精准农业技术与应用

第一章概述

导读：精准农业是现代农业的一个重要组成部分和重要的发展方向之一，越来越受到广泛关注。精准农业也叫精细农业或精确农业，有时也被称作数字农业，通俗地讲就是综合应用现代高新科学技术、以获得农田高产、优质、高效的现代化农业生产模式和技术体系。精准农业的战略目标是：实现提高经济效益和保护生态环境的协调统一，遵循可持续发展原则，达到减少资源浪费、减轻环境污染、提高土地利用效率、降低农业生产成本等目的。

本章分三节，分别介绍现代农业与精准农业、精准农业基础理论、技术支撑与战略目标。

第三节现代农业与精准农业

1．1．1农业的社会发展阶段

农业是社会经济的一个重要组成部分，而且也是基础部分和最早出现的产业。“民以食为天”，所以在社会发展的最初阶段就有了农业。那时工业尚未出现。即使手工业也是在农业社会发展到一定程度后才出现的，所以那时的社会称为农业社会。考察社会经济发展的驱动力或生产要素就会发现不同的社会发展阶段，其生产要素或社会经济发展的驱动力是不同的。在农业社会，生产的发展，主要是农牧业的发展，主要靠两要素即资源与劳动力。资源是指土地资源和牲口资源。劳动力是指体力较强的人口。社会经济的发展是以拥有的资源量和劳动力的多少来决定的。

在工业社会中，生产的发展或社会经济的发展，除了依靠资源和劳动力两要素外，还增加了资金要素，所以称为“生产三要素”或经济发展“三要素”。资源除了土地资源外，还包括机器和厂房等，劳动力除了农民外，主要还包括工人。资金在工业社会中起到十分重要的作用，有了资金(本)就可以买到资源和雇佣劳动力，到了工业社会的中后期，又称为资本主义社会。在工业社会中，农业生产也受“三要素”的影响，资金在农业生产中也起到了明显的作用，有了资金也就有了土地和劳动力。

在信息社会或知识经济社会中，生产的发展或社会经济的发展，生产“三要素”是必要的保障，还主要依靠知识和科技，尤其是信息技术，科学技术成为第一生产力。

因此要发展农业生产，在农业社会主要依靠资源，尤其是土地资源和劳动力；在工业社会主要依靠资源、劳动力和资金；在知识经济或信息社会，主要靠知识和科技，尤其是靠信息技术。所以农业生产发展的驱动力，随着社会发展而变化。

当前人类社会正进入知识经济社会或信息社会，科学技术是第一生产力，发展经济或生产要靠科学技术，要靠信息。发展现代农业生产虽然仍离不开土地资源、资金和劳动力，即原来的“生产三要素”仍然是今天必不可少的保障条件，但主要还是要靠科技和信息，而不再以扩大耕地面积、增加劳动力和资金投入作为首要条件。虽然资金是非常重要的，但资金主要用于开发农业科技和信息，而不是用于开垦荒地或扩大耕地面积。劳动力也十分重要，但主要是指有知识的农民和技术人员。

把发展农业生产的驱动力重点放在依靠科技和信息，不仅是科学的、符合时代特点和当前的大趋势，而且也有利于生态环境建设和实现农业的可持续发展。

近10年来，我国无论在信息传播硬件建设，还是在农业信息平台和资源建设上都取得了较大进展(科技日报，2002)。目前，我国拥有涉农网站2600多个；国家科技攻关计划开展了“农业决策支持信息系统研究”、“农业信息化关键技术研究”，为国家宏观决策和农业科技信息传播发挥了重要作用。国家“863计划”开展了“智能化农业信息技术应用示范工程”，在全国建立了20个示范区。“网络农业”、“精准农业”、“虚拟农业”等探索研究也应运而生。在农业研究信息系统、科技基础数据库、小麦一玉米连作智能决策系统、农业词表和机器翻译系统、多媒体光盘应用系统、农场管理系统、畜牧营养数据库、土肥信息管理系统、草地信息系统等方面也取得了一系列科技成果。

