《精細農業(yè)與智能化農業(yè)機械裝備》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《精細農業(yè)與智能化農業(yè)機械裝備（107頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、精 細 農 業(yè) 與智能化農業(yè)機械裝備,,1,,,,1. 精細農業(yè)的基本概念 2. 精細農業(yè)前3S簡介 3. 智能化農業(yè)機械裝備 4. 結束語,4,1.1 精細農業(yè)概念的引入背景與演變; 1995年，前國家農業(yè)部部長劉 江同志率中國農業(yè)代表團訪問美國時，與前美國農業(yè)部部長會談曾提問：未來21世紀引起全球農業(yè)生產領域重大裝備技術變革將是什么？當時明確回答是：“ Precision Agriculture ” , 在美國還有一種說法叫 “ Precision Farming ”。 代表團回來后，我國的新聞媒介便開始了“精確農業(yè)”、“精準農業(yè)”的宣傳。 我國從事：“ Precision Agricul

2、ture ” 研究與攻關的學科帶頭人是中國工程院院士、原國務院學位委員會農業(yè)工程學科評議組組長、中國農業(yè)機,5,械學會和中國農業(yè)工程學會名譽理事長、世界糧農組織農業(yè)工程專家組專家、中國農業(yè)大學教授汪懋華先生。多年來，他致力于該領域的宣傳、研究、攻關，每年多次出國專項考察，指導培養(yǎng)碩士和博士研究生，倡導組建中國精細農業(yè)工程示范研究基地。 汪懋華先生認為：結合我國勞動人民千百年來精耕細作的優(yōu)良傳統，把：“ Precision Agriculture ” 翻譯成精細農業(yè)更為合宜。所以本次講座名稱為精細農業(yè)與智能化農業(yè)機械裝備。,6,1.2 精細農業(yè)的重大意義; 2000年前后在我國有無搞精細農業(yè)的必

3、要，學術界還有一定的爭議。贊同者認為：精細農業(yè)集最先進的現代科學技術于一體，它的研究與推廣應用不僅會引起農業(yè)生產領域中重大革命，同時也會促進農業(yè)裝備技術的重大變革，必將促進我國的電子產業(yè)、計算機產業(yè)、信息技術產業(yè)和機械裝備產業(yè)的技術進步和發(fā)展。智能化農業(yè)機械裝,備是實現精細農業(yè)的載體，它是知識經濟的產物，也是知識經濟的具體體現。目前從國外引進一臺智能化農業(yè)機械裝備，少則幾萬元、幾十萬元，多則一百多萬元。 持不同觀點的人們認為：中國是一個發(fā)展中的國家，耕地少，人口多，資金缺乏，目前用7%的土地養(yǎng)活22%的人口已是了不起的成就。精細農業(yè)投入太大，暫時還不符合中國國情。,我的觀點屬前者。當然搞精細農

4、業(yè)也不是搞群眾運動，全面展開。但是我們要投入一定的精力予以關注、投入一定的財力予以支持研究，開發(fā)具有我國知識產權并適合我國國情的精細農業(yè)智能化機械裝備。因為它必然代表了先進生產力的方向，具有重大的戰(zhàn)略意義。 我認為：持懷疑態(tài)度人的觀點也有其現實的道理，但是眼前看得太多，應該看事物的發(fā)展規(guī)律與發(fā)展前景,縱觀世界農業(yè)的發(fā)展史可見：20世紀50年代前，第一、第二世界國家要從第三世界國家進口糧食和農產品來維持他們國家人民的生活；但是20世紀50年代以后，情況發(fā)生了逆轉，第一、第二世界國家要向第三世界國家出口大量的糧食和農產品，當然這些國家人民的生活需要進口。 然而，處于第一、第二世界的發(fā)達國家的耕地面

