張小林,閆 喆
(中煤航測(cè)遙感集團(tuán)有限公司,陜西西安 710199)
縱觀整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展歷程,人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總體上經(jīng)歷了原始農(nóng)業(yè)、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)3 個(gè)主要發(fā)展階段,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的同時(shí),也導(dǎo)致了水土流失、生態(tài)環(huán)境惡化、水資源浪費(fèi)、生物多樣性破壞等一系列社會(huì)問(wèn)題,這些問(wèn)題都不容忽視。在此基礎(chǔ)之上,人們提出了一系列應(yīng)對(duì)措施,如推廣回歸農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)、有機(jī)農(nóng)業(yè)、綜合農(nóng)業(yè)等發(fā)展模式。在如今科技發(fā)展的新時(shí)代,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將不再是以前粗放型的產(chǎn)業(yè),人們開始對(duì)農(nóng)業(yè)進(jìn)行“精雕細(xì)琢、精準(zhǔn)作業(yè)”。近些年來(lái),隨著遙感技術(shù)(RS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和優(yōu)化,基于“3S”技術(shù)的現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已經(jīng)受到了社會(huì)各界的高度重視,而精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)作為一個(gè)集遙感技術(shù)、全球定位、地理信息于一體的綜合性農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng),也越來(lái)越受到人們的關(guān)注?;凇?S”技術(shù)的新型精細(xì)農(nóng)業(yè),成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域。
精細(xì)農(nóng)業(yè)是一種異于傳統(tǒng)的新型農(nóng)田管理方式。農(nóng)田土壤質(zhì)地、農(nóng)作物特性都不是均一的,是隨著時(shí)間、空間的變化而變化的。而在傳統(tǒng)的、目前仍在采用的農(nóng)田管理中,人們普遍認(rèn)為農(nóng)田的基本耕作屬性是均一的,采用統(tǒng)一的施肥時(shí)間、施肥量?;诖耍F(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)是利用遙感信息技術(shù)、全球定位系統(tǒng)和地理信息技術(shù)對(duì)農(nóng)田區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理、分析、預(yù)警、決策,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精細(xì)化、系統(tǒng)化管理,更科學(xué)合理地利用土地,提高產(chǎn)能,建設(shè)可持續(xù)化生態(tài)農(nóng)業(yè)。
美國(guó)是全球范圍內(nèi)實(shí)施精細(xì)化農(nóng)業(yè)管理最早的國(guó)家,于20 世紀(jì)80 年代初提出了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的理念和設(shè)想。20世紀(jì)90年代,精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)首先在美國(guó)和加拿大實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,目前部分技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)成熟和成型,并取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益,但尚未形成系統(tǒng),仍處于研究發(fā)展階段。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是在發(fā)達(dá)國(guó)家大規(guī)模經(jīng)營(yíng)和機(jī)械化操作條件下發(fā)展起來(lái)的,目前世界許多國(guó)家已開展了相關(guān)的研究和應(yīng)用實(shí)踐[1]。
20世紀(jì)90年代初期,我國(guó)才開始精細(xì)化農(nóng)業(yè)方面的相關(guān)研究,但總體呈現(xiàn)技術(shù)支持不足、規(guī)模較小、進(jìn)度緩慢等特征。黑龍江作為我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū),率先開始了農(nóng)業(yè)信息化建設(shè),到2012年底,已經(jīng)在多個(gè)農(nóng)場(chǎng)建立了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范區(qū)?;贕PS 的農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)控制產(chǎn)品在黑龍江墾區(qū)得到廣泛應(yīng)用,并取得了良好的效果[1]。