农业现代化是人们十分关心的问题。但对于“现代农业”的理解，众说纷纭，见仁见智。在20世纪的70年代，有人认为农业现代化就是指农业的机械化、水利化、化学化和电气化。到了90年代，有人认为农业现代化就是指生态农业、可持续农业和集约农业。《百科全书》对农业现代化的注释是：“指用现代科学技术，现代工业装备和现代管理方法改造农业的过程”。江泽民在20世纪90年代指出：“在经济发达

地区率先基本上实现农业现代化”。他又说：“四个现代化，哪一个也离不开信息化”，农业现代化主要是指农业信息化。

信息技术正在对农业产生广泛而深刻的影响。智能化农业专家系统使农业由定性到量化，由经验到科学；网络技术使农业由分散封闭到信息灵通；精准农业技术使农业由粗放到精准；3S技术(遥感、地理信息系统和全球定位系统)使农业管理由宏观到微观。信息技术正在大大改善农业的分散性、区域性、时空多变性、经验性以及不稳定性和可控程度低的行业弱势，使农业登上信息化的历史巨轮。

在世界人口激增和工业革命的双重压力下，科技和工业革命大潮激发了农业科技革命，出现了化学肥料、合成农药、育种技术、拖拉机和农用电力，外源的物质和能量打破了古代农业封闭式的循环，带来了20世纪农业的高速发展。高投入，高产出，也付出了高代价，化学物质的污染、自然资源的破坏、能源的高消耗，深深地困扰着当今社会，近代农业陷入困境，人们又在求索新的出路。

生产力是社会发展的原动力，作为第一生产力的科技，它的每一次重大突破都会将生产力提升到一个新的水平，不断发展和发展的阶段性是客观世界发展的基本规律。

精细化工、新型材料、自动控制、航空航天等现代工程技术也加速了对农业的武装。紧密贴近作物营养需求，工业与农业相结合以及高效、多元、无公害的肥料生产和施肥技术体系正在形成；灌溉正由传统的沟输畦灌向着激光平地与低压管道输水、精细灌溉与水肥药联用相结合的节水农业方向发展；工厂化种植和养殖，是工程设计、新型材料、自动控制、专用品种、专门栽培饲养和植保防疫技术相结合的一种先进生产和管理方式。

生物技术、信息技术和现代工程技术不是常规农业技术一般意义上的发展，而是在分子和信息化层次上的一次重大技术突破，一个崭新的现代农业技术平台。在未来的二三十年里，将逐渐完善以生物技术和信息技术为先导的技术和生产体系，使现代农业成为现代技术高度密集的产业。

1．1．2农业技术革命

农业技术经历了从“刀耕火种”到“木犁一铁犁”，从单靠人力劳动到畜力支持劳动，尔后在工业革命的推动下，又出现了大量的农业机械，一些发达国家和地区实现了农业生产机械化和自动化或半自动化的大农业生产。在农业生产过程中，体力劳动所占的比例逐渐减少，智力劳动所占的比例逐渐增加。资金也主要用于农业科技开发上，于是在20世纪中叶开始，进行了一系列的农业技术革命，主要包括以下几个方面。

1)绿色革命

狭义的绿色革命是指发生在印度的“绿色革命”。1967～1968年印度开始了靠先进技术提高粮食产量的绿色革命的第一次试验，结果粮食总产量有了大幅度提高，使印度农业发生了巨变。广义的绿色革命是指在生态学和环境科学基本理论的指导下，人类适应环境，与环境协同发展、和谐共进所创造的一切文化和活动。

20世纪70年代以来，绿色革命在发达国家、尤其是在发展中国家开花结果。可以说发达国家是在实现农业现代化的基础上，从绿色革命所提供的新品种获益的。由于对高肥土壤和水分反应良好的矮秆、半矮秆小麦和水稻品种的使用和推广，全世界粮食产量增加了2倍多，有18个粮食长期匮乏的国家改善了粮食的供应状况或基本上实现了粮食自给。我国也从这场绿色革命中受益，依靠传统的精耕细作和现代科技产品相结合，让占世界不到7％的耕地养活了占世界22％的人口。

