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　　什么是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（Precision agriculture）

圖像展示了精密農(nóng)業(yè)中的遙感應(yīng)用(由美國(guó)宇航局地球觀測(cè)臺(tái)提供)

英國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械供應(yīng)商-YaraN-Sensor ALS設(shè)備安裝在拖拉機(jī)的頂篷上(記錄作物光反射，計(jì)算施肥建議然后改變肥料擴(kuò)散量的系統(tǒng))

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)-NDVI 4厘米/像素GSD(DroneMapper)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(PA)，衛(wèi)星農(nóng)業(yè)或特定地點(diǎn)作物管理(SSCM)是一種農(nóng)業(yè)管理概念，其基礎(chǔ)是觀察，測(cè)量和響應(yīng)作物的田間和田間變化。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究的目標(biāo)是為整個(gè)農(nóng)場(chǎng)制定管理和決策的支持系統(tǒng)(DSS)，目標(biāo)是在保留資源的同時(shí)，對(duì)資源加以優(yōu)化，進(jìn)行精準(zhǔn)的投入以期產(chǎn)生回報(bào)。

在這些許多方法中，植物地貌學(xué)方法將多年作物生長(zhǎng)穩(wěn)定性/特征與拓?fù)涞匦螌傩月?lián)系起來。對(duì)植物地貌學(xué)方法的興趣源于這樣一個(gè)事實(shí)，即地貌組成部分通常決定了農(nóng)田的水文。

全球定位系統(tǒng)(GPS)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的出現(xiàn)使精確農(nóng)業(yè)的實(shí)踐成為可能。農(nóng)民和/或研究人員在田間定位其精確位置的能力允許創(chuàng)建可測(cè)量的盡可能多的變量的空間變異圖，安裝在配備GPS的聯(lián)合收割機(jī)上的傳感器陣列收集了各種跟土壤相關(guān)的數(shù)據(jù)，諸如：農(nóng)作物的產(chǎn)量、地形特征/地形、有機(jī)物含量、水分含量、氮水平、pH值，EC(藥劑的有效濃度)，Mg(鎂含量)，K(鉀含量)等等)。這些陣列實(shí)時(shí)傳感器，可測(cè)量從農(nóng)作物葉綠素水平以及農(nóng)作物水分含量等狀態(tài)，還包括多光譜圖像。通過獲得的這些數(shù)據(jù)，配合一起使用通過可變速率技術(shù)(VRT)的衛(wèi)星圖像，包括播種機(jī)，噴霧器等，以優(yōu)化分配資源。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)也得到了像DJI Phantom這樣的多旋翼無人機(jī)的支持，該飛機(jī)相對(duì)便宜并且可以由新手操作。這些農(nóng)業(yè)無人機(jī)可以配備高光譜或RGB相機(jī)，以捕獲可以使用攝影測(cè)量方法處理現(xiàn)場(chǎng)許多圖像，以創(chuàng)建正射影像和NDVI地圖。

一、歷史

PA是第3波現(xiàn)代農(nóng)業(yè)革命的重要組成部分。第一次農(nóng)業(yè)革命是農(nóng)業(yè)機(jī)械化，從1900年到1930年。在此期間，每個(gè)農(nóng)民生產(chǎn)足夠的食物來養(yǎng)活大約26人。20世紀(jì)60年代，第二次農(nóng)業(yè)革命是綠色革命，引發(fā)了新的基因改造方法，每個(gè)農(nóng)民都養(yǎng)活了大約155人。預(yù)計(jì)到2050年，全球人口將達(dá)到約96億，糧食生產(chǎn)必須有效地從目前的水平增加一倍才能養(yǎng)活地球上每一個(gè)人。隨著PA農(nóng)業(yè)革命的新技術(shù)進(jìn)步，每個(gè)農(nóng)民將能夠以相同的面積養(yǎng)活265人，這是第三次農(nóng)業(yè)革命。

