电子信息科技发展与农业机械化技术创新.docx

电子信息科技发展与农业机械化技术创新一. 概述 20世纪下半期开始的电子信息科学技术革命，是人类历史发展中的最伟大事件之一。以微电子技术、计算机技术、通信技术和网络技术为代表的信息技术革命，迅速地改变着人类的生产方式、思维方式和生活方式，加速了国民经济信息化进程，成为推动各个领域知识创新、技术创新、知识应用和知识传播的强有力手段。电子信息技术的发展，也明显地影响着农业机械化技术的创新过程，在农、林、牧、副、渔机械化过程中迅速吸收着电子信息技术革命的成果。50年代后期开始，发达国家农业机械化由单个作业环节机械的应用转向围绕农业种、养、加过程实现优质、高效、经济的目标，发展农艺与农机密切结合的综合机械化技术体系研究，从而对农业生产过程的工艺系统设计与过程自动化提出了新要求。首先在农业机械的试验、测试仪器开发，数据处理领域引进了先进的电子、计算机技术与信息处理技术；随着微电子技术的进步，农机测试仪器的研究开发不断更新换代，由晶体管分立元件，不同集成度的集成电路器件，发展到80年代初期开始的基于微处理器的综合测试系统，从而大大改善了农业机械研究与应用试验的支持环境，为揭示农机力学设计的内在规律和农机新材料、新工艺与新型农业机械设计研究提供了技术支持。从70年代开始，由于发达国家农业机械设计制造技术已趋于成熟，农产品国际市场竞争日益激烈，农业土地经营规模扩大，农业机械迅速向大型、高速、复式作业、人机和谐与舒适性设计方向快速发展，加快了电子信息技术面向农业生产机械化过程中的应用研究及应用电子产品的产业化开发。一批面向生产者应用的各种机电仪一体化技术产品迅速开发出来装备到农业机械上用于实现农业机械化作业的高效率、高质量、省成本和改善操作者的舒适性与安全性。各种电子监示、控制装置应用于各种复杂农业机械上，其典型产品，如：农业机械化过程中应用的田间作业面积、速度、机器作业工况计量与监示器;联合收获机谷粒损失监示器及喷雾与灌溉自动控制系统；在园艺领域，如，设施环境的机电一体化自动控制技术；在养殖领域，如：基于动物个体编号电子自动识别器的自动配料、称重、计量等设备在发达国家农场中迅速推广应用；拖拉机与自走农业机械的田间自动导航、机器视觉与农业应用机器人研究得到重视，成为探索在农业机械化过程中应用电子信息及机电一体化等高新技术开发研究的重要方向。80年代以来，电子技术与其它新技术在农业机械中应用研究的发展，既促进了世纪之交农业机械化系统电子信息化技术的创新研究与新产品开发,也为90 年代适应“精细农业”技术体系的试验实践开发智能化变量作业农业机械提供了基础。我国农业还处于逐步推进实现基本农业机械化的发展阶段，进入新世纪，为了提高我国大中型农业装备产品在国际市场上的竞争力，发展高新技术在规模化农业和农业机械化服务产业中的应用，也需要跟踪研究发达国家的先进经验，在应用电子信息新技术方面实现跨越式的发展战略。本部分着重讨论世纪之交发达国家农业机械电子化、信息化技术和支持“精细农业”应用的农业装备电子信息技术的发展趋势与展望。 二.世纪之交世界农业机械电子化、信息化的发展 世纪之交，世界农业机械装备技术的发展，正迅速地吸收和应用电子信息科技发展的成就。这与农业面对世界市场竞争的压力，集约化、现代化对大型、复杂、高效、节本、环保型农业机械化技术日益提高的要求密切相关。近20年来农业装备技术不断积累的技术创新成果也为这一发展提供了基础。电子学与信息技术在农业机械装备中应用的这一发展趋势，代表着拖拉机和农业机械技术发展新的里程碑。通过电子学，使一些农业装备具有智能化特征和在系统各控制单元间可相互通信，促进了支持基于信息和知识的“精细农业”应用的智能化变量作业农业机械的研究与开发。迄今，电子学用于农业机械装备的技术创新，可概括为如下五个基本领域：l l       提高机器作业的技术性能：过程监视、控制、诊断、通信；l l       实现节本增效和环境友好的农作：节约化肥、农药、水资源和燃料消耗，降低作业成本；保护生态环境，减少土壤、水体、动植物遭受污染；l l       过程的精确操作：及时获取过程信息，使农业机械操作能精确执行过程控制指令；l l       改善劳动者的操作条件：良好的人机接口，操作方便性、安全性、舒适性；l l       发展基于卫星定位系统的农机作业田间导航、定位变量作业的智能控制农业机械，实现农场管理信息系统与田间移动作业机械间的无线通信与机群调度，支持农田作业的科学管理决策等。 