農(nóng)業(yè)的數(shù)字革命
——精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

■本刊

近些年，人口不斷增長(zhǎng)，城市化水平逐漸提高，與此同時(shí)自然資源卻日益減少，逐漸枯竭。在此情況下，人與自然和諧共處尤為重要。如何在有限的資源條件下實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物產(chǎn)量的增長(zhǎng)與品質(zhì)的提高是橫亙?cè)谌澜甾r(nóng)業(yè)面前的難題。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)以其高效、有針對(duì)性得到青睞，也被看作是未來(lái)農(nóng)業(yè)提高產(chǎn)量與生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。

多種技術(shù)支撐精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是以信息技術(shù)為支撐，根據(jù)空間變異，定位、定時(shí)、定量地實(shí)施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作與管理的系統(tǒng)，是信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全面結(jié)合的一種新型農(nóng)業(yè)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是專門(mén)用于大田作物種植的綜合集成的高科技農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，用于識(shí)別、分析和管理農(nóng)田，具體包括灌溉施肥、溫室栽培、高密度種植等等。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)通過(guò)使用地理信息系統(tǒng)（GIS），全球定位系統(tǒng)（GPS），遙感（RS）以及地面設(shè)備等對(duì)農(nóng)資、作物實(shí)施精確控制，可最大限度地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的有效途徑。

信息、通信技術(shù)以及地理信息學(xué)在內(nèi)的許多技術(shù)發(fā)展促成了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。它的實(shí)施依賴于將這些技術(shù)集成到一個(gè)系統(tǒng)中，并且可以在農(nóng)場(chǎng)運(yùn)行。地理信息學(xué)主要是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)地理信息進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、提取以及管理和分析，它涵蓋很多學(xué)科，包括測(cè)繪、RS、GIS 和GPS。

GPS 是一種基于衛(wèi)星的具有全方位、全天候、全時(shí)段、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。最初用于軍事應(yīng)用，但在20 世紀(jì)80 年代，政府將該系統(tǒng)用于民用。使用GPS 無(wú)需訂閱費(fèi)或設(shè)置費(fèi)，任何擁有GPS 接收器的人都可以使用，它可以用于任何需要位置坐標(biāo)的應(yīng)用程序。GPS 的發(fā)展為空間數(shù)據(jù)打開(kāi)了新的大門(mén)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中農(nóng)民可通過(guò)GPS 獲得現(xiàn)場(chǎng)定位，用于產(chǎn)量測(cè)繪和肥料/農(nóng)藥的施用。

RS 是非接觸遠(yuǎn)距離的探測(cè)技術(shù)。一般指運(yùn)用傳感器/遙感器對(duì)物體電磁波的輻射、反射特性的探測(cè)。RS是通過(guò)遙感器這類對(duì)電磁波敏感的儀器，在遠(yuǎn)離目標(biāo)和非接觸目標(biāo)物體條件下探測(cè)目標(biāo)。RS 系統(tǒng)包括一個(gè)接收輻射的傳感器和可以安裝傳感器的平臺(tái)，例如飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星或者地面?zhèn)鞲衅髦渭艿取?/p>

目前，許多飛機(jī)和航天器成像系統(tǒng)使用遙感傳感器進(jìn)行操作。航天器平臺(tái)目前的一些圖像系統(tǒng)有印度遙感衛(wèi)星（IRS），法國(guó)國(guó)家地球觀測(cè)衛(wèi)星（SPOT），IKONOS，商業(yè)地球觀測(cè)衛(wèi)星等。GIS 是一種計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索系統(tǒng)，可用于管理和分析與作物生產(chǎn)相關(guān)的空間數(shù)據(jù)，還可以集成所有類型的信息，是與其他決策支持工具的接口。

GIS 可以在地圖中顯示分析的信息，以便更好地了解產(chǎn)量、肥力、害蟲(chóng)、雜草和其他因素，并且基于這種空間關(guān)系作出正確決策。

現(xiàn)在可以使用具有不同功能和價(jià)格的GIS 軟件，利于簡(jiǎn)單的程序來(lái)創(chuàng)建農(nóng)場(chǎng)級(jí)的數(shù)據(jù)庫(kù)。例如一種本地資源信息系統(tǒng)，它由幾個(gè)模塊組成并能夠?qū)霐?shù)據(jù)，通過(guò)不同的方法生成光柵文件（或位圖圖像），然后在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)、生成數(shù)字農(nóng)業(yè)資源圖，最后創(chuàng)建具有各種信息的地圖等。GIS 創(chuàng)建肥力、雜草和害蟲(chóng)的密度圖，對(duì)于化肥農(nóng)藥使用數(shù)量以及頻率具有指導(dǎo)意義。