概述

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)革命的第一波浪潮以衛(wèi)星和航空?qǐng)D像，天氣預(yù)報(bào)，變速施肥和作物健康指標(biāo)的形式出現(xiàn)。第二波聚合大數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)更精確的種植，地形測(cè)繪和土壤數(shù)據(jù)。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)旨在優(yōu)化實(shí)地管理，涉及：

1、作物科學(xué)：通過將農(nóng)業(yè)實(shí)踐與農(nóng)作物需求相匹配(例如肥料投入);

2、環(huán)境保護(hù)：通過減少農(nóng)業(yè)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和足跡(例如限制氮的浸出);

3、經(jīng)濟(jì)學(xué)：通過更有效的實(shí)踐提高競(jìng)爭(zhēng)力(例如改善肥料使用管理和其他投入)。

PA還為農(nóng)民提供了豐富的信息：

1、建立他們的農(nóng)場(chǎng)記錄。

2、改善決策。

3、促進(jìn)更大的可追溯性。

4、加強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品營(yíng)銷。

5、改善租賃安排和與房東的關(guān)系。

6、提高農(nóng)產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量(例如面粉小麥中的蛋白質(zhì)含量)。

規(guī)定種植

規(guī)定性種植是一種農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的種植建議，可以確定可變種植率，以適應(yīng)單個(gè)田地的不同條件，以期獲得最大化產(chǎn)量。它被描述為“農(nóng)場(chǎng)的大數(shù)據(jù)”。全球農(nóng)業(yè)巨頭孟山都公司、杜邦公司等公司正在美國(guó)推出這項(xiàng)技術(shù)。

工具

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)通常作為4個(gè)階段過程來觀察空間的變異：

1、數(shù)據(jù)收集

地理定位使農(nóng)民能夠覆蓋從土壤和殘余氮分析中收集的信息，以及有關(guān)以前作物和土壤電阻率的信息。地理定位有兩種方式：當(dāng)農(nóng)民在田地周圍駕駛拖拉機(jī)時(shí)，使用車載GPS接收器描繪該場(chǎng)地。該字段在從航空或衛(wèi)星圖像派生的底圖上描繪?；A(chǔ)圖像必須具有正確的分辨率和幾何質(zhì)量，以確保地理定位足夠準(zhǔn)確。

2、變量

場(chǎng)內(nèi)和場(chǎng)間可變性可能由許多因素引起。這些包括氣候條件(冰雹，干旱，雨水等)，土壤(質(zhì)地，深度，氮水平)，種植方法(免耕農(nóng)業(yè))，雜草和疾病。永久性指標(biāo) - 主要是土壤指標(biāo) - 為農(nóng)民提供有關(guān)主要環(huán)境常數(shù)的信息。點(diǎn)指標(biāo)使他們能夠追蹤作物的狀態(tài)，即，如果作物遭受水分脅迫，看病情是否正在發(fā)展，氮?dú)鈮毫虻狗?，是否已被冰等損壞。這些信息可能來自氣象站和其他傳感器(土壤電阻率，肉眼檢測(cè)，衛(wèi)星圖像等)。土壤電阻率測(cè)量結(jié)合土壤分析可以測(cè)量水分含量。土壤電阻率也是一種相對(duì)簡(jiǎn)單和便宜的測(cè)量方法。

土壤表觀電導(dǎo)率(ECa)是另一個(gè)主要參數(shù)，可以提供與土壤物理和化學(xué)性質(zhì)相關(guān)的空間差異的度量，水稻土可以衡量土壤是否適合作物生長(zhǎng)，水需求和生產(chǎn)力。..