5、積并無明顯增加，僅有35%的勞動,力從事農業(yè)生產。也就是說在農業(yè)資源沒有增加、反而減少的情況下，為什么會出現這樣的逆轉呢？他們主要是依靠科學技術，包括逐漸發(fā)展起來的精細農業(yè)工程技術，大大提高了勞動生產率和農業(yè)資源的利用率、降低了生產成本、減少了化肥、農藥、石油的投入，減輕了對環(huán)境的污染，達到了經濟效益、社會效益和生態(tài)效益的同步增長與可持續(xù)發(fā)展。,目前，我國化肥、農藥有效利用率在30%左右，天然降水的利用率不足35%，僅為發(fā)達國家水平的一半；而每公頃擁有的農業(yè)動力約為1KW，相當于美國水平的2倍。我國的低產田占耕地總面積的60%以上，其單產僅為高產田的幾分之一；對于中、高產田，或者即使是同一地塊

6、里，土壤的肥力、墑情、雜草、病蟲害、產量等等在局部區(qū)域往往差異很大，并非均勻一致,而傳統的農業(yè)機械裝備的設計參數與考核指標是以均勻一致性為準則的。耕深要求均勻一致、肥料要求撒播均勻，播種指標（播量、播深等）要求一致，農藥、除草劑噴灑均勻，農田灌溉均勻一致等等。以均勻一致的資源消耗投入到實際差異懸殊的具體環(huán)境之中，要么造成局部供應不足，土地、日光、空氣等資源不能充分發(fā)揮自身的最大功能；要么造成局部供應過剩，,最終造成資源的浪費和環(huán)境的污染，不能達到農業(yè)作業(yè)最佳理想的目標。 1.1.3 精細農業(yè)的定義： 精細農業(yè)是一種戰(zhàn)略思想，是信息和人工智能高新技術在大農業(yè)中的微觀運用。它的全部概念建立在空間差

7、異和時間差異的數據采集和處理上，其核心意圖是實時測知作物（畜禽）,個體或小群體或小區(qū)地塊生長和防疫的實際需要，而及時確定針對性投入（肥、水、藥飼料等）的量、質和時機，一反傳統農業(yè)大面積平均投入的作法，以求最佳效果和最低代價。 實行精細農業(yè)可以在減少投入的情況下增加（或維持）產量、提高品質、降低成本、節(jié)約資源、減少污染、保護生態(tài)。,1.4 精細農業(yè)的技術體系: 精細農業(yè)的技術體系：主要由前3S、后3S和最后1S組成。簡稱精細農業(yè)7S體系。 前3S：GPS全球定位系統(Global Positioning System) GIS地理信息系統 (Geographical Information S

8、ystem) RSS遙感系統 (Remote Sensing System),后3S：ES專家系統 (Expert System) SS模擬系統 (Simulation System) DSS決策支持系統 (Decision Support System) 最后1S： ICS智能控制系統 (Intelligence Control System),前3S的集成作用是及時采集田間信息，經過信息處理形成田間狀態(tài)圖，田間狀態(tài)圖應能田間狀態(tài)（肥、水、病、蟲、產量）的斑塊狀不均勻分布。 后3S集成的作用是及時生成優(yōu)化的決策，它的支持技術包括專家系統（知識模型）、模擬系統（數學模型）和決策

9、支持系統（從多方案中優(yōu)化或綜合，作出決策）。決策的表述形式可以是田間對策圖或指令,IC 卡，IC卡便于智能控制新型農業(yè)裝備在田間作業(yè)時執(zhí)行，實現按需變量投入的目的要求。 最后1S ，ICS智能控制系統是智能化農業(yè)機械裝備的控制指揮中心。由農機操作者下達指令，從DGPS接受位置信息，從GIS中的執(zhí)行電子地圖提取決策信息，,也可以接受實時傳感器的信息，并將它們轉化為向執(zhí)行器發(fā)出的控制信號，執(zhí)行設備在接受信號后通過液動、氣動或電動系統實現對作物的變量投入或作業(yè)操作調整。它還可以接受自執(zhí)行設備傳來的反饋信號，對作物投入量進行微調并存檔備查。,2.1 全球定位系統 GPS ； GPS 是縮寫詞N