智能化农业机械需要有不同类型的信息采集传感器，适于农机工作环境和结构设计的控制执行器，高性能的电子控制器和相应的软件支持，需要建立拖拉机、农业机械各部件电子控制单元间的通信、接口设计标准。这些都需要机械、电子、信息管理等多种学科的集成支持。（一）. 拖拉机与农业机械内部的电子装备技术 拖拉机与自走式农业机械电子化正向网络化、智能化、分布式控制技术方向发展。一台大型拖拉机和复杂农业机械，已装置了若干个标准的电子控制单元（ECU），它实际上已是一个带有独立处理信息与控制功能的计算机智能控制终端，是针对农业机械使用环境专门设计的通用微型作业计算机（Job computer）,具有统一标准设计的接口和采用了现场控制局域网络（CAN）技术及其网络通信协议。 图11-1 FENDT拖拉机控制局域网络总线系统图11-1，图11-2 分别是德国FENDT拖拉机和CLAAS谷物联合机上应用的控制局域网络（CAN）总线系统，这已经在欧洲大中型农业机械的内部电子监视与控制系统中应用。机器的若干重要部件采用了独立的带微处理器的电子控制单元(ECU)，由设置于驾驶室带液晶显示的用户总线虚拟仪器终端控制器进行作业工况的显示和输入控制指令。机组上所有独立的电子控制设备均具有标准的输入/输出接口，挂接到标准总线上按规定协议进行通信和控制。总线上还留有插接端口可与外部计算机连接，对总线系统设备进行诊断或实施系统扩展。 图11-2CLAAS联合收割机控制局域网络总线系统  农机机组的电子控制单元，正在由早期的专用控制器设计向通用控制器方向发展。这样，一个标准的电子控制单元即可用于与不同类型的农机部件和不同厂商的产品配套使用。图11-3是农业机械上采用的通用控制系统示意图。图11-3农业机械上采用的通用控制系统图表11-1列出了欧州几家主要农机制造商至1996年3月在农机产品上CAN总线的应用情况。随着机器工作幅宽和作业速度不断提高，机器中的控制器数量不断增加，机组自动导向也引入到了大型拖拉机和自走式农业机械中。  表11-1 欧洲几家主要农机制造商1996年3月前在农机产品上应用CAN情况  厂 商 产 品 型号控制器数电缆类型田间使用的单元数 控制器总数FENDT拖拉机500800900223非屏蔽1600032000FORD拖拉机86708770887089704444屏 蔽1000040000FIAT拖拉机G170G190G210G2404444屏 蔽1200048000MF拖拉机6100810033非屏蔽1200036000New Holland切碎机FX300FX375FX450555光 纤7003500New Holland联合收获机TF785光 纤70350CLAAS联合收获机Lexion4-8非屏蔽50200总 计    50820160050(来源：文献1，1997)（二）. 拖拉机与农业机械间的总线通信技术拖拉机和各种农业机械上应用的智能化电子控制单元（ECU）的发展，使其接口的通用化、标准化设计变得愈益重要。通常都是在拖拉机和联合收割机的驾驶室安装可用于和不同机型配套的通用型智能显示终端。采用双绞线或光纤电缆构筑机组内的“信息高速公路”，即数据通信链路。它是基于CAN（Controller Area Network）现场控制局域网络的串行总线结构。各种机器部件或不同形式的农业机器电子控制单元，设计成具有与总线挂接的标准接口，包括硬件芯片和可编程软件。使得机组上各个相对独立的电子控制单元(ECU)间均可与中央控制与显示单元交换信息，接受控制指令，也可在各个农机具或部件ECU之间传输和交换数据信息，实现拖拉机与农业机器间、农业机器相互间和拖拉机中央控制器与农场计算机之间的串行通信。为了使农业机器上的电子系统具有通用性、兼容性，建立通用的总线通信设计标准是十分必要的。这样可使农户在国际市场上选购不同厂商的机器时，便于拖拉机与各种农业机械的ECU间的配套连接; 对制造商来说,通用标准的建立，使其仅需关注ECU用户一侧与机器控制相关的设计或建立其闭环控制系统，而不需要去深入了解ECU与其它设备之间的接口，只要将其插接到总线标准插座上即可，在总线上的数据信息交换仅以双向开环方式进行。