隨著我國(guó)耕地保護(hù)相關(guān)政策的實(shí)施,國(guó)家先后進(jìn)行了永久基本農(nóng)田劃定、農(nóng)村土地承包經(jīng)營(yíng)權(quán)確權(quán)頒證、糧食功能區(qū)和重要農(nóng)產(chǎn)品保護(hù)區(qū)劃定等相關(guān)項(xiàng)目。土地保護(hù)管理制度愈發(fā)嚴(yán)格,部分地區(qū)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化侵占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間等現(xiàn)象將得到有效遏制,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域結(jié)構(gòu)也將有所改善??茖W(xué)、精細(xì)、規(guī)范化發(fā)展農(nóng)業(yè)進(jìn)一步深入農(nóng)民心中,農(nóng)業(yè)科技化發(fā)展水平正在逐步提高。隨著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展機(jī)制的逐步完善,農(nóng)藥、化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)的深入開展,測(cè)土配方施肥、科學(xué)合理灌溉、新型防控技術(shù)等不斷推廣應(yīng)用,大水漫灌的粗放式農(nóng)業(yè)發(fā)展模式將得到轉(zhuǎn)變,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力也將得到提高。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化精細(xì)管理已成為世界范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可阻擋的潮流,新的產(chǎn)業(yè)革命正在不斷孕育。
現(xiàn)代化精細(xì)農(nóng)業(yè)管理模式的前提是人們必須能隨時(shí)間和空間變化采集數(shù)據(jù),根據(jù)最準(zhǔn)確、最快速的農(nóng)田采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析、加工、應(yīng)用,高度攝取數(shù)據(jù)反映的內(nèi)在信息,掌握田地屬性的變化和需求,形成科學(xué)合理的管理設(shè)計(jì),精細(xì)控制田間作業(yè)。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)是全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)、農(nóng)田空間信息采集傳感技術(shù)、作物生產(chǎn)管理輔助決策支持系統(tǒng)和智能化變量作業(yè)農(nóng)業(yè)機(jī)械等[2]。
我國(guó)幅員遼闊,各地農(nóng)業(yè)條件復(fù)雜,有大規(guī)模現(xiàn)代化經(jīng)營(yíng)的農(nóng)場(chǎng)、分散不集中的小農(nóng)生產(chǎn),還存在高度集約化的保護(hù)地栽培。所以,我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)不應(yīng)是單一的發(fā)展模式,應(yīng)結(jié)合地理信息技術(shù)建立管理信息系統(tǒng),因地制宜調(diào)整投入物資使用量,以精準(zhǔn)變量管理為主,以“3S”為核心技術(shù),引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備,開發(fā)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的大腦——管理決策支持系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控,完善農(nóng)業(yè)預(yù)警系統(tǒng),建立健全精細(xì)農(nóng)業(yè)信息管理系統(tǒng),形成農(nóng)業(yè)“低耗、高效、優(yōu)質(zhì)、環(huán)?!钡闹悄芑?、精細(xì)化體系。
精細(xì)農(nóng)業(yè)離不開先進(jìn)的技術(shù)支持,只有當(dāng)技術(shù)達(dá)到條件,我們才能夠更加準(zhǔn)確、全面、即時(shí)地獲取田間數(shù)據(jù),掌握第一時(shí)、第一手的農(nóng)田信息,繼而依據(jù)科學(xué)化種植原理精細(xì)管理農(nóng)業(yè)。
全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,簡(jiǎn)稱GPS)是精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中關(guān)鍵的技術(shù)之一,是在作物生產(chǎn)管理中,根據(jù)農(nóng)田區(qū)域產(chǎn)量和生產(chǎn)環(huán)境因素的空間差異性,通過(guò)空間信息的聚類處理后,實(shí)施定位處方農(nóng)作,利用GPS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)農(nóng)具的無(wú)人化管理、實(shí)時(shí)定位、遠(yuǎn)程操作等技術(shù)化操控。因此,GPS技術(shù)是實(shí)施精細(xì)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)[3]。
