system: [SYSTEM]

user: 3. 精准农业技术设备与系统 精准农业(Precision Agriculture)这一思想就是在了解所有土地的土壤特性以及作物的生长特性的基础上，寻找出最优化的种植方案：品种选择、肥料、水分等，使得农业生产过程得到最大的经济与环境效益。精准农业的核心是“处方”的正确性，这就要结合之前所提出的田间信息采集系统，作物生长模拟模型以及智能化专家决策系统 [ 23 ]。精准农业的实施需要信息技术的支持，依靠卫星定位系统和遥感技术精准定位、定时、定量地实现农业生产操作和管理。田间信息采集系统的数据依靠云计算、大数据、5G传输等技术完成计算和传输，在智能化专家系统的决策下，制定出最佳处置方案，调控智能化农业机械。精准农业实现了生产过程全程感知、定量决策和精准投入，是数字农业研究的重点和目标 [ 5 ]。 3.1. 精准农业技术研究现状 世界各国在精准农业方面做出了大量研究：美国孟山都子公司所推出的Climate FieldViewTM平台依靠高水平成像技术和作物模拟及田间数据，结合决策系统的建议，实现了农业生产过程精准播种、施肥、喷洒药剂和自动收获，帮助从业者了解各种农艺在不同土地的效果，竭尽所能的挖掘每一寸土地的潜力；拜耳公司推出的WeedScout杂草识别系统可以准确、高效的识别田间杂草并通过智能化农机精准喷洒药剂，高效除草；以色列的安道麦(Adama)公司以高效增产为目的，研发精准施肥喷药，土壤、作物、环境监测，病虫害防治等系统，如：FieldIn精准植保应用系统等。在农业生产中水肥自动配比、施放方面：美国、英国、德国、日本、法国等国家水肥一体化控制系统多采用传感器技术、自动排水反冲洗系统等高新技术，依据作物类型和生育期不同的施肥灌溉特征，实时检测水肥浓度，实现智能化施肥 [ 24 ]。Liang H.等 [ 25 ] 研究了水肥一体灌溉对作物生长的影响，用的灌溉方式有固定分区灌溉，常规灌溉和控制分根交替灌溉，研究结果表明，控制性分根交替灌溉能够体高水分利用效率和增加作物干物质含量。Abalos D.等 [ 26 ] 研究结果表明，水肥一体灌溉合适的频率能够降低NO的排放。Oppong Danso E.等 [ 27 ] 认为喷灌技术相比较水肥一体灌溉技术，水肥一体灌溉能够降低磷元素的符合，从而能提高氮元素的利用效率。Al-Qurashi AD等 [ 28 ] 认为水肥一体灌溉技术中，灌溉液的养分浓度是影响作物产量的关键因素。Li Y等 [ 29 ] 以番茄为研究对象，并认为水肥一体化的灌溉技术与滴灌相比较，连续稳定的供水条件能提高番茄的高度和茎醋，并且能够提高作物的产量和水分利用效率，提高效率分别可达1.6%~8.2%和9.9%~30.5%。袁洪波等 [ 30 ] 将传统土培水肥不循环技术与水肥一体灌溉技术进行了比较，研究结果表明水肥一体滴灌循环系统的用水量是土培模式的69.42%，水分利用效率与传统土培模式相比水分利用效率是土培模式的1.92倍。谭华等 [ 31 ] 的研究结果表明，水肥一体膜下滴灌模式对玉米的产量和氮素都有所提高。霍昭光等 [ 32 ] 以烤烟为研究对象，水肥一体灌溉模式比常规施肥相比，在促进烤烟生长方面，水肥一体灌溉模式更优。 3.2. 精准农业智能化农机 精准农业智能化农业机械采用系统化的概念，是精准农业研究中的关键。将农业机械与现代化计算机技术、全球定位技术、遥感技术有机结合在一起，减少人为因素干扰。农业机械智能化系统主要由3部分组成：信息采集系统、决策判断系统和执行系统。利用各类传感器采集环境和农作物信息，首先在决策系统中输入关于环境、土壤、植株等方面的数据，以此来作为判断的依据。实时信息被处理系统进行汇总处理，做出判断，传输到执行机构。智能化农业机械依靠客观数据来做决策和动作，避免了人为因素带来的差异，也可减轻操作人员由于疲劳，减少失误。