设计农业机械的专用总线接口、通信协议和开发生产集成物理特性和软件协议的硬件电路，需要具有高集成度的IC芯片（嵌入式微控制器）。为此，CAN协议被选用作为农业机械应用的总线标准协议的基础。它是德国BOSCH公司开发用于汽车的总线通信协议标准。其工作方式与农业机械上的网络拓朴结构十分相似，支持CAN协议的接口通信芯片已可由世界各地IC供应商提供。1986年，德国首先提出了基于CAN 2.0A版本的农业机械总线标准（DIN 9694），并从1993年起在欧洲各国的农机制造厂商普遍采用。90年代中期，以DIN 9684为基础，国际标准化组织（ISO）正在加速制定基于CAN 2.0B 版本基础上的ISO 11783作为正式的农业机组数据通信及其接口设计的国际标准，可望在近两年内完成。DIN 9684农业总线标准的应用原理如图11-4，图 11-5所示。  图11-4 拖拉机-农业机械总线系统应用示意图  图 11-5 德国DIN9684/2-5 农业标准总线系统（LBS）的应用 DIN 9684 包括五个组成部分，即：DIN 9684-1: 它定义了CAN总线与农用设备的连接接头。9针接头中的4个分别用于60A 强电电源和25A电子电路电源；5个用于信号传输。总线信息交换速率为125 kbit/s; 最大传输距离40 m; 总线可挂接的最大用户数为16个。（图11-6）DIN 9684-2：叙述了根据ISO 11898 串行数据总线标准定义的数据格式。系统采用分布式总线结构。用户终端通过总线发出消息，所有其它用户(ECU)根据各自的识别码检测总线，获取需用的信息和与总线实现信息交换。图11-7表示了这一农业总线系统的典型消息框架。数据场可传输包括8个字节的数据。各用户(ECU)接口设置的11位编码的识别器同时定义了其通向总线的优先级别。 图11-6 DIN-9684/1 电缆终端接头   图11-7 DIN-9684/2 数据标准格式 DIN 9684-3 定义了系统功能和识别器结构。系统初始化时，借助于4个农具识别位和3个安装位置识别位进行机器系统的结构识别；在初始化过程中，最多16个挂接用户中的每一个用户动态地获取向所有用户播发的地址；基本消息作为第2优先级也向所有用户广播；为了允许用户间直接通信，目标信息定义为第3优先级；其它优先级用于中央输入输出单元及任务管理。 DIN 9684-4 定义了农业总线终端的键功能、屏幕功能与总线终端和农具终端的数据传输。当一个农业机器接入总线系统，一个特定的表征码即由终端计算机传给总线终端，当这个工作表征码被激活后，该终端计算机即可控制向总线虚拟终端的输入/输出功能。 DIN 9684-5 定义了移动作业机械与农场管理计算机间的接口、有关语法、语义和实施规则等。（三）. 人机接口技术拖拉机和农业机械作业中，都需要人来操纵和控制。传统驾驶室中的仪表盘正迅速由电子监视仪表取代，并逐步由单一参数显示方式向智能化信息显示终端过渡，从而大大改善了人机交互界面。这种智能化显示终端，实际上就是一台带液晶显示屏的计算机。它代表了当今仪器与控制装置发展的主流方向，又常被称为虚拟化仪器显示终端（Virtual Display Terminal）。它可在屏幕上按操作者的需求通过屏幕菜单任意选择显示机组中不同部分的终端信息，调用数据库信息，显示数据、图形、语音等多媒体信息。并可将数据信息动态存入类似信用卡尺寸的高密度智能化数据存储卡（PCMCIA卡）, 将田间记录的数据信息通过智能卡带回办公室计算机应用高级软件进行处理。也可以将管理者的决策和操作指令通过智能卡传送到拖拉机上的智能控制终端，自动控制农机的操作。图11-8是现代大型拖拉机驾驶室内带有智能化显示终端和良好人机工程设计的操作环境实例。图11-8 现代大型拖拉机驾驶室操作与显示环境设计实例 （四）农场农机化中的机群调度与管理决策支持技术 欧洲一些大农场，已开始建立和使用农场办公室计算机与移动作业机械间通过无线通信进行数据交换的管理信息系统。其通信协议及接口标准已在DIN 9648-5中加以定义。这可以使农场管理调度中心计算机可以直接调用读入各个田间作业机械智能终端存储的作业数据，存入农场计算机的数据库中，由于农场计算机可具有比移动作业机强大得多的信息存储、处理功能，专家知识库和管理决策支持系统，通过计算机处理后，制定详细的农事操作方案和导航作业计划后，通过无线通信数据链路传回到田间移动作业机。