此后不久，绿色革命就逐渐暴露其局限性。化肥、农药和农业机械的使用，必然要增加大量投资，不仅生产成本高，还会加重国家财政负担。由于大量灌溉，长期使用化肥、农药，造成土地板结和盐碱化，环境污染等问题也日益突出。90年代初，又发现其高产谷物中矿物质和维生素含量很低，用作粮食常因维生素和矿物质营养不良而削弱了人们抵御传染病和从事体力劳动的能力，最终使一个国家的劳动生产率降低，经济的持续发展受阻。

2)白色革命

1828年法国人莱达诺发明聚氯乙烯，此后德国人又对聚氯乙烯进行了大量的研究，1938年，美国开始进行聚氯乙烯的工业化生产。1951年，日本开始试验用塑料薄膜代替油纸和玻璃，此后塑料薄膜在农业上的应用迅速发展起来。50年代初期，美国在夏威夷将薄膜用于地面覆盖。1976年日本地面用塑料

薄膜覆盖面积已达20万hm2以上．也正是这一项新技术，在人类农业生产史上掀起了一场以大幅度增产为目的的“白色革命”。随着世界各国用于地面覆盖的塑料薄膜种类的不断更新和发展，目前，“白色革命”仍在持续和发展。市场前景好，随着人们收入的增长和生活质量的不断提高，奶品的消费量将不断增加。特别是为实现经济增长和民族强盛，我国将积极实施“奶类行动计划”。显然，奶业在我国是一个前景十分广阔的朝阳产业。

3)蓝色革命

“蓝色革命”是相对于“绿色革命”与“白色革命”而提出的，被称为当代农业上的三大技术革命之一。海洋占地球表面积的71％，蕴藏着丰富的资源。最初，人们用蓝色的大海形象地把这次革命称作“蓝色革命”，后来延伸到包括海洋和内陆水域，把人类向水域索取食物的重大技术革命，统称为“蓝色革命”。随着人们生活水平的提高，科学技术的进步，“蓝色革命”越来越成为各界探索关心的热点。“蓝色革命”之所以引起人们关注的另一个原因是急剧增长的人口对陆地资源的压力日益增加。我国海岸线长，水面辽阔，湖泊星罗棋布，具有发展“蓝色革命”的优越条件。

工业生产排放废渣、废水、废气，对渔业环境构成了严重威胁。同时，酷渔滥捕，过度捕捞，也会破坏水域生态平衡，同样影响渔业生物资源的繁衍，危害渔业资源的保护和增殖。放养密度、品种结构、管理手段和养殖工艺等，都是水产养殖的重要因子，如操作不当，同样可以引起环境恶化、病菌孳生、自相残食而危害水产养殖。高度重视水生生物资源的生存环境、生态平衡、生物多样性的保护，使渔业资源得到繁衍、增殖和合理开发利用，是实施渔业持续发展战略的根本保证。

4)白色农业

近几年来，以高科技手段开发微生物资源的白色农业异军突起，发展迅速。白色农业的崛起将改变传统的以动植物生产为主的“二维农业结构”，从而构建起以动物、植物、微生物3者生产并重的“三维农业结构”。白色农业又称微生物农业，是以蛋白质工程、细胞工程、酶工程为基础，运用现代基因工程技术组建的开发微生物资源的工程农业。白色农业是高科技生物工程，它在工厂化条件下生产，生产者穿着白色工作服，在洁净的厂房里工作，不污染环境，故称“白色农业”。

白色农业运用高科技手段，通过优化配置微生物自然资源，利用微生物惊人的繁殖生产能力，生产人类及动植物所需的营养品、保健品、饲料、肥料等。它的生产过程不受自然条件的影响和限制，产品的产量和质量可以得到稳定的保证，而且节水、节土、节能、不污染环境，可常年大规模生产。