10、AVSTAR/GPS的簡稱，其全部意義為：導航衛(wèi)星測時和測距/全球定位系統，即 Navigation Satelite Timing and Ranging / Global Positioning System. 2.1.1 導航衛(wèi)星：24顆衛(wèi)星，分布在6個軌道平面上，每個軌道上有4顆衛(wèi)星。在地球上任意地方，至少同時可觀察到5顆衛(wèi)星。其中至少有4顆在地平線7.50以上。,衛(wèi)星軌道高度約21083km，運行周期接近12h ，精確地說衛(wèi)星經過地面上同一點上空的時間，每天提前4 min，衛(wèi)星時鐘日穩(wěn)定度達10-14 / 日。 衛(wèi)星上的導航發(fā)射機向用戶播發(fā)信號，采用雙頻方式, 頻率1575.42M

11、HZ和1227.60MHZ。發(fā)射雙頻是為了校正電離層產生的附加延時。,2.1.2 地面站組: 地面站組亦稱地面控制部分，包括 4 個監(jiān)控站，1 個注入站和 1個主控站。出于軍事目的，這些站全部設在美國本土的空軍基地內，進行導航衛(wèi)星的監(jiān)視和運行參數的修正控制。 2.1.3 用戶設備: 用戶設備是GPS接收機，它的主要功能是接收導航衛(wèi)星播發(fā)的信號并利用本機產生的隨機編碼取得距離測量和導航電文，根據導航電文提供的衛(wèi)星位置,和鐘差修正信息，計算顯示接收機的位置，這就是定位。 衛(wèi)星發(fā)射的信號包括 P 碼 和 C / A碼。 P 碼為精密導航定位，為保密碼，專供美國軍方和特許用戶使用，屬精密定位業(yè)務，又記

12、作PPS業(yè)務； C / A碼供一般用戶使用，稱作標準定位業(yè)務，又記作SPS業(yè)務。,2.1.3 GPS定位原理: GPS接收機接收的衛(wèi)星導航電文中有衛(wèi)星的空間坐標位置，兩兩衛(wèi)星間的距離；接收機通過衛(wèi)星播發(fā)的信號傳輸時間可以計算出接收機與各個衛(wèi)星間的距離，這樣已知條件具備，即可計算出接收機位置坐標，以所處地理位置經、緯度顯示。,2.1.4 美國政府GPS工作衛(wèi)星的SA政策: 由于GPS全球定位系統是美國國防部研制開發(fā)為美國陸、海、空三軍使用的導航系統。該系統具有可以覆蓋全球的多維連續(xù)定位能力，可以極大地提高軍隊的作戰(zhàn)能力。出于國家安全角度考慮，最關鍵的是信號精度。 P碼（精碼）目前可以提供10m

13、的實時定位精度，C/A碼（粗碼），可以提供幾十米,的實時定位精度。1983年前C/A碼水平定位精度設在500m，1983年6月宣布改為100m。一旦美國軍隊遇到敵方使用的GPS輔助武器或戰(zhàn)術帶來明顯威脅，美國可以提高引入的誤差，此時公開使用的GPS系統定位誤差可能大大超過和平時期標準定位業(yè)務的水平。這就是美國政府GPS工作衛(wèi)星的SA政策，即“選擇可用性”政策（Selective Availability）。,2.1.5 差分GPS（DGPSDifferential GPS）: 采用差分GPS幾乎可以完全消除“選擇可用性”帶來的誤差。此外差分技術不需要雙頻卻能精確地作電離層補償，從而使定位精度超

14、過單獨使用精密定位業(yè)務所得到的精度。之所以能獲得這種效果，是因為“選擇可用性”和電離層帶來的誤差都是緩慢變化的偏差，利用誤差在時間上和空間上的相關性就可以將它們校正掉。,目前GPS接收機多數具有差分系統，除了接收衛(wèi)星信號外，它還接收地面基準站的信號，通過差分計算處理，獲得高的定位精度。 美國政府允許這種差分工作的存在，因為局部區(qū)域的差分不會得造成對美國安全的威脅，再者美國軍方認為在必要時，它有能力摧毀差分系統的通訊能力。,2.2.6 導航飛防農業(yè)GPS應用實例： 利用飛機噴灑農藥,一般飛行高度為730m，航線間隔50m，藥效覆蓋寬度正負40m，常用“運五”飛機，飛行速度為200Km/h , 對