机器发生故障，操作者也可调用具有强大分析功能的办公室计算机诊断处理程序。现代通信技术革命的成果，已开始应用于农业机械化作业的远程管理中。 三 .“精细农业”发展与农业机械化技术创新近几年来，“精细农业”技术的研究与应用在发达国家得到了迅速发展，并推动了一系列农业机械相关电子信息装备技术的创新实践与产业化进程。已经积累起来的经验和应用技术发展趋势，为实现基于信息和知识的现代农业精细经营和作物生产系统可持续发展提供了广阔的前景，并被认为是21世纪农业科技革命的一个重要方向。（一）.“精细农业”- 基于信息和知识的现代农业精细经营技术 “精细农业”，即国际上已趋于共识的“Precision Agriculture”或“Precision Farming”学术名词的中译。这一技术的早期研究与实践，在发达国家始于80年代初期从事作物栽培、土壤肥力、作物病虫草害管理的农学家在进行作物栽培模拟模型，作物管理与植保专家系统应用研究与实践中进一步揭示的农田内小区作物产量和生长环境条件的明显时空差异性，从而提出对作物栽培管理实施定位、按需变量投入，或称“处方农作”而发展起来的；在农业机械工程领域，自70年代中期微电子技术迅速实用化而推动的农业机械装备的机电一体化、智能化监控技术，农田信息智能化采集与处理技术研究的发展，加上80年代中期后各发达国家对农业经营中必需兼顾农业生产力、资源、环境问题的广泛关切和有效利用农业投入、节约成本、提高农业利润、提高农产品市场竞争力和减少环境后果的迫切需求，为“精细农业”技术体系的形成准备了条件。海湾战争后全球卫星定位系统（GPS）的完善与开放民用化,为实现定位处方农作提供了前提条件，使得近20年来，基于信息技术支持的作物科学、农艺学、土壤学、植保科学、资源环境科学和智能化农业装备与自动监控技术、系统优化决策支持技术等，得以在GPS、GIS空间信息科技支持下组装集成起来，形成和完善了一个新的“精细农业”技术体系和开展了广泛的试验实践。据测算：采用精细农业技术，可以节约30%以上的肥料和农药，可使作物生产成本降低20%以上。其实施过程可描述为：带定位系统和产量传感器的联合收获机每秒自动采集田间定位及小区平均产量数据 通过计算机处理，生成作物产量分布图 根据田间地形、地貌、土壤肥力、墒情等参数的空间数据分布图，支持作物管理的数据库与作物生长发育模拟模型，投入、产出模拟模型，作物管理专家知识库等建立作物管理辅助决策支持系统，并在决策者的参与下生成作物管理处方图 根据处方图采用不同方法与手段或相应的处方农业机械按小 图11-9 “精细农作”技术体系示意图区实施目标投入和精细农作管理。图11-9 是AGCO MF公司提供的“精细农作”技术体系示意图。 迄今，国外关于Precision Agriculture 的研究，基本上仍是集中于利用全球卫星定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、作物管理决策支持系统（DSS）基础上的作物生产管理技术，即基于知识和信息技术的“精细农作”技术方面。由于农业活动涉及到农、林、牧，种、养、加，产、供、销等的广阔领域，随着科学技术的发展，人们对自然与生物资源的利用和调控环境的能力将日益精细化，从而将导至传统农业经营技术思想的革命，将“精细农作”的技术思想，扩展到精细园艺、精细养殖、精细加工（产前、产后）.等更为宽 广的农业生产领域，发展基于信息和知识的“精细农业”技术体系。这方面还有很长的路要走。特别是如何根据我国国情开展精细农业的实践研究，也是我国农业工程师面向21世纪进行技术创新研究的良好机遇。（二）.“精细农作”的主要支持技术1 3S技术（1）. 全球卫星定位系统（GPS - Global Positioning System） 90年代初全球卫星定位系统的完善，为实践农田作物生产的定位精细管理提供了基本的条件。GPS系统由包括24颗地球卫星组成的空间部分，由地面控制站和一组地面监测站组成的地面监控部分和用户接收机三个主要部分组成。对于用户来说，只需要根据不同用途的要求，如同使用移动电话一样，购置用户接收机, 享用不同方式的服务和具有必要的使用知识即可。