白色农业有着极其巨大的生产潜力，微生物是目前世界各国竞相开发的新蛋白质资源，其蛋白质含量一般在30％～50％之间。利用单细胞早白资源，生产高蛋白质新型人造食品饲料，前景十分广阔。如用世界石油产品产量的1％，利用微生物工程来生产单细胞蛋白质，可供10亿人吃一年。利用作物秸秆、谷壳，以及工农业废液、废渣、废气在微生物发酵作用下，均可生产微生物蛋白饲料。我国每年有5亿t作物秸秆，若将其中20％通过微生物发酵，就可获得相当于400亿kg饲料粮的饲料，相当于我国目前全国饲料粮的1／3。

白色农业可有效解决“人畜争粮”问题，推动畜牧业的发展，有助于解决我国的粮食问题，并改善居民的膳食结构。

5)农业园艺化

农业园艺化或农业田园化，主要是20世纪50年代在日本兴起的农业技术革命。由于它大多分布在离城市不远的地方，所以又称“都市农业”和“观赏农业”。除了采用精耕细作以外，还特别重视“园艺化”和“田园化”，既增加了产量，又增加了经济上的收入，而且还是生态环境建设的一个重要方面，也是现代农业的样板之一。农业园艺化既重视了经济效益，也重视了生态效益，同时也注意了社会效益，如休闲、观赏等。

6)设施农业

设施农业是采用一定设施和工程技术手段，以充分利用太阳能并在必要时辅以其他能源，通过在局部范围改善或创造环境气象因素，为动植物生长发育提供良好的环境条件，从而在一定程度上摆脱对自然环境的依赖而进行的有效生产的农业。设施农业是农业工程学科最具典型的分支学科领域，是依靠科技进步形成的高新技术产业，是当今世界最具活力的产业之一，也是世界各国用以提供新鲜农产品的主要技术措施。

设施农业主要包括(冯广和，2000)：

(1)设施栽培：目前主要指蔬菜、花卉、瓜果类的设施栽培，设施有各类塑料棚、各类温室、人工气候及配套设备。

(2)设施养殖：目前主要指畜禽、水产品和特种动物的设施养殖，设施有各类保温、遮荫棚舍和现代集约化饲养的畜禽舍及配套设施设备。

我国发展设施农业已有20多年的历史，并取得相当的成绩。目前，国内大型温室面积已超过700hrn2，而且每年都以超过100hm2的速度增长。

7)工厂化农业

“工厂化农业”概念是1994年原国家科委启动“工厂化高效农业”重大科技产业工程立项工作时首次提出的，是我国对农业现代化生产方式具有创新意义的一种提法，在此之前，农业专家通常称为“设施农业”。工厂化农业与设施农业在概念上没有根本性的不同，是设施农业的高级层次，是应用现代工业技术装备农业，在可控环境条件下，采用工业化生产方式，实现集成、高效、可持续发展的现代农业生产与管理体系。主要是利用成套设施或综合技术使种养业生产摆脱自然环境的束缚，实现周年性、全天候、反季节的企业化规模生产(赵冬梅，2002)。

工厂化农业涉及到生物学、园艺栽培学、微气象与生态学、农业生物环境与能源工程学、土木工程学、测试技术与自动控制、计算机与信息科学、市场营销与经济等学科，工厂化农业是高度集约化和技术密集型产业。

进入21世纪，随着国民经济的迅速发展，我国人民生活将实现从温饱向小康和富裕的过渡，对工厂化农业提出了更高的要求，其发展的总趋势是着重在增加品种、提高质量、提高市场竞争能力，逐步实现专业化、规范化、标准化和系列化(闫世霞，2002)。

8)现代节水农业

现代节水农业也是属于农业技术的重要分支，尤其对于我国缺水的西部和北部地区来说非常重要，它已列入“十五”重大科技项目。我国是一个农业大国，农业用水占全国总用水量的70％左右，其中灌溉用水又占农业用水总量的90％以上，每年高达3600亿～3800亿m3，但利用率却很低，仅为40％～45％，而发达国家的标准为70％，差距很大。同时，目前我国现代节水农业领域的技术储备还很薄弱，缺乏适合国情的现代节水农业新技术和产业化程度较高的产品设备，没有建立起适于不同农业类型区的节水农业技术体系和应用推广模式。国外的喷灌、滴灌技术投资较大，要大面积推广在资金上有困难。我国现代节水农业的重点应放在以下4个方面。