3、策略

在一次飛行使用小型空中無人系統(tǒng)所拍攝的農(nóng)田(NDVI圖像)

使用土壤圖，農(nóng)民可以采取兩種策略來調(diào)整田間投入：

預(yù)測(cè)方法：基于作物周期中靜態(tài)指標(biāo)(土壤，電阻率，田間歷史等)的分析。

控制方法：來自靜態(tài)指標(biāo)的信息在作物周期中定期更新：

取樣：稱量生物量，測(cè)量葉片葉綠素含量，稱量果實(shí)等

遙感：測(cè)量溫度參數(shù)(空氣/土)，濕度(空氣/土壤/葉)，風(fēng)或莖粗可能是由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和的聯(lián)網(wǎng)(IOT)

代理檢測(cè)：車載傳感器測(cè)量葉片狀態(tài);這要求農(nóng)民在整個(gè)田地里開車。

航空或衛(wèi)星遙感：獲取并處理多光譜圖像，以得出作物生物物理參數(shù)圖，包括疾病指標(biāo)。機(jī)載儀器能夠測(cè)量植物覆蓋量并區(qū)分作物和雜草。

決策可能基于基于大數(shù)據(jù)的決策支持模型(作物模擬模型和推薦模型)，但歸根結(jié)底，農(nóng)民需要根據(jù)商業(yè)價(jià)值和對(duì)環(huán)境的影響來決定- 正在接管的角色通過基于機(jī)器學(xué)習(xí)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能(AI)系統(tǒng)。

重要的是要認(rèn)識(shí)到為什么精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)被采用，“對(duì)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的采用，農(nóng)民必須認(rèn)識(shí)到該技術(shù)是有用且易于使用的。可能不足以獲得有關(guān)PA的經(jīng)濟(jì)效益的積極的外部數(shù)據(jù)。作為對(duì)農(nóng)民的看法的技術(shù)必須反映這些經(jīng)濟(jì)因素。“

4、實(shí)施實(shí)踐

新的信息和通信技術(shù)使農(nóng)田的作物管理更加可操作，更容易實(shí)現(xiàn)。作物管理決策的應(yīng)用需要支持變速技術(shù)(VRT)的農(nóng)業(yè)設(shè)備，例如變化的種子密度以及氮和植物檢疫產(chǎn)品的可變速率施用(VRA)。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)設(shè)備上使用技術(shù)(例如拖拉機(jī)，噴霧器，收割機(jī)等)：

定位系統(tǒng)(例如，使用衛(wèi)星信號(hào)精確確定地球上位置的GPS接收器);

地理信息系統(tǒng)(GIS)，即理解所有可用數(shù)據(jù)的軟件;

變量農(nóng)業(yè)設(shè)備(播種機(jī)，撒播機(jī))。

二、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在世界各地使用

農(nóng)業(yè)無人機(jī)，機(jī)身上載有多光譜成像儀等設(shè)備。

20世紀(jì)80年代初，PA的概念首先出現(xiàn)在美國(guó)。1985年，明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員對(duì)作物田間的石灰投入進(jìn)行了改變。也是在這個(gè)時(shí)候，田間網(wǎng)格采樣的實(shí)踐出現(xiàn)了(每公頃應(yīng)用一個(gè)樣本的固定網(wǎng)格)。到了20世紀(jì)80年代末，這種技術(shù)被用于推導(dǎo)出肥料和pH校正的第一個(gè)輸入推薦圖。從新技術(shù)開發(fā)的屈服傳感器的使用，加上GPS接收器的出現(xiàn)，從那時(shí)起就一直在增加。如今，這樣的系統(tǒng)覆蓋了數(shù)百萬公頃的農(nóng)田。

在美國(guó)中西部，它與可持續(xù)農(nóng)業(yè)無關(guān)，而是與主流農(nóng)民有關(guān)，他們?cè)噲D通過僅在需要肥料的地區(qū)投入來實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化。這種做法允許農(nóng)民根據(jù)GPS導(dǎo)航網(wǎng)格或區(qū)域采樣確定的需求改變整個(gè)田地的肥料比率。在不需要撒肥的的地方，將肥料存，從而優(yōu)化其用途。