GPS卫星，是一组能发射精确的卫星轨道参数和时钟信号，在2万余公里高空环绕地球运转的轨道卫星系统。这些信号穿越太空、电离层和大气层到达地面, 为接收机接收，经过数字信号处理进行定位计算。空间卫星的布局，可以保证在地球表面任何地方、任何时间和任何气象条件下，接收机均可至少获得其中4颗以上卫星发出的定位定时信号。理论上只要用户能接收到4颗卫星信号，即可解算出用户所在的3维（x、y、z）位置信息。其定位概念可作如下理解：l l       每一卫星在空间的轨道位置信息是由地面监控中心监控而精确知道的，它们作为用户用三角测量法测定自己在地面上的位置的基准参考点；l l       用户接收机测量卫星发出的无线电编码信号到达接收机的传输时间，利用：T（传输时间）´ 光速 = 距离的公式, 进行测距计算；l l       为了测量卫星发出的信号到达接收机的传输时间，GPS卫星上装置有精确可靠的原子铯钟，接收机上的同步时钟虽精度远远不如卫星原子钟的要求，但可以通过信号处理进行校正；l l       理论上，在地球表面附近的用户接收机, 只要能测得与卫星系统中任意三个卫星的空间距离，即可通过数字信号处理和按三角法测距原理, 确定自己的3维位置坐标。例如图11-10所示，当你测得与某一个卫星的距离，你在宇宙空间中的位置一定是在以卫星为参考点（圆心）, 以距离为半径的球面上（图11-10 a）；当你同时测得与某两个卫星的距离，你一定是在这两球面相切的圆形轨迹上（图11-10 b）；当你同时测得与某三个卫星的距离，你一定是在三个球面相切的两个交点位置上（图11-10 c），其中一个一定是在近地表面，另一个在远离地面的太空中。这样，你可以判定自己的唯一位置坐标；但为了对用户接收机时钟误差进行校正计算，需要能同时接收4颗卫星的定位定时信息；l l       图11-10 卫星定位系统测距原理示意图 当GPS卫星信号通过电离层和大气层传输时，会受到干扰和时间延迟，产生定位误差。美国提供的民用GPS接收机定位误差可达100米，实用的精确测量定位系统, 还需要在地面设置校正定位误差的差分信号服务，使用差分式全球卫星定位系统（DGPS）。 差分式全球卫星定位系统（DGPS）的建立原理，是在地面已经标定的地理位置上设置一个带有基站信号处理软件和广播误差校正信号能力的GPS接收机，该接收机既直接接受卫星定位信号确定自己带有误差的位置信息，又与其真实所在地理位置坐标相比较，计算出GPS接收机的X、Y、Z位置误差校正信息，按时间序列存储记录下来或通过广播天线实时发射出去, 为周围的移动接收机接收，使移动接收机自动修正自己的定位信息。这样，可使GPS定位精度容易达到米级或厘米级。根据上述两种提供差分校正数据信息的方式，可区分为后处理差分系统和实时动态差分系统两类。现有提供动态差分服务的方式有：l l         通过政府在沿海或沿大型水道设置的导航信标台获得差分信号免费服务。我国在东南部沿海建立的20个信标台，可提供的服务半径约150250公里。l l         通过特定地球卫星发射的广域差分系统获得校正信号的收费服务。我国大部分地区将可能获得国外提供的这种收费服务，但GPS接收机需具备相应的功能和有待在我国建立起相应的服务机制。l l         自建为局域范围（约20-30公里）服务的独立DGPS系统。适合于尚缺乏公用差分信号服务的地区。在远离具备公用差分服务条件的地区开展“精细农作”示范试验时，可以采用这种方式。目前国外已有许多著名GPS公司进入中国市场。有的著名厂商，如美国Trimble公司和Ashtech公司等已可专门提供支持“精细农作”的农用GPS产品，如Trimble的Ag132GPS接受机，具有12个卫星接收通道，可接收信标台或卫星转发的差分校正信号，也可用于建立独立差分GPS系统，可提供分米级定位精度和0.16公里/小时速度测量精度。具有农机田间导航、定点采样、背负式巡田定位信息采集与测量，携式专用掌上型定位数据采集器，适于与多种设备和主要农机厂商产品联接的专用信号电缆等附件，可供用于配置实用系统时进行选择。Ashtech公司提供Ag Navigator系统虽有不同结构形式，但具有相似的功能。