15、于10Km航線，飛機只需5 min左右，加上飛機轉彎，飛一條航線約需78 min。 用人工地標，地面工作人員需用50人；采用GPS導航定位系統，可大大節(jié)約地面工作人員的需求量、節(jié)約成本、保證作業(yè)質量。,2.2 地理信息系統GIS： 1998年，前美國副總統戈爾曾提出美國大型科研計劃，建立數字化地球。這表明美國的科研基礎已經具備完成這一計劃的能力。所謂數字化地球，就是將地球表面、地表上方空間、地表以下的地理信息以數字的形式存貯于計算機系統之中，以便今后決策和任務執(zhí)行中隨時調用。 地理信息是指表征地理諸要素的數量、質,量分布特性、相互聯系及其變化規(guī)律的數字、文字、圖像與圖形特征的總稱。其信息屬于

16、空間信息，具有區(qū)域性、多維結構牲。例如：在一個地面點上，可取高度、土壤肥力、作物產量、噪聲、污染、交通、通訊、電力線、輸油輸氣管網等多種信息。地理信息有明顯的時序特征，即動態(tài)變化特征。,2.2.1 地理登信息系統的分類： 地理信息系統按其內容可分為： 2.2.1.1 專題地理地理信息系統: 如水資源管理信息系統、礦產資源信息系統、農業(yè)估產信息系統、交通管理信息系統、環(huán)境管理信息系統、城市地下管網管理信息系統等。 2.2.1.2 區(qū)域地理信息系統: 如加拿大國家信息系統、中國京津唐區(qū)域開發(fā)信息系統等。,2.2.1.3 地理信息系統工具（軟件平臺）：它是一種具有圖形、圖像數字化、存貯管理、查詢檢索

17、、分析處理和輸出功能的軟件包。 2.2.2 地理信息系統的組成: 2.2.2.1 計算機硬件系統：（1）包括計算機主機，提供存貯空間，對數據進行編輯處理。（2）數字化儀可將地圖或遙感圖像數字化后輸入計算機。3）繪圖儀。,和其它設備,用來表示數據處理結果。（4）磁帶（盤）機，用于存貯大型數據庫和程序。（5）顯示器，用戶通過顯示器和終端控制計算機和外圍設備。 2.2.2.2 計算機軟件系統：計算機軟件系統包括計算機通用程序、地理信息系統軟件包（平臺）和應用分析軟件三部分組成。（1）計算機通用程序是計算機廠家提供的使用計算機的程序系統，包括操作系統、,匯編程序、論斷程序以用各種維護使用手冊。（2）地

18、理信息系統軟件包（平臺）一般包括五類基本模塊：即數據的輸入和校驗、數據的存貯和管理、數據變換、數據的顯示和輸出、用戶接口等。（3）應用分析軟件是系統開發(fā)人員根據地理信息專題或區(qū)域分析模型編制的程序，是系統功能的擴充和延伸。,2.2.3 地理信息系統GIS軟件平臺： 目前世界上商用的GIS軟件已多達400多種。它們大小不一，風格各異，占領著不同應用市場。 2.2.3.1 國外GIS軟件：（1）ARC/INFO系統：ARC/INFO是美國環(huán)境系統研究所研制的地理信息系統軟件，它是世界上應用最廣泛的GIS軟件之一。1991年， ARC/INFO系統進行了漢化處理，從此大量進入中國市場。,ARC/IN