在世界各地，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展速度不一。最先是美國(guó)，其次是加拿大和澳大利亞。在歐洲，英國(guó)是第一個(gè)沿著這條道路前進(jìn)的國(guó)家，其次是法國(guó)，它最初出現(xiàn)在1997 - 1998年。在拉丁美洲，阿根廷處于領(lǐng)先定位，它是在20世紀(jì)90年代中期，在該國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)研究所的支持下引入的。巴西成立了一家國(guó)有企業(yè)--Embrapa，以研究和發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)。GPS以及變速率傳播技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展有助于農(nóng)田精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理實(shí)踐。如今，法國(guó)不到10%的農(nóng)民配備了可變速率系統(tǒng)。GPS的使用更為普遍，但這并沒有阻止他們使用提供現(xiàn)場(chǎng)級(jí)推薦地圖的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)服務(wù)。

全球三分之一的人口仍然依靠農(nóng)業(yè)謀生。雖然更先進(jìn)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)需要大量的前期投資，但發(fā)展中國(guó)家的農(nóng)民正從移動(dòng)技術(shù)中受益。該服務(wù)幫助農(nóng)民獲得移動(dòng)支付和收據(jù)，以提高效率。例如，坦桑尼亞有30,000名農(nóng)民使用移動(dòng)電話進(jìn)行合同簽訂、支付，貸款以及商業(yè)組織的溝通。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益在中國(guó)也得到了證實(shí)，但由于中國(guó)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是小規(guī)模的家庭經(jīng)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)，因此中國(guó)落后于歐洲和美國(guó)等國(guó)家。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)低于其他國(guó)家。因此，中國(guó)正在努力將精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)更好地引入本國(guó)，降低一些風(fēng)險(xiǎn)，為中國(guó)未來發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)鋪平道路。

三、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響

顧名思義，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)意味著在正確的時(shí)間向作物施加精確和正確的投入量，如水，肥料，殺蟲劑等，以提高其生產(chǎn)力和最大化產(chǎn)量。精確的農(nóng)業(yè)管理實(shí)踐可以顯著避免浪費(fèi)和其他作物投入的數(shù)量，同時(shí)提高產(chǎn)量。因此，農(nóng)民通過節(jié)約水、農(nóng)藥和化肥成本獲得投資回報(bào)。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)第二個(gè)更大規(guī)模的好處涉及環(huán)境影響。在適當(dāng)?shù)牡胤胶瓦m當(dāng)?shù)臅r(shí)間施用適量的化學(xué)品有利于作物、土壤和地下水，從而有利于整個(gè)作物周期。因此，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已成為可持續(xù)農(nóng)業(yè)的基石。因?yàn)樗鹬刈魑?、土壤和農(nóng)民?？沙掷m(xù)農(nóng)業(yè)力求確保在長(zhǎng)期維持生產(chǎn)所需的生態(tài)，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)限制范圍內(nèi)持續(xù)供應(yīng)糧食。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)通過提高機(jī)械效率和減少投入來減輕農(nóng)業(yè)對(duì)環(huán)境的壓力。例如，使用諸如GPS的遠(yuǎn)程管理設(shè)備減少了農(nóng)業(yè)的燃料消耗，而營(yíng)養(yǎng)物或農(nóng)藥的可變速率施用可潛在地減少這些輸入的使用，從而節(jié)省成本并減少有害的徑流進(jìn)入水道。

新興技術(shù)

機(jī)器人

自動(dòng)駕駛拖拉機(jī)已經(jīng)存在了一段時(shí)間，約翰迪爾的農(nóng)業(yè)設(shè)備具備飛機(jī)所擁有的自動(dòng)駕駛儀，并可無人工作。技術(shù)正在向GPS編程的無人駕駛機(jī)械發(fā)展，以擴(kuò)散肥料或耕地。其他創(chuàng)新包括太陽能機(jī)器，可識(shí)別雜草，并用一定劑量的除草劑或激光精確殺死它們。農(nóng)業(yè)機(jī)器人，也稱為AgBots，全球一些創(chuàng)新公司正在開發(fā)更先進(jìn)的收獲機(jī)器人，以識(shí)別成熟的果實(shí)，調(diào)整其形狀和大小，并精準(zhǔn)地從樹枝上采摘它們。

