GPS技术发展迅猛，在农业领域应用广泛，提供了用于农田信息测量、定位、信息采集和与智能化农机配备的差分GPS（DGPS）设备[3]。GPS是通过“时间同步，单程测距”的原理来实现定位，就是用户向四个卫星分别进行距离测量，从而定出用户空间上的位置。但是，由于这样操作存在较大的误差，所以人们越来越重视差分GPS的研究。差分技术就是使用用户接收机外还使用一台GPS基准接收机，图 1为差分GPS定位示意图，由图1可知，通过用户站和基准站发送的数据进行差分解算，得到更正值，消除两者的公共误差源，从而大大提高测量精度[4]。差分GPS技术根据基准站发送的差分信息的不同可以分为位置差分技术、距离差分中的伪距差分技术和距离差分中的载波相位差分技术（RTK）。

图1 差分GPS定位示意图

1.1.2 GPS技术在农业中的应用

美国Trimble公司专门为精细农业研制了载波相位差分技术（RTK）厘米级测量型DGPS接收系统，如AgGPS 124等，可以接受信标台发布的地区性差分校正信号免费服务或由近地卫星转发的差分校正信号收费服务[5]。载波相位差分技术（RTK）厘米级测量型接收系统，这项技术在我国得到了大量应用，可以帮助农业无人机精准播种喷药等[6-7]。目前，国内使用的GPS定位系统大多采用美国的GPS技术，相较美国本土，中国的GPS服务费较高。我国的北斗系统已进入第二期应用阶段，但在农业领域里的应用还处于前期研发探索阶段[8]。

1.2 通过遥感技术RS宏观控制

1.2.1 RS技术概述

遥感是非接触的，远距离进行探测和识别的技术，一般指应用传感器/遥感器对物体的电磁波辐射反射特性的探测。现有的卫星遥感技术获取的遥感图像像素较低，难以应用于农业领域的监测，虽然地面遥感技术已经广泛应用于获取农田作物信息，但监测范围小，需要的成本高，难以实现大范围的监测[9]。多光谱和高光谱设备的快速普及，数字测量技术的日趋成熟使无人机遥感技术迅速发展[10]。

1.2.2 RS技术在农业中的应用

RS技术可应用于作物产量预测、病虫害预测、土地状况调查、种植面积获取等。赵静等[11]提出一种基于FCN的无人机玉米遥感图像垄中心线提取方法。通过无人机获取的高精度农田图像，用FCN对图像进行处理，得到整片田地的垄中心线栅格图，方便农业机器人进行全局规划。兰玉彬等[12]通过低空无人机高光谱影像进行一系列处理对果园黄龙病植株进行判别，有效提高了果园管理效率。目前，国内外有关无人机遥感技术的研究主要应用于北方大田作物上，受气候和作物种类多变的影响，如何将无人机遥感技术应用于南方丘陵山地等地方还有待研究[9]。

1.3 通过地理信息系统GIS进行信息处理

1.3.1 GIS技术概述

地理信息系统是一个用于描绘地球和其他地理要素并突出其特征，从而显示和分析经空间配准的信息的系统。将表格数据变成地理图形显示，从而为农田制定决策和农田情况分析服务。此项工作主要借助地图来实现。GIS地图是一个交互式的窗口，通过GIS地图可以访问和使用所有地理信息，数据以及GIS人员创建的丰富的空间分析模型[13]。

1.3.2 GIS技术在农业中的应用

GIS是精准农业的大脑，具有很强的分析、查询和帮助制定决策的功能。应用该系统可以将土地边界、土地类型、历年土壤测试结果、化肥和农药使用情况、历年产量做成地理信息系统图管理起来，找出影响产量的主要限制因素，为分析差异性实施调控提供处方信息[14]。徐霞等[15]基于地理信息系统作出了对河南省小麦区域节肥减排潜力评价。目前的GIS软件都是基于二维平面，设计三维GIS模型和可视化问题还有待研究。

1.4 3S技术集成

作为单项的GPS、RS、GIS在许多领域已经取得了很大的成就，但随着3S技术的研究和应用的不断深化，运用其中单独一种技术已经不能满足一些情况的需要，还没有实现三者的真正集合。目前3S集成的应用比较简单浅显，一般是对于遥感已获取的图像通过遥感图像处理，通过GPS进行精确定位，最后将结果输入GIS中进行分析处理。目前3S集成较好的例子有美国的集CCD摄像机、GPS、GIS和惯性导航系统的移动式测绘系统，CCD摄像机实时摄得数字图像，GPS和导航系统可以根据数字图像实时求得线路上目标（如两旁建筑物和道路标志）的位置并随时送入GIS中，而GIS中原先存有道路网和数字地图信息用来修正GPS和CCD成像的系统误差[16]。