智能化农业机械有安装GPS的精细变量施肥机和自动喷药机、精细滴灌设备等。 3.2.1. 安装GPS的精细变量施肥机或自动喷药机 过量使用肥料在造成浪费的同时也会使农田受到污染，在精细农作中要以电子地图的信息为基础，对田间施肥量进行定位控制调整。目前已有监控土壤肥力的实时传感器，在农作中切入土壤的两个犁刀之间装有电位差，中间形成电磁场，磁场会受土壤特性影响，产生变化的信号来调节电磁阀门实现肥料的变量投入。也可以通过专家决策系统将田间各部分所需肥料量及单位面积用量输入到处理器中，系统搭载的GPS会扫描田间地图，实现自动控制施放量。如图1、图2所示为装备有GPS的施肥机实物图和精细变量施肥机原理图 [ 33 ]。 图1. 装备有GPS的精细变量施肥机 [ 33 ] 图2. 精细变量施肥机原理图 [ 33 ] 3.2.2. 精细滴灌装备 精细滴灌装备中安装遥感设备，通过传感器来监测土壤含水量，按照作物需水要求，通过毛管上安装的灌水器，将农作物需要的水分、养分一滴一滴，均匀而缓慢地滴入作物根区土壤中。滴灌不会破坏土壤结构，使土壤内部水、肥、气、热保持在适宜的良好状况，减少蒸发损失，避免地面径流，杜绝深层渗漏，省水省力，如图3所示 [ 34 ]。 图3. 精细滴灌装备 [ 34 ] 3.2.3. 基于杂草自动识别技术的智能化喷药机 基于计算机图像识别技术的智能化精准喷药除草机械可以精确识别田间作物与杂草，该机械在田间工作时，可以检测杂草分布情况，将数据反馈到专家决策系统，通过智能化调节，精准开启或关闭相应的喷头，还可以根据杂草种类以及数量实现变量喷药，达到精准除草、节约药剂、减少环境污染的目的。智能化喷药机原理图如图4所示 [ 23 ]。 图4. 智能化喷药机原理图 [ 23 ] 喷药机油图像识别系统和变量喷药系统组成。图像识别系统由采集仪10、相机11、密闭箱体12、照明17、橡胶保护罩18等组成。变量喷药系统由电磁阀1、流量调节阀2、压力表3、压力调节阀4、过滤器5、药剂泵6、药箱7、机架20、药剂管路21、喷头22等组成。两系统被连接架8和牵引架16组成一个整体。拖拉机15驱动整个系统，杂草识别和喷药量等数据由专家决策系统9自动调节。 3.3. 数字化精准农业系统 数字化精准农业是在数字农业的基础上，通过智能化农机最大化的减少人为干扰，解放劳动力，实现生产过程数字化、智能化、自动化。目前较为成熟的数字化精准农业系统包括机械化农场和温室自动监控调节系统。在温室研究方面，奥地利Ruttuner教授提出的Complex System以及日本中央电力研究所设计的蔬菜工厂等，实现了全封闭生产，自动调节光照，立体旋转式栽培，生产过程全部采用电脑检测，有专家系统进行数据处理决断，采用机器人、机械手臂等完成生产活动，全面解放人类劳动力。我国在机械化农场方面做了大量研究和实践：新疆作为中国一大粮仓，新疆建设兵团在九十年代中旬，就已经启动了包括选种、播种灌溉、施肥、管理、收割在内的精准农业技术的研发。发展至今，新疆建设兵团逐渐完善了信息监测、智能决策施肥、灾害预测、信息处理与指挥系统等技术。新疆在棉花精准种植技术方面位居全国前列，节水灌溉面积已达到总面积的90%，超过30%的种植面积采用智能平衡施肥技术 [ 35 ]；黑龙江拥有全国机械化程度最高的农场群——黑龙江农垦，该农场在1996年以后开始对精准农业技术装备进行研究。先后承担了“精准农业应用技术研究与示范”、“智能化农业信息技术应用示范工程(CIMS)——黑龙江垦区示范区”、“大规模现代化农业数字化技术应用研究与开发”、“精准农业技术与装备”等国家项目与课题研究，研究的重点主要集中在信息处理软件开发、智能化农业决策系统、信息遥感监测、作物生长模拟模型等技术。至今，该农垦区机械总动力达433万kW，每公顷拥有2 kW，综合机械化程度超过92%，田间管理已经实现飞机作业 [ 36 ]。