地理信息系統(tǒng)(Geographic Information Systems,簡(jiǎn)稱GIS)是整體管控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用管理軟件,也是精細(xì)農(nóng)業(yè)的大腦,是用于對(duì)大量的農(nóng)業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、存儲(chǔ)、檢索、分析、處理和表達(dá)地理空間數(shù)據(jù)的平臺(tái)。通過(guò)帶有坐標(biāo)位置、地理特征的地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),將統(tǒng)一坐標(biāo)位置的各種數(shù)值相互套和在一起。地理信息系統(tǒng)接收來(lái)自各類傳感器(變量耕地實(shí)時(shí)傳感器、施肥傳感器、播種傳感器等)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息[4],同時(shí)對(duì)這些各類農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、處理、分析后,在平臺(tái)軟件的同一坐標(biāo)系統(tǒng)下顯示,從而繪制信息電子地圖,做出科學(xué)決策。GIS 主要用于建設(shè)農(nóng)田土地管理、自然條件、作物苗情、土壤數(shù)據(jù)、生產(chǎn)條件、病蟲草害、作物產(chǎn)量等[4]。
遙感技術(shù)(Remote Sensing,簡(jiǎn)稱RS)是現(xiàn)代化精細(xì)農(nóng)業(yè)的重要信息來(lái)源,利用高分辨率傳感器。在不同的作物物候期,實(shí)施全面多方位監(jiān)測(cè),進(jìn)行空間定性、定位分析,為定位處方農(nóng)作提供大量的田間時(shí)空變化信息[4]。
農(nóng)業(yè)信息采集技術(shù)(Farming Data Acquired Technology)是現(xiàn)代化精細(xì)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集的一種重要技術(shù)方式??焖佟⒂行Р杉吞幚磙r(nóng)田空間分布信息,是實(shí)踐精細(xì)農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)。
智能化變量作業(yè)農(nóng)業(yè)機(jī)械(Intelligent Farm Machinery)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化精細(xì)農(nóng)業(yè)的標(biāo)志。支持精細(xì)農(nóng)業(yè)實(shí)踐的多種變量農(nóng)業(yè)機(jī)械已在生產(chǎn)和使用,特別在施肥、噴藥、播種和灌溉等方面,農(nóng)田機(jī)械已是一種趨勢(shì)。
本文所研究的管理模式以GIS 數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù),對(duì)土地賦予空間屬性特征;利用新型農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)設(shè)備(如土壤墑情傳感器、土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)探頭、雨量監(jiān)測(cè)站等),對(duì)農(nóng)田區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,掌握農(nóng)田區(qū)域內(nèi)的實(shí)時(shí)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)、墑情數(shù)據(jù)、風(fēng)向數(shù)據(jù)等,利用3S 技術(shù)對(duì)農(nóng)田區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、生產(chǎn)管理、屬性分析,結(jié)合最新帶有定位系統(tǒng)的農(nóng)機(jī)具設(shè)備(見圖1),對(duì)農(nóng)田區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)耕作,實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。精細(xì)農(nóng)業(yè)管理模式設(shè)計(jì)的技術(shù)路線見圖2。
2.2.1 數(shù)據(jù)采集處理
精細(xì)農(nóng)業(yè)管理模式需要采集的數(shù)據(jù)包括高分辨率影像、高精度大比例尺地形數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及采樣數(shù)據(jù)等。
1)高分辨率影像。高分辨率影像數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)底圖,真實(shí)直觀,便于分析,并且在作物不同的物候期定期獲取最新影像,可做不同時(shí)間影像對(duì)比分析,更加全面、客觀真實(shí)地反映實(shí)際情況。