为“精细农作”或其它农业应用选购GPS产品，需要有明确的应用目标和必要的知识支持，注意主机与附件的合理配置，避免盲目性带来的损失。（2）。地理信息系统(GISGeographical Information System) GIS是一个用于输入、存储、检索、分析、处理和表达地理空间数据的计算机软件平台。当然，GIS软件需要装载在适当性能的计算机上，并为计算机配置必要的输入输出外部设备，如用于输入数据的扫描仪、数字化仪、读卡机和用于输出和显示结果的计算机显示器、彩色打印机或绘图仪，并以不同格式将处理结果保存在存储介质中备用。GIS是以带有地理坐标特征的地理空间数据库为基础的系统。GIS中的数据可以被访问、变换、交互式处理。GIS从外部看，它表现为计算机软硬件系统，而其内涵确是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。由GIS数据库中，可以从不同侧面、不同层次提取、重新组织地理空间和时间特征信息，作为研究环境、生态和作物生长过程，分析发展趋势，预测、规划和制定管理决策的基础。在“精细农作”技术体系中，GIS主要用于建立农田土地管理，土壤数据、自然条件、作物苗情、病虫草害发生发展趋势、作物产量等的空间信息数据库和进行空间信息的地理统计处理、图形转换与表达等，为分析差异性和实施调控提供处方决策方案。图11-11表示一个典型的GIS矢量格式农田多层空间信息分布图。它将纳入作物栽培管理辅助决策支持系统，与作物生产管理与长势预测模拟模型、投入产出分析模拟模型和智能化作物管理专家系统一起，并在决策者的参与下根据产量的空间差异性，分析原因、作出诊断、提出科学处方，落实到GIS支持下形成田间作物管理处方图，分区指导对农业机械或农艺操作的科学调控。GIS是数据库管理系统的一种类型，但GIS数据是管理地理空间数据。这种地理参考数据，不但包括属性数据，还包括这些属性数据所在的地理空间位置数据。如特定小区的产量数值是属性数据，该小区所在的地理位置座标（x,y）的数值，即为空间位置数据。GIS数据库管理系统，可以随时提取或处理相关信息，以不同方式或颜色直观地显示在有地理坐标的地理图形上，也可以对这些信息进行不同方式的处理，输出统计处理结果等。GIS的强大功能是：它能将一种以上同一坐标区域的位置数值相互联系在一起，可以显示和分析同一农田的多种不同类型数据，并建立相互联系。GIS表达地理空间信息采用栅格型和矢量型两种不同数据格式，在精细农作实践中，原始采集的数据常用栅格式采集和存储，速度快；通过数据处理后形成的矢量型数据图形利于直观显示。由扫描仪或数字化仪输入的电子地图则直接转变为矢量图形显示。地理信息系统软件具有多种强大的数据处理功能供用户选用，当绘制产量图时，每秒均有一组数据产生，这些数据先以栅格格式存储，产量分布图的生成常用平滑技术和数据聚类分析处理后显示矢量型数据图形；当建立基于采样点离散程度大的田间属性数据图形时，如：土壤采样数据，则需采用基于邻域数据相关程度来估计未知值的方法即插值法来处理，用户需要根据不同情况选择适用的处理方法。 图11-11 GIS建立的典型农田数据图迭层分析 在精细农作实践中采用GIS建立空间图形的步骤通常是：l l         用扫描仪、数字化仪输入基础地理信息建立农田电子地图或用DGPS帮助绘制农田地理图形；l l         通过键盘输入定点采样数据或由产量监视器下载产量数据；l l         在GIS支持下对数据进行平滑、统计或内插处理，生成不同层面的矢量型空间数据地理分布图形；l l         选择颜色和图例以明晰表达各种空间信息分布图形；l l         在作物生产决策支持系统和决策者的参与下生成不同类型的处方图形用于指导处方农作；l l         在绘图仪、彩色打印机上打印图形或存入相应介质中备用。 目前，已有一批成熟先进的GIS软件在市场销售，国外软件大多也具有汉化功能，用户需要根据自己的应用要求选择合适的软件和配置相应的计算机硬件系统，并进行必要的应用软件开发以适应自己的应用要求。提供精细农业技术产品的厂商也同时可提供在通用GIS平台上开发的专用精细农作GIS分析系统。在形成农业空间信息地理图形时，采样密度、采样成本与信息处理的方法如何能更准确反映参数的空间分布和农田空间信息快速采集先进传感技术，仍然是尚待深入研究的课题。