2 物联网相关技术

2.1 物联网概述

物联网即万物相连的互联网是通过智能传感器技术、无线传输技术等多种技术按照约定的协议将物品连接到互联网上，以实现智能化识别、定位、监测等功能的一种网络。图 2为物联网简单工作图，由图2可知，通过传感器采集数据，主控模块处理分析，发布到阿里云物联网平台等平台上，用户可以通过移动端或者PC端查阅[17]。

图2 物联网简单工作图

2.1.1 无线传输技术

物联网所使用的现代主流通信技术包括ZigBee、NB-LOT、GPRS、LORA。ZigBee是一种新兴的无线传输技术。低功耗低成本，功能可以满足农业监测的要求，但相关行业标准等未完善，未来的前景十分可观。杨宇辉等[18]设计了基于ZigBee的农田土壤湿度监测系统，通过测试，节点之间的距离在50 m内可以保持稳定的通信，满足对信息的高效、精准监测的需求。NB-LOT技术也是物联网的一种新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，具有低功耗低成本、广覆盖等特点。张滔等[19]设计了基于NB-LOT的土壤温湿度监测终端系统，在农田进行了实验，证明了NB-LOT终端系统可以满足农田监测的要求。GPRS技术是基于GSM系统发展的一种新通信技术，使数据网络和移动用户进行连接，采用分组交换的思想，用户可以同时占多个通道，多个用户也可以占一个通道，大大提高了通信效率。LORA技术是一种基于网关协调的通信技术，通过网关接入以太网，使设备拥有更长的传输距离，相较ZigBee，LORA工作频率较低，传输距离更长，是一种独特的传输技术[20]。

2.1.2 传感器技术

传感器技术是当今世界最受人瞩目且发展迅速的高新技术之一，美国在20世纪80年代就已声称世界已经进入了传感器时代，日本把传感器技术列为六大核心技术之一[21]。多传感器的信息融合也是发展趋势，可以避免单一传感器的局限性，提高采集能力和精确度[22]。19世纪80年代，Mouazen等[23]开发了土壤在线分析光谱装置，图3为土壤在线分析光谱装置，由图3可知，在犁铲部分安装有光源和光学探头，可以将光入射到沟底表面并收集反射光，通过分光计，测量其吸光率从而反映出了其物质的量。该装置可以用来较精确地分析碳素含量、含水量、pH值等指标。

图3 土壤在线分析光谱装置

随着电子技术的发展，2 0世纪初开始日本shibushawa团队成功研制了多功能田间在线多功能土壤检测装置，并已将其作为商品售卖。不仅加入了土壤电导率传感器，还通过较精密的光谱仪获得的高精度光谱对土壤含水量、有机质含量、氮含量以及电导率进行了精确的分析。虽然日本shibushawa研制的在线多功能土壤检测装置加入了土壤电导率传感器，但是这时电导率测量还只是辅助装置，并没有和光谱分析有机结合起来。从20世纪90年代开始，Lund E D就从事土壤电导率在线检测系统的开发，开发出了Veris系列土壤电导率测试系统。进入21世纪之后，组合了土壤光学传感器，研究开发了土壤电导率/光学在线传感系统。利用土壤电导率传感器和光学传感器相结合，实现土壤SOM和CEC的高精度预测分析[24]。从上述土壤在线分析光谱装置优化过程中可以看出，精细农业对传感器技术的要求也越来越高，多传感器的有机结合也是未来农业的发展趋势。

2.2 物联网技术在农业中的应用

物联网技术可应用于农业灌溉、施肥管理、农业病虫防治等。通过物联网技术在农田安装传感器，实时采集农田中空气温度、湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤温湿度的信息，对作物生长环境进行实时监测[25]。吴泽全等[26]设计开发了基于物联网和传感器技术的水田无线监控系统，能实时采集水田环境数据，还能通过数据进行自动决策生成，控制水泵和阀的通断，进行水田的自动补水断水。

3 结束语

实现精准农业是社会发展的必然趋势。信息获取技术的整合可以有效管理各种农业资源，将信息收集、分析、决策整合为一个共同信息流，降低生产成本，提高农业生产效率，是走向精细农业的关键技术。因此，相关工作人员应当充分掌握对农业信息获取技术的应用，实现农业信息获取技术在实际生产中的有效应用，实现精准农业，以满足农业发展需要。