19、FO 系統提供了用于地理數據的自動輸入、處理、分析和顯示的強大功能。目前已成功地應用于包括自然資源、農業(yè)、自動制圖、設施管理、城市和區(qū)域規(guī)劃、人口和商業(yè)管理、交通運輸、石油和天然氣、教育、軍事等十大類別的一百多個領域。（2）澳大利亞的Genasys公司開發(fā)的GIS軟件GENAMAP。（3）美國Mapinfo公司研制開發(fā)的GIS軟件Mapinfo。,2.2.3.2 國內GIS平臺: （1）北京大學與陜西三秦企業(yè)集團聯合研制的地理信息系統城市之星Citystar。 （2）武漢測繪科技大學GIS研究中心研制的地理信息系統軟件吉奧之星Geostar。 （3）中國地質大學計算中心華地圖形數據公司開發(fā)的地

20、理信息系統軟件MAP/GIS。,2.3 遙感系統RSS： 2.3.1 遙感的基本概念: 遙感的基本定義是:從遙遠的地方感覺一個物體的客觀存在，它是在人類生活領域內廣泛存在的現象。 從現代的科學定義來說，遙感就是在一定距離之外，不與目標物體直接接觸，通過傳感器收集被測目標所發(fā)射出來的電磁波能量而加以記錄，并形成圖像，以供有關專業(yè)信息的識別、分類和分析的一種科學技術。,2.3.2 遙感系統的組成： 一個完整的遙感系統應當由三部分組成：（1）傳感器（sensor） （2）載體（carrier） （3）指揮系統（command system） 一個人就是一個天然、完整的遙感系統，眼睛是一對天然的傳感器

21、，人的身體即為載體，人的大腦即為指揮系統。,傳感器：是收集目標物所反射或發(fā)射電磁波信息的裝置。有照相機、攝像機、多波段光譜掃描儀（MSS）、紅外光譜儀等。 載體：也稱平臺（plan form），它是負載傳感器的工具。有支架、車輛、氣球、飛機、衛(wèi)星等。 指揮系統，就是指揮和控制傳感器與平臺并接收信息的指揮部，現代遙感指揮系統一般均為計算機系統。,2.3.3 透射特性（大氣窗口）：遙感信息，主要是利用傳感器，通過有關大氣窗口，在空中來獲取地球表面的地物反射和發(fā)射的光譜信息。大氣窗口就是電磁波在通過大氣層的過程中，被吸收和散射的比例較小而透過率很高的波段，也就是電磁波在大氣中傳輸損耗率很小的波段。

22、目前使用七個窗口：遠紫外窗口0.150.2微米、可見光窗口0.31.3微米、近紅外窗口,1.41.9微米、近紅外窗口2.053.0微米、中紅外窗口3.55.5微米、遠紅外窗口814微米、微波窗口 1.5cm。 2.3.4 遙感圖像識別基礎: （1）地物識別： （2）作物種類識別： （3）作物長勢識別：,2.3.5 遙感技術的應用: 應用領域；農業(yè)、林業(yè)、水利、地質、礦產等資源的普查、研究，結合GPS和GIS的應用，可大大地提高普查效率和精度。 具體應用：土壤普查（類別、肥力、含水量）、作物估產、自然災害的監(jiān)測等。,3.智能化農業(yè)機械裝備 智能化農業(yè)機械裝備是GPS、GIS、RSS、ES、SS、

23、DSS 6S 系統在農業(yè)機械裝備上的綜合應用。 3.1 DGPS 農機的定位與導航: 農業(yè)機械在田地中作業(yè)，不同的作業(yè)項目需求的定位分辨力也不相同。變量施肥時30m，變量施用除草劑1 m，測產10m，筑埂5cm、噴灑農藥重疊10cm。 當前DGPS系統可達精度如圖所示。,3.2 作物產量分布圖的生成： 20世紀90年代后期，國際上先進的各種作物聯合收獲機，大多數都具有產量分布圖自動生成功能。谷物聯合收獲機、棉花收獲機、馬鈴薯收獲機、花生收獲機等都裝備產量數字化自動生成系統。 谷物聯合收獲機上的產量分布圖自動生成系統研究相對較早，技術比較成熟。其測產系統傳感器布置及定位系統如圖所示。,數字化產量