計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的最重要組成部分，因?yàn)樗鼈兪切畔⑻幚砗褪占闹饕獊?lái)源。高速計(jì)算機(jī)可以更快地處理在精確管理地塊期間收集的數(shù)據(jù)，互聯(lián)網(wǎng)則彌合了信息提供者和用戶之間的差距。

空間決策支持系統(tǒng)（SDSS）旨在幫助種植者解決復(fù)雜的空間問(wèn)題，并就灌溉計(jì)劃、施肥、作物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑和其他化學(xué)品的使用做出決策。此外，為了有效支持復(fù)雜空間問(wèn)題的決策，SDSS 需要空間數(shù)據(jù)輸入、可以存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)中常見(jiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、空間分析技術(shù)并以地圖和其他形式輸出。

產(chǎn)量圖和土壤采樣往往是實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的第一階段。具有產(chǎn)量記錄系統(tǒng)集成的車輛定位系統(tǒng)收割機(jī)在工作的同時(shí)生成產(chǎn)量圖。Massey Ferguson 是第一家生產(chǎn)商業(yè)產(chǎn)量測(cè)繪收割機(jī)的公司。這種收割機(jī)裝有微分GPS，可通過(guò)駕駛室頂部的GPS 接收器和發(fā)動(dòng)機(jī)上方的天線進(jìn)行識(shí)別。收割機(jī)的輸出是一個(gè)數(shù)據(jù)文件，每隔1.2 秒記錄所在經(jīng)度和緯度上的位置，以及該點(diǎn)的產(chǎn)量，然后通過(guò)各種地理統(tǒng)計(jì)技術(shù)將該數(shù)據(jù)處理成產(chǎn)量圖。

診斷和推薦集成系統(tǒng)（DRIS）對(duì)于作物營(yíng)養(yǎng)來(lái)說(shuō)是一套整體的處理方法，可以診斷土壤組成、環(huán)境參數(shù)以及耕作方法等等，從而隔離限制作物生產(chǎn)的因素。DRIS 方法最重要的優(yōu)點(diǎn)是能夠在作物發(fā)育的任何階段進(jìn)行診斷，并按照重要性對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行排序，以達(dá)到最大產(chǎn)量的目標(biāo)。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)或?qū)⒊蔀檗r(nóng)業(yè)發(fā)展的必然

采用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主要考慮土地碎片化、技術(shù)復(fù)雜化、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)專用的軟硬件、農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)條件限制等問(wèn)題，對(duì)于小型農(nóng)場(chǎng)，應(yīng)成立片區(qū)管理中心，通過(guò)該中心向下屬的各個(gè)小型農(nóng)場(chǎng)提供信息。小片農(nóng)田定位成本過(guò)高可以通過(guò)“航位推算系統(tǒng)”來(lái)解決，航位推算系統(tǒng)適用于小型規(guī)則的土地，為農(nóng)民提供可信的方法來(lái)決定其田地的空間管理。

作物和雜草的種類特性各地不同，因此應(yīng)該以此開(kāi)發(fā)軟件以及配套硬件，并根據(jù)情況的不同，采用特定的耕作技術(shù)。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)不僅適用于發(fā)達(dá)國(guó)家，也適用于發(fā)展中國(guó)家。美國(guó)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展最早、最發(fā)達(dá)的國(guó)家，60%～70%的大農(nóng)場(chǎng)（年收入＞25 萬(wàn)美元） 使用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，主要集中在中西部，作物包括大豆、小麥和玉米等，還有部分經(jīng)濟(jì)作物。歐洲地區(qū)，英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等依次推廣精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，現(xiàn)德國(guó)是該地區(qū)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)最發(fā)達(dá)的國(guó)家。法國(guó)是最大的農(nóng)業(yè)國(guó)，已利用GPS 和GIS 測(cè)定生產(chǎn)率，施肥和噴灑都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。拉美地區(qū)阿根廷是最先使用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的國(guó)家，巴西最近也出臺(tái)推廣精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的政策。以色列惡劣的自然條件，迫使其發(fā)展出全球一流的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)（主要體現(xiàn)在灌溉和施肥方面）。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的服務(wù)市場(chǎng)正以20%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率快速發(fā)展，預(yù)計(jì)2020 年將超過(guò)50 億美元。或許在不遠(yuǎn)的將來(lái)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)將改變整個(gè)農(nóng)業(yè)，讓我們拭目以待！