由于商用GIS系统的功能一般都照顾到各种类型用户的需要，针对农业资源信息管理和精细农业实践的需要和农村用户的特点，开发基于GIS设计规范的简单实用、易于向基层农村用户推广、界面友好的田间地理信息系统（FIS）已引起科技界的注意。(3). 遥感技术（Remote Sensing - RS）是未来精细农作技术体系中支持大面积快速获得田间数据的重要工具。它可以提供大量的田间时空变化信息。近30多年来，遥感技术在大面积农业资源监测、作物产量预测、农情预报等方面作出了重要贡献。遥感是用飞行器或人造卫星上装载的传感器来收集地球表面地物的空间分布信息。它具有广域、快速、可重复对同一地区获取时间序列信息的特点。遥感是测量地物对太阳辐射能的反射光谱信息或地物自身的辐射电磁波波谱信息。每一地物反射和辐射的电磁波波长及能量都与其本身的固有特性及状态参数密切相关。装载于卫星或航空器上的多光谱摄象机或扫描式光电传感器可获取的地物数字图象，其含有丰富的反映地物性质与状态的不同电磁波谱能量信息，可提取辐射不同波长的地物信息，进行统计分析和地物模式识别。在精细农作管理中不是直接测量土壤水份、植物冠层营养水平、籽粒与生物质产量等信息，但可通过的多光谱测量技术推断出结果。这种由测量引导推理需利用数据分析工具寻求传感数据与土壤或植物的相关关系。一旦这种关系建立起来，就可以对大面积的条件进行推理。通常RS数据图形可以是GIS的一个图层，补充实地采集的土壤肥力、杂草、虫害等数据层。同时尚需作些补充处理以使得图层与其它数据层的地理位置相一致（图11-12）。 图11-12. GIS中的农田信息数据层与RS图层的迭加分析在精细农作中应用RS与GIS结合进行农田空间信息分析时，可按如下步骤：l l         采集RS数据和处理成数据图象（由RS服务商提供）；仔细检查图象和分析统计数据；l l         完成RS数据的地面核实；l l         将RS和地面核实数据送入GIS系统；l l         鉴别被测变量与作物条件的相互影响关系；l l         根据所获信息对农田提出定位处方决策等。目前，由于卫星遥感数据尚达不到满足“精细农作”需求的空间分辨率，因而还未用于按小区进行作物生产的精细管理。然而，遥感技术领域积累起来的农田和作物多光谱图象信息处理及成像技术、传感技术和“精细农作”技术体系中需要解决的实时、快速农田信息采集先进传感技术的研究开发需求密切相关。RS获得的时间序列图象，可显示出由于农田土壤和作物特性的空间反射光谱变异性，提供农田作物生长的时空变异性的信息，在一季节中不同时间采集的图象，可用于确定作物长势和条件的变化。基于遥感产业界对“精细农作”的商业兴趣，一系列的地球观测卫星将在近几年内发射，到2005年，将有超过40个这类卫星提供服务。大部分这类卫星采集的全色图象，空间分辩率将达13米，多光谱图象分辩率预计可达315米，扫视区630 km。由于采用卫星遥感比航空摄影的成本将低一半以上，卫星遥感技术可预期在近35年内，在“精细农作”技术体系中扮演重要的角色。2. 田间信息采集与处理技术：“精细农作”实践中，需要在较精细的空间尺度上，获取农田作物生产有关的空间分布信息，包括利用不同的传感技术采集数据，采用适当的方法对数据进行处理，转变为易于理解和利用的可视化空间分布图形信息，这主要靠电子信息硬件与软件技术的支持。需要获取和处理的主要信息包括如下几方面：(1).农田作物产量空间分布信息：图11-13 谷物流量传感器工作原理示意图a. 冲击式流量传感器 b. 射线式流量传感器 c. 光电式容积流量传感器获取农作物小区产量信息，建立小区产量空间分布图，是实施“精细农作”的起点，它是作物生长在众多环境因素和农田生产管理措施综合影响下的结果，是实现作物生产过程中科学调控投入和制定管理决策措施的基础。为此，需要在收获机械上装置DGPS卫星定位接收机和收获产品流量计量传感器。通用的DGPS接收机，可以每秒给出收获机在田间作业时DGPS天线所在地理位置的经、纬度坐标动态数据，流量传感器在设定时间间隔内（即机器对应作业行程间距内）自动计量累计产量，再根据作业幅宽（估计或测量）换算为对应时间间隔内作业面积的单位面积产量，从而获得对应小区的空间地理位置数据（经、纬度坐标）和小区产量数据。