無人機(jī)和衛(wèi)星圖像

無人機(jī)和衛(wèi)星技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)農(nóng)業(yè)而言如虎添翼，使得農(nóng)田區(qū)域精耕細(xì)作。無人機(jī)可以拍攝高品質(zhì)圖像，而衛(wèi)星可獲得宏觀數(shù)據(jù)。輕型飛機(jī)駕駛員可以將航空攝影與來自衛(wèi)星記錄的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，根據(jù)當(dāng)前的野外生物量水平預(yù)測(cè)未來的產(chǎn)量。諸多的圖像可以創(chuàng)建等高線圖以跟蹤水流的位置，確定可變速率種子，并創(chuàng)建效率或多或少的區(qū)域的產(chǎn)量圖。

物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器和農(nóng)場(chǎng)管理軟件的配合使用，使得數(shù)據(jù)收集和匯總更為容易。這是眾所周知，液體肥料中的氮、磷和鉀的含量是不一致的，但是農(nóng)民可以用光譜儀器測(cè)量獲得這些數(shù)據(jù)。農(nóng)民獲得奶牛已經(jīng)排尿的地方，通過物聯(lián)網(wǎng)并僅在需要它的地方施肥，可以使肥料的用量減少達(dá)30%。而土壤中的水分傳感器，可以決定了遠(yuǎn)程澆灌植物的最佳時(shí)間和劑量。鏈接物聯(lián)網(wǎng)的灌溉系統(tǒng)，可以根據(jù)農(nóng)作物的需要和降雨量進(jìn)行編程，以切換作物的某一側(cè)需要水分。

創(chuàng)新不僅限于植物，還可以用于動(dòng)物的福利。?？梢耘鋫鋬?nèi)部傳感器，以跟蹤胃酸和消化問題。外部傳感器跟蹤運(yùn)動(dòng)模式，以確定奶牛的健康和健康，感知身體是否收到傷害，并確定最佳的繁殖時(shí)間?？梢詤R總和分析來自傳感器的所有數(shù)據(jù)，以檢測(cè)其趨勢(shì)和模式。

作為另一個(gè)例子，監(jiān)測(cè)技術(shù)可用于使養(yǎng)蜂更有效。蜜蜂具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，通過授粉各種作物為農(nóng)業(yè)提供重要的服務(wù)。通過無線溫度，濕度和二氧化碳傳感器監(jiān)測(cè)蜜蜂群體的健康狀況有助于提高蜜蜂的生產(chǎn)力，并在數(shù)據(jù)中讀取可能威脅到整個(gè)蜂巢生存，并早期預(yù)警。

智能手機(jī)應(yīng)用

智能手機(jī)和平板電腦在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也越來越受歡迎。智能手機(jī)已經(jīng)安裝了許多有用的應(yīng)用程序，包括相機(jī)、麥克風(fēng)、GPS和加速度計(jì)。還有專門用于各種農(nóng)業(yè)應(yīng)用的應(yīng)用，例如野外測(cè)繪、跟蹤動(dòng)物、獲取天氣和作物信息等。它們易于攜帶，價(jià)格合理，并具有很高的計(jì)算能力。

機(jī)器學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)通常與無人機(jī)、機(jī)器人和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備結(jié)合使用，它允許從這些數(shù)據(jù)源中獲取每一個(gè)數(shù)據(jù)。然后，計(jì)算機(jī)處理此信息并將適當(dāng)?shù)牟僮靼l(fā)送回設(shè)備。這允許機(jī)器人通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為農(nóng)作物提供精準(zhǔn)的肥料，以及直接向土壤提供精準(zhǔn)的水量。農(nóng)業(yè)的未來是，通過逐年累月的使用更多機(jī)器來參與學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)積累，使得其以更少的人力資源實(shí)現(xiàn)了更高效、更精確的耕作，最終讓農(nóng)業(yè)為人類匯報(bào)最大化的產(chǎn)出。