“北斗+高分”在无人农场中的应用展望

文 | 卜一平 侯瑛男 陈思 赵超越

哈尔滨航天恒星数据系统科技有限公司

一、引言

2021 年2 月，中共中央、国务院发布《关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》，提出“建立农业农村大数据体系，推动新一代信息技术与农业生产经营深度融合。”同年3 月，农业农村部办公厅发布了《关于申报2021 年度全国农业农村信息化示范基地的通知》，指出“重点支持示范基地发展，鼓励示范基地率先承担农业农村改革试点示范任务，为加快推进农业现代化奠定基础。”可见国家为推广无人农场理念，出台农业相关政策及规划，全面提升了农业无人化作业模式在农产品生产的应用范围，不断加快推进农业现代化。

无人农场作为智慧农业的发展方向，综合应用生物技术、农机监控技术和信息化技术等先进技术。其中“北斗+高分”技术作为我国自主研发的导航遥感技术，为农机作业的定位导航、自动控制和无人农场的信息化、数字化、智能化管理提供了有力支撑。

二、研究背景及现状

1.无人农场现状

无人农场可以定义为通过对设施、装备、机械等的智能控制，实现农场全空间、全天候、全过程无人化生产作业的一种农业生产组织模式。英国哈珀·亚当斯大学（Harper Adams University）与Precision Decision 公司建成了世界上首个无人农场（Hands-Free Farm）。目前，欧美、日本等发达国家建设的无人农场已经应用于实际生产中。在无人农场进行农事活动时，农户几乎不用进入田间，而是依靠物联网、云计算、人工智能和自动农机控制等高新技术实现农事作业。“无人化”是无人农场的基本要求以及显著特征。我国的无人农场目前也进入了实验研究阶段，无人农场的建立和普及逐渐成为农业现代化的发展趋势。本文研究对象为大田农业生产中，通过高分遥感影像、农机自动驾驶、物联网设施等高新技术，实现对土地、作物、环境、农机、投入品等数据的观测、统计、数据分析、决策，形成全天候、全过程的无人化作业模式的无人农场。

2.北斗导航技术在农业中的应用

随着北斗导航技术的发展，我国大力发展智慧农业、数字农业，将北斗导航技术与农业生产、农机导航、农情监测等深度融合。北斗三号全球卫星导航系统的正式运行，标志着北斗导航系统进入国际化服务新时期，也意味着可以为农业信息化升级提供更多支撑。以北斗卫星导航系统结合传统农业需求和技术，打造了“北斗+农业”新发展模式，显著提升了农业生产技术先进性，为传统农业的发展升级提供了有力保障。在生产实践中,北斗卫星导航技术还可以和其他先进农业耕作技术有机融合,从而全面提高农作物产出效益。未来卫星定位技术将更加实际地指导农业信息化发展,同时结合农机机械化技术重点实现无人驾驶和自动收割。

北斗导航技术广泛应用于农业生产中，如农机自动导航驾驶、农机作业质量监测、农机智能作业等方面，精准、全面、立体化地获取大田环境数据，精准控制农机田间作业，有效降低生产成本，提升农产品质量和生产效率，降低劳动强度，提升耕地精度，提高作业效率，针对农作物种植全过程提供科学的解决方案。在农机自动驾驶方面，通过北斗高精度定向定位天线和差分技术，监测农机的实时位置信息和方向信息等，并以此为依据结合控制算法模型控制农机自动驾驶。在农情监测方面，采用了依托北斗卫星导航技术的物联网监测、云计算、无线通信等前沿技术，对农作物进行大区域、全生命周期的监控，并根据实时数据实施深耕、插秧、灌溉、施肥等农事活动。

3.高分遥感技术在农业中的应用

随着我国高分辨率对地观测系统的基本建成，高分遥感应用加速落地。卫星遥感具有覆盖范围广、时效性高等优势，是农作物类型识别的主要技术途径，并且我国高分遥感卫星的核心技术指标达国际领先水平，所获取的高质量多光谱遥感数据已在农林、生态、环保、防灾减灾及国家安全等领域广泛应用，结合基于卫星遥感的农作物类型分类与辨识技术，可以较为细致地刻画作物空间分布信息，并以此为种植结构调整、保障农田安全、制订合理的农业政策等提供数据基础。随着卫星遥感技术的深入发展，面向大宗农作物类型的“数据—样本—算法优化”研究应该是当前农作物遥感算法研究的重点努力方向。

高分遥感技术在土地信息调查、农业生产效果评估、农村种植格局监测等工作中提供了有力支撑，为我国农业生产提供了真实可靠的判断依据。在产量预估方面，可观测指定作物的实际种植区域并计算相应面积，结合作物生长情况及单位产量信息，预测出该农作物的大概产量，实现精准产量预估，同时节约了农业大田数据统计成本。在作物生长监管方面，依据作物长势结合实际生长情况，不断调整反演模型参数，监测农作物关键参数如叶面积系数、叶绿素、氮含量、氮累积量等信息，通过这些参数评估作物长势，帮助农户计划何时实施播种、灌溉、施肥等农事活动,同时可提供预测农产品品质的参考依据。在灾害预警方面，根据自然灾害如干旱、寒潮、洪涝的相应判断模型，若监测到灾情及时进行提醒、报警，从而尽可能减少自然灾害带来的损失，并针对灾情状况，进行补种、抢收、灌溉、追肥或排水排渍等抗灾措施。