(1)提高作物水分利用效率、农田利用率、渠系利用率、水源再生利用率的技术研究。要求灌溉利用率达到70％以上。

(2)筛选抗旱节水农作物新品种开发研究。

(3)在不同类型区建立现代节水农业技术集成示范区。

(4)建立节水农业技术产业化基地。

1．1．3农业信息化

农业技术革命是从工业社会中后期就开始的，而农业信息革命则是从工业社会后期，或从工业社会向信息社会过渡时期开始，现在还处于方兴未艾之际。农业信息革命的主要标志是农业信息化，信息化和全球化的洪流也冲击到了农业生产，农业既要吸收全球最先进的技术和知识，农产品市场也要以国际市场为导向，因此农业信息化是农业发展的必由之路。

1)基因农业

基因是指生物的遗传信息领域的重要组成部分，各种农作物的基因图谱绘制已经取得了重大的成果，水稻基因图谱已由我国科学家完成。多种抗病、抗旱、抗低温的转基因农作物，不仅产量高，而且具有人类所喜爱的食用特性，例如可以使粮食作物带有牛肉、鸡肉、鱼肉的味道和各种很好的口感，前途无量。以色列培育的可用海水灌溉的抗盐碱转基因农作物就很引人关注。

动植物品种是农业生产的原材料，原始农业的动植物驯化、古代农业的人工选择、近代农业的杂交育种，都处在农业技术体系的中心位置。生物技术的出现，首先引发的也是育种技术上的革命。近代的常规

育种技术主要是依靠育种家的经验，在田间对育种对象作表型性状的选择，只能利用有限的种内杂交优势，而基于分子生物学理论的生物技术，则可以对生物的遗传信息作实验室操作，可以在动物、植物、微生物，即所有物种间作基因转移和重组，可以作遗传改良工程的设计和施工，因而极大地扩展了生物种质资源和杂种优势的利用。

通过生物技术，可以注入作物某些新的特性，显著提高其耐旱、耐涝、耐低温、耐盐碱、耐瘠薄、耐储运和抗虫、抗病、抗除草剂等抗逆的性能。也可以产出某些新的特性，如富含不饱和脂肪酸的油料、富含抗癌蛋白的大豆、富含蹂花酸的草莓、可食性疫苗等等。通过遗传改良的猪，日增重和饲料利用效率等指标可较普通猪种提高一倍，动物的体外受精、胚胎分割、性别控制、核移植等胚胎工程技术和克隆技术已成熟和实现商业化。生物反应器技术可以通过动植物体生产昂贵的蛋白质药物、新能源和新材料。动植物品种成为现代技术的重要载体和橱窗。

微生物基因重组技术的出现，掀起了农用生物制剂产业的革命，新一代生物农药、动物疫苗、生物肥料、生长调节剂等的出现将如雨后春笋。有害生物的综合防治、农业生态系统的调控等也将为农业环保和可持续发展开辟新的途径。

基因农业的迅速发展，使转基因食品、生物等逐渐深入到人们的日常生活和周围环境中。转基因技术是一把双刃剑，在带给人类福祉的同时，也蕴含着相当的潜在危险。转基因作物的大量田间试验和种植，会不会造成一些负面效应?如破坏生物多样性及生态平衡等，转基因食品会不会对人体产生危害?“注重安全，防患于未然”将是人们在发展基因农业过程中首要的、不可推卸的责任。

2)信息农业／数字农业

目前，利用信息技术和信息资源发展现代农业，已经成为农业发展的大趋势。充分利用信息技术与信息资源已贯穿于农业生产的产前、产中和产后的整个过程。智能化农业信息技术及信息的开发、推广和应用是信息农业的重大措施。