2)高精度大比例尺地形數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)主要包括高程、地形、道路、建筑物、管線、植被、農(nóng)業(yè)設(shè)施等詳細(xì)內(nèi)容,對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,增加農(nóng)業(yè)屬性,真實(shí)可靠地反映實(shí)地的情況,可以作為農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ),同時(shí)作為后期規(guī)劃和建設(shè)的基礎(chǔ)底圖,做到科學(xué)精準(zhǔn)。
3)農(nóng)業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及采樣數(shù)據(jù)。如田間土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)、土壤含水量數(shù)據(jù)、土壤pH值檢測(cè)數(shù)據(jù)、土壤有機(jī)質(zhì)和磷含量數(shù)據(jù)(見表1)、風(fēng)向、降雨量數(shù)據(jù)等相關(guān)內(nèi)容,利用這些數(shù)據(jù)對(duì)田間作物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),設(shè)置監(jiān)測(cè)規(guī)則,確保農(nóng)田作物處于生長(zhǎng)最佳環(huán)境。
表1 土壤樣本點(diǎn)有機(jī)質(zhì)和磷含量數(shù)據(jù)對(duì)比 單位:g·kg-1
2.2.2 精細(xì)管理設(shè)計(jì)
精細(xì)農(nóng)業(yè)管理模式利用采集處理分析的相關(guān)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù),對(duì)土地進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì),制定設(shè)計(jì)方案。例如,利用采集到的高程、地形、風(fēng)向等數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)田地分布,將更適合耕作的地塊用于耕種,不利于耕種的區(qū)域架設(shè)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施;利用采集到的土壤養(yǎng)分、pH值、含水量等數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)確定土地耕種作物(如小麥種植區(qū)、藥材種植區(qū)等),同時(shí)確定灌溉方式(如滴灌、噴灌、漫灌管道系統(tǒng)等)。
2.2.3 配套設(shè)施建設(shè)
依據(jù)制定的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行配套設(shè)施建設(shè):修設(shè)中控室,修建灌溉系統(tǒng),架設(shè)氣象站,架設(shè)安裝水肥配比罐等相應(yīng)的設(shè)備。
精細(xì)農(nóng)業(yè)管理模式的架構(gòu)主要分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層。涉及到的模塊劃分見圖3。
系統(tǒng)功能模塊主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊、管理分析模塊、決策支持模塊。
1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊。包括高分辨率影像數(shù)據(jù)、實(shí)景三維數(shù)據(jù)、高精度大比例地形圖數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及采樣數(shù)據(jù)等的管理。數(shù)據(jù)的分層顯示、數(shù)據(jù)疊加、數(shù)據(jù)符號(hào)化管理、數(shù)據(jù)屬性庫(kù)管理、數(shù)據(jù)更新等內(nèi)容。
2)管理分析模塊。包括農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)、農(nóng)田專項(xiàng)數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì)。該模塊主要是針對(duì)采集到的相關(guān)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù),進(jìn)行對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分析處理。例如將采集到的土壤質(zhì)地類型數(shù)據(jù)進(jìn)行分類標(biāo)記,制作專業(yè)的專題分布圖,使得土壤類型分布一目了然,讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策者能夠因地適宜,科學(xué)耕作。
3)決策支持模塊主要包括指導(dǎo)施肥、精準(zhǔn)灌溉、GPS指導(dǎo)農(nóng)作等。