24、分布圖是精細農業(yè)的重要基礎信息。產量分布圖綜合了田間空間參數變化的信息，諸如土壤類型、土壤濕度、養(yǎng)分含量、及坡度等，故可用以確定田間地段作物均勻生長的條件并可分別確定各田塊各自所需的農事操作。在下一次收獲時所得新的產量分布圖則可顯示精細農作的實際效果。 谷物聯合收獲機瞬時單產YG（t）的測定：,YG(t)=mG(t).（ 1 UG(t)）/（V(t)）.W(t)） YG(t)瞬時t所測得單產； mG(t)瞬時t所測得谷物質量流量； UG(t)瞬時t谷物含水量（相對濕度）； V(t)瞬時t收獲機行駛速度； W(t)瞬時t割幅寬度。 割幅寬度W(t)的測量：利用超聲波測距傳感器，割幅1.5m時，分

25、辨力為1mm。,瞬時t谷物質量流量mG(t)可用谷物流量計測量。 谷物含水量UG(t)可用谷物濕度計測得。 聯合收獲機收獲作業(yè)時，同步測得谷物的瞬時流量、含水量、聯合收獲機的瞬時速度和割幅，通過計算機數據綜合處理，即可計算出田塊的瞬時產量。,3.3 作物處方圖的生成及智能型變量控制農業(yè)機械: 3.3.1 精細種植的農業(yè)機械體系: 每當收獲機繪制出產量分布圖，就顯示了田間各局部單產的差異，下一步工作就是要進行產量診斷，找出造成差異的主要原因，提出針對性的糾正措施加以優(yōu)化、量化而生成下一輪田間作業(yè)的處方圖。下圖為精細種植的農業(yè)機械體系。,田間產量診斷步驟如下：首先查看產量分布圖，識別低產的明顯原因

26、，例如是否為農機拖拉機輪胎壓實土壤、局部陡坡、水土流失、鼠害等？如有必要，則進行第二步檢驗土壤的物理特性。第三步化驗土壤的PH值和營養(yǎng)化學成分。找出局部低產原因之后，可根據專家經驗或作物生長模型提出針對性糾正措施加以量化，以數據卡和處方圖的形式把指令傳遞給智能變量控制農業(yè)機械實現精細農作。,3.3.2 精細變量施肥機械: 3.3.3 雜草驅動除草劑噴灑機械: 3.3.4 精確變量灌溉系統:,變量施肥決策理論上應該遵循的規(guī)律 1、營養(yǎng)元素同等重要規(guī)律：作物對各種營養(yǎng)元素需要量差別可達十倍、百倍、甚至十萬倍，但是各種營養(yǎng)元素對作物的生長發(fā)育同等重要，不可替代，理論上施肥時，必須根據作物需要，全面考

27、慮，以避免營養(yǎng)失調。 2、最小養(yǎng)分規(guī)律：作物生長只要一種營養(yǎng)元素不足，其生長發(fā)育、產量就會受到限制，因此，施肥決策時，要使土壤保持適宜的養(yǎng)分數量，平衡施肥，滿足作物需求。,3、作物需求階段營養(yǎng)規(guī)律：作物吸收養(yǎng)分并非作物整個生育期都有進行。一般規(guī)律是生長初期吸收養(yǎng)分數量低，隨著作物的生長，對營養(yǎng)物質吸收的強度和數量都有逐漸增加，到成熟期，吸收營養(yǎng)物質的強度和數量會逐漸減少，甚至向植株體外排出。,結 束 語 精細農業(yè)與智能化農業(yè)機械工程技術是20 世紀90年代發(fā)展起來的最先進的農業(yè)工程技術，它是電子技術、計算機技術、傳感器技術和7S技術進步和發(fā)展的產物，是知識經濟的具體體現。國外著名的農業(yè)機械裝備公司都有商品裝備出售，價格也相當昂貴。國內一些大專院校和科研機構已經開始這一領域的研究探索工作，這是一項具有長遠戰(zhàn)略意義的工作。,,,,2005年在八五二農場進行拖拉機自動駕駛試驗,2005年在八五二農場進行拖拉機自動駕駛試驗,,,,,,,,,,,,,,,,謝 謝！,