信息农业由两大部分组成：一为信息技术；二为信息或数据。

（1）信息技术：包括数字化、网络化、智能化和可视化在内。而数字化是基础，因为只有经过数字化之后，才能通过计算机和网络进行传输，才能运用计算机进行种种处理和实现智能化，进行虚拟实验和可视化，所以首先要进行数字化。因此，信息农业又可称为数字农业，它包括了空间信息技术(遥感、地理信息系统、卫星定位系统、网络)及管理技术。信息技术的功能是确保信息快速准确获取、处理、传递和共享等。

（2）信息数据：仅有信息技术而没有信息或数据是不行的。在信息高速公路上，没有信息和数据就如同在高速公路上没有车也没有货。信息技术好比是工具，信息或数据好比是工作对象，如果只有工具而没有工作对象，再好的工具也形同虚设。信息农业所需的信息和数据主要包括：农作区的基础地理数据、农作区的基础设施数据、农业技术数据、农业市场数据、农业管理数据、农业环境数据、农作生长状况数据、农业产量数据等。

信息农业是指信息技术在农业生产过程中的有关农业的信息采集、处理、分析及生产、管理和经营的技术系统，它贯穿于农业生产的产前、产中和产后的全部过程。

信息农业技术是一个高度综合的生产性技术，它包括了两大方面：①农业生产技术：生物基因工程、农业生态生产及经营管理、农业技术与农业机械等。②与农业生产有关的信息技术：数据库和数据仓库(database&data warehouse)、网络技术、管理信息系统(MIS)、人工智能和专家系统(AI&ES)、决策支持系统(DSS)、地理信息系统(GIs)、遥感(RS)和全球导航卫星定位系统(()NSS)、多媒体(MM)、自动控制(ACT)及数字化(DT)等。．

信息农业是一种现代化的农业系统，是由农业技术与信息技术共同组成，包括技术与数据两个方面。信息农业的内容包括生产、管理和经营3个方面，三者缺一不可。

发达国家是在完成工业化和农业机械化之后推进农业信息化建设的，而我国工农业基础设施相对落后，生产技术水平相对较低，我们不可能等到全部实现工业化后再发展农业信息化，必须采取工业化和信息化并进的模式，并充分发挥信息技术的后发优势，以信息化促进工业化，带动农业现代化。

3)电脑农业

电脑农业是以农业专家系统为基础，集成和应用多媒体模拟模型、地理信息系统等技术，并与有线和

无线网络结合，形成具有实用价值的智能化农业专家系统。农业专家系统是指通过计算机把农业科学、农业技术、农业专家经验组装配套，再与当地的土壤、气候、作物品种等生产条件紧密结合，生成最佳种植方案的技术系统。