①指導(dǎo)施肥。根據(jù)種植地土壤養(yǎng)分空間分布的差異性及作物生長(zhǎng)不同時(shí)期的養(yǎng)分營(yíng)養(yǎng)需要量,結(jié)合采樣點(diǎn)的化驗(yàn)值,可將土壤類型、土壤質(zhì)地、土壤養(yǎng)分含量、歷年施肥和產(chǎn)量情況等有關(guān)信息輸入數(shù)據(jù)庫(kù),制成GIS 土壤養(yǎng)分圖層、肥料施用量圖層,作為指導(dǎo)變量施肥的技術(shù)依據(jù)。精準(zhǔn)的施肥方式將實(shí)現(xiàn)耕地內(nèi)各區(qū)域營(yíng)養(yǎng)元素全面平衡供應(yīng),使肥料投入更為合理,利用率和肥料增產(chǎn)效益達(dá)到最優(yōu)的水平。
②精準(zhǔn)灌溉。由于土壤質(zhì)地的差異,地形的差異,不同空間地區(qū)不同土質(zhì)的田間持水量并不相同,且不同季節(jié)溫度差異導(dǎo)致田間水分蒸發(fā)量有所差異,在滿足作物不同時(shí)期水分需水量的前提下,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)節(jié)水灌溉。
③GPS 指導(dǎo)農(nóng)作。將GPS 技術(shù)置于農(nóng)業(yè)機(jī)械、無(wú)人機(jī)等設(shè)備,通過(guò)軟件來(lái)設(shè)置耕作路徑、收割路徑、植保航線、更加高效科學(xué)的指導(dǎo)農(nóng)作(見圖1)。
利用“3S”技術(shù)指導(dǎo)現(xiàn)代化精細(xì)農(nóng)業(yè)管理,所涉及到的技術(shù)難點(diǎn)較多,主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。
1)由于地域差異,以及各農(nóng)田的基礎(chǔ)屬性不同,使得精細(xì)化農(nóng)業(yè)管理模式對(duì)于農(nóng)田的增產(chǎn)作用不夠明顯。這是目前急需解決的技術(shù)難點(diǎn)之一。
2)目前,市場(chǎng)上支持精細(xì)農(nóng)業(yè)實(shí)施的決策支持系統(tǒng)普遍還不夠完善。以目前的變量施肥決策為例,主要是基于土壤養(yǎng)分測(cè)定數(shù)據(jù)和產(chǎn)量圖,對(duì)于作物本身性狀(如吸肥特性、葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累的空間變化等)未進(jìn)行考慮。另外,農(nóng)田實(shí)時(shí)屬性信息的獲取和專家系統(tǒng)的指導(dǎo)決策是目前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究的2個(gè)主要難點(diǎn),也是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究的主要內(nèi)容和突破口。除此之外,圖像分類方法、空間分析算法、航拍影像獲取間期、影像分辨率提升、精細(xì)網(wǎng)格的科學(xué)布設(shè)也是待攻克的問(wèn)題。
3)利用“3S”技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)代化精細(xì)農(nóng)業(yè)管理的模式,所需的后臺(tái)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)難度非常大。本文所設(shè)計(jì)的管理模式需要大量的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)支撐,例如各類農(nóng)作物生長(zhǎng)所需要的最優(yōu)水分值、最適合的土壤養(yǎng)分區(qū)間、各地的土壤養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)、地區(qū)多年降雨量、各類農(nóng)作物最佳光照時(shí)長(zhǎng)等數(shù)據(jù),同時(shí)不同地區(qū)的數(shù)據(jù)差異性較大,因此,現(xiàn)代化精細(xì)農(nóng)業(yè)管理所需的數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)難度非常大。
現(xiàn)代化精細(xì)農(nóng)業(yè)管理模式是基于3S、DSS(決策支持系統(tǒng))、智能設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)等新型技術(shù),實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化、精細(xì)化的一種全新管理模式。為了使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加科學(xué)規(guī)范、產(chǎn)能更高、經(jīng)濟(jì)效率更好,越來(lái)越多的新型技術(shù)將不斷深入滲透到農(nóng)業(yè)的各個(gè)方面,現(xiàn)代化精細(xì)農(nóng)業(yè)管理模式也將成為一種趨勢(shì)。雖然目前所架構(gòu)的新型農(nóng)業(yè)管理模式還存在著較多的技術(shù)難點(diǎn),短時(shí)間內(nèi)無(wú)法完全實(shí)現(xiàn),但是人們對(duì)于可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)模式,對(duì)于降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、提高農(nóng)作物品質(zhì)的追求不會(huì)改變,現(xiàn)代化精細(xì)農(nóng)業(yè)管理的發(fā)展也會(huì)越來(lái)越迅速。