三、“北斗+高分”系统在无人农场生产管理中的探索

“北斗+高分”系统作为我国北斗导航卫星和高分遥感卫星的综合应用，高分遥感卫星提供耕地影像数据，是作物信息和环境数据分析的基础，北斗导航系统提供定位、导航和授时服务，可对遥感影像显示的内容进行高精度、高可靠性定位。在此基础上与GIS 系统深度结合，形成一个动态、直观、实时、数字化、广域、各行业各层级都易于使用的农业管理平台。“北斗+高分”系统无人农场应用如图1 所示。

图 1 “北斗+高分”系统无人农场应用示意图

“北斗+高分”系统应用于各个农场、合作社等大型农业经营主体，通过北斗导航卫星和高分遥感卫星的深度融合，针对当前农作物种植整个流程中土地、作物、环境、农机、投入品等数据的观测、统计、数据分析、决策等需求。以北斗导航卫星技术和网络技术作为基础，结合物联网监测设备获取高精度、可靠及时、全方位的粮食作物生产活动信息，同时通过对历年农业遥感影像结合天气、农事活动等信息的数据汇总、整理、分析，并以此作为依据实现对大田农业的精确管控，能够显著节约用于农业生产的投入成本，为后续农业生产计划以及农机调度提供良好的数据分析支撑和决策辅助作用。同时凭借这些数据在农业资源统筹、土地使用调查、作物产量预估、农业投保理赔等方面提供必需的数据汇总、整理、分析、决策等服务。如今，“北斗+高分”系统已经在黑龙江、新疆生产建设兵团等地的大型农场中广泛应用。下面对“北斗+高分”系统在无人农场种植产前、产中、产后三个场景的具体应用分别进行分析。

1.“北斗+高分”系统在产前环节的应用

在产前环节中，由于耕地是农业建设、生产、经营管理的重点对象，农田地块、土壤信息是无人农场备春耕阶段重要的数据基础。为保证生产计划安排、种植物资储备等活动顺利开展，可通过高分卫星遥感影像结合北斗土壤信息采集终端在特定地区针对田间土壤成分、农田肥力、地块信息等农情信息进行快速、大范围的监测。通过对上述信息的汇总、整理、分析，制作土地信息分布图、生产计划、施肥建议卡等生产资料，作为农作物种植规划，农机工作调度，种子、肥料、地膜、农药储备等工作的依据。基于高分遥感技术应用于农田信息监测如图2 所示。

图2 高分遥感技术应用于农田信息监测示意图

2.“北斗+高分”系统在产中环节的应用

在农业生产过程中，基于北斗导航技术的农机自动驾驶系统依据生产作业的需要，设定农机行驶路线，并依据当前农机位置信息以及农机行驶方向、车轮当前角度数据，结合控制算法模型得到转向指令并发送至主控机构，而主控机构再通过改变农机液压系统或者方向盘，改变农机车轮方向，调节农机的行驶方向，确保农机能按沿着指定路径行驶，进而提高了农机作业质量和农事生产效率。基于北斗差分技术的农机自动驾驶应用系统如图3所示。

图3 农机自动驾驶应用系统示意图

同时，高分卫星遥感技术通过遥感影像数据获取气候监测、农情灾害、作物品种、种植面积、农作物长势等农情信息，上述数据结合地理坐标信息，可以绘制农作物与土地二者相互关联的专题图，便于人们查询、分析、管理有关土壤和作物的信息。通过对上述农情信息的整理与发布，为农业管理部门和生产单位追肥计划、灾害预防等决策工作提供信息支持。此外，通过分析农作物光谱，配合农学知识可以建立不同条件下的产量预报模型，实现作物产量的监测预报，为银行信贷、保险理赔等服务提供有力的数据支撑。农业监测专题图如图4 所示。

图4 农业监测专题图

3.“北斗+高分”系统在产后环节的应用

在产后环节中，无人农场作为高标准建设农田为满足消费者粮食安全、产品可追溯的需求，需要对农作物的仓储、物流的全过程进行监管，通过北斗导航技术能够实现车辆集中统一的信息化管理和运输过程的可视化。通过定位终端提供实时的物流车辆和货物位置信息，同时为运动轨迹的实时查看和回放提供数据，获取货物运输状况。监管部门可随时掌握物流车辆的运行状况、任务的执行情况，下达调度命令。进而补全对农作物从种植到收获、从仓储到销售全过程的生产及物流数据，为产品的质量安全溯源提供数据支撑，实现粮食安全全程监控追溯。

四、结论

如今智能化无人农场正快速发展，但整体上对无人农场技术的研发还处于探索阶段。获取可靠准确的农机农情信息，从而实现精准化作业成为最关键的问题。“北斗+高分”信息技术与农业科技高度融合，广泛用于高标准农田中并建立起自身领域优势，为促进现代化农业高质量发展提供有力支撑，具有广泛的农业应用前景。未来实际农业生产中，无人农场能否借助“北斗+高分”系统取代传统农场，还需要进一步的技术发展和应用实践。