这些原始数据经过数字化后存入智能卡，再转移到计算机上采用专用软件做进一步处理。实际上，产量空间分布数据的处理是一个复杂的过程，但可以通过专用软件快速完成。例如，GPS接收机指示的天线位置动态数据与割台收割作物的即时位置，按机器结构不同而有空间上的差异，而谷物流量传感器通常是安装在脱粒、分选、清粮过程后的净粮输出部件上，要反映作物田间对应位置的产量计量数据，需要考虑到收获机的结构尺寸内物流工艺设计，作业速度等多种因素，通过建立数学模型来作出估计。由于收获时谷粒的含水量不同，收获时还需要同时测量谷粒的含水量，以便在数据处理时换算成标准含水量以便对单产水平进行评估。迄今，用于小麦、玉米、水稻、大豆等主要作物的流量传感器已有通用化产品，其他如棉花、甜菜、马铃薯、甘蔗、牧草、水果等作物的产量传感器近几年已做了许多研究，有的已在试验使用。目前应用的谷类作物产量传感器主要有三种类型：即冲击式流量传感器（图11-13 a），射线式流量传感器（图11-13 b）和光电式容积流量传感器（图11-13 c）。它们分别用于John Deere和 Case、AGCO Massey Ferguson、欧洲一些公司的精细农作康拜因产品上。冲击式流量传感器计量误差在3%以内, 基于射线穿过谷粒层引起射线强度衰减测定谷物流量的传感器,据报导, 其计量误差不大于1%。收获机上应用的谷粒含水量测量，均按极板式电容传感器原理设计。收获机上采集数据的存储器件，已转向应用通用智能IC卡技术，存储卡可连续存储30小时以上的收获作业数据。各公司都专门开发了结合自己产品的数据处理与小区产量分布图生成软件和配套的智能化虚拟电子显示仪器，可直接在驾驶室内向操作手及时显示有关信息。 (2). 农田土壤信息采集与处理“精细农作”中土壤信息的采集，是为了从影响作物生长的土壤环境条件与营养水平角度获取信息，以分析产量图显示的产量空间分布差异性的原因，制定有关施肥、改土、耕作、种植等分布式定位处方决策。这类信息，因其时空变异性，可分为两大类：l l         相对稳定、时空变异性小的土壤信息。如地形坡度，土壤类型、结构，P、K和有机质（SOM）含量、pH值，耕作层深度等。这些数据的采集可在“精细农作”项目实施前，列为必要的基础信息采集内容。经过多年后可对这些参数作选择性复测。有些数据，如土壤类型、土壤微量元素含量可以引用原有土壤普查数据作参考；与精细农作处方决策紧密相关的参数如P、K、SOM含量，耕作层深度等，宜尽可能在技术、经济合理条件下采用较小空间尺度的标准栅格式定点采样法获取土样，在实验室进行分析或用适当仪器进行实地测量。采集的数据，可在地理信息系统（GIS）平台上，选用适宜的地学统计处理方法，建立主要参数空间分布图，存入数据库供分析产量空间差异原因，制定管理处方决策时调用。l l         时空变异性大的农田土壤信息。如N含量和土壤含水率。它们除需要在施肥、播种或灌溉作业前进行基本数据的测量和空间分布图生成外，还需要根据生长期需要，进行必要的抽样测量，以适时调控投入。这需要能实时快速采集与数据处理仪器的支持。迄今，对农田土壤营养成分的检测，基本上仍大多沿用实验室化验分析方法，耗资、费时，因而使农田土壤栅格式采样的空间尺度偏大、采样点密度偏于稀疏，难于建立较为精细的土壤参数空间分布图。国家土壤普查建立的土壤参数分布图，基本上是支持从地理学角度去研究土壤分布，为服务于社会经济和农业发展的宏观管理的需要，不适应从农学角度实施精细农作管理的需求。90年代以来，围绕精细农作发展的需要，对土壤采样测量新技术、新仪器和数据处理新方法已开展了许多研究，提出了一些新的采集土壤空间信息的技术思想和商品化产品开发成果，若干发展趋势可列举如下：l l         基于土壤理化分析原理的土壤溶液光电比色方法，开发智能化土壤主要营养元素快速测定仪，在我国已有若干实用化产品推广应用；l l         基于新的物理原理如近红外（NIR）多光谱分析技术，极化偏振激光技术、半导体多离子选择场效应晶体管（ISFET）的离子敏传感技术等的土壤营养元素快速测定先进传感器的研究已取得初步进展或研究成果，有的已可装置在移动作业机上支持快速信息采集的试验；l l         利用NIR多光谱分析技术开发的土壤有机质含量实时采集传感器，