(1)电脑农业的战略目标：定位在“服务农业、农林和农民致富”上，重点解决农业结构不合理、产品质量差、生产成本高、经济效益低和农民收入增长缓慢等难点问题。

实行“抓应用、促发展、见效益”为指导思想，加强组织，统一规划，优势集成，克服低水平重复，重点突破智能化农业信息平台。

(2)主要措施：

-与当地政府的实际工作密切相结合；

·建立规范化的组织管理与实施体系；

·高技术要平民化、“傻瓜化”；

·集成有关的先进技术；

·与当地农业结构调整和农民致富密切相结合。

(3)电脑农业的方针与政策：政府引导、施政推动；示范样板、辐射带动；企业参与、市场推动。

(4)3种推广应用模式：

·经济发达地区：依托良好的信息技术基础设施，开发智能农业专家系统并实现网络传输和远程服务；

·在经济较发达地区，根据当地情况，有针对性地开发网络版农业专家系统，通过拨号上网或局域网实现网络传输和远程服务；

·在经济欠发达地区，通过开发和示范，使用单机版农业专家系统进行技术咨询与服务。

(5)电脑农业的示范工程的重点：“傻瓜化”是关键，标准化是重点，同时还要综合化、多功能化、网络化、基地化、产业化。

20世纪70年代，美国Illinois大学的植物病理学家和计算机科学家共同开发了大豆病害诊断专家系统(PL,ANl、／DS)。一个未经训练的普通人使用该系统能够识别大豆病!善症状，并提出管理方案。以后，美国、日本、英国、荷兰、加拿大等国相继开发了其他一些农业专家系统。其中最成功的例子，要数美国农业部农业研究服务中心作物模拟研究所于1985年研究的棉花管理专家系统C()MAX—G()SSYM。C()MAX能在农场内为棉花管理提供咨询，用于确定灌溉、施肥、施用脱叶剂和棉桃开裂的最佳方案。4)虚拟农业

虚拟农业试验田，又叫Cyber农业试验田，一种模拟植物生长的早已商品化的计算机软件。美国洛杉矶和拉斯维加斯两城市的城市改造虚拟实验表明，街道树品种选择的计算机虚拟实验是成功的。它可以模拟不同类型树种10年、20年等的生长状况及绿化和美化效果。

由中国农业科学研究院诸叶平研究员开发的“小麦一玉米连作智能决策系统”，2002年1月正式通过了鉴定(安飞，2002)。该系统能模拟、监测、预测农作物的种植、生长、品质、产量等全部生产过程，该系统输入给定的小麦、玉米品种、土壤、天气资料及经验水肥数据，选定管理方式后，运行单作或连作模型，即可得到性状和植株、土壤、气候状况的逐日值及直观曲线图，以及水分、氮肥的利用情况；输入相关系数后，可得到有限灌水量、灌水日期及有限施肥量和施肥日期；系统可对小麦、玉米的生长发育动态进行监测，选定最高产量、最大净收益和最高投入产出比等决策目标后，依据不同品种和肥料，可获得连作种植的最佳品种搭配和种植方案，实现科学决策。该系统运用系统动态原理和模拟／虚拟技术，可在计算机和网络上看到仿真的或虚拟的作业环境及状态，并可远程应用。系统集成应用模糊逻辑、遗传算法、人工神经元网络技术开发的数据建模工具，可模拟作物的生长过程及预测产量。该系统已经在北京、河北等省(市)应用，效果良好。该系统的英文版已出口到纳米比亚。，虚拟农业试验在一定程度上可以替代野外真实实验田进行多种农业实验，真实试验田需要花几个月到一年的工作，计算机虚拟只要几个小时就能获得结果。因此采用虚拟农业试验技术，不仅可以大量地节省时间，而且还节省了大量的经费和人力。

1．1．4精准农业及其发展

精准农业(precision agrx‘ctllttire，简记PA)首先由美国农业工作者于20世纪90年代初倡导并实施的(彭望禄，2001)。在国外，与。Precision Agrictllttire意义相近的词有Precision Farming、Site—specific：AgI

‘icuIture(farruing)、Site—specific(；rop Management，Prescription Farming等。相应地，国内也有不同译法，如精确农业、精细农业、精准农业、精细农作、定位农业、农作物定位管理和处方农作等，其内涵都是一致的。

精准农业，通俗地讲就是综合应用现代高新科技，以获得农田高产、优质、高效的现代化农业生产模式和技术体系。具体说就是利用遥感(RS)、卫星定位系统(GPS或wWPS)等技术实时获取农田每一平方米或几平方米为一个小区的作物生产环境、生长状况和空间变异的大量时空变化信息，及时对农业进行管理，并对作物苗情、病虫害、墒情的发生趋势，进行分析、模拟，为资源有效利用提供必要的空间信息。在获取上述信息的基础上，利用智能化专家系统、决策支持系统，按每一地块的具体情况做出决策，准确地进行灌溉、施肥、喷洒农药等，因此，有人把精准农业称为“farming by the inch'’(寸土寸耕)。

精准农业的兴起有两个主要背景(吴才聪，2002)：一是可持续农业为世人所接受；二是全球定位系统、遥感、地理信息系统、人工智能等高新技术的产生或民用化。前者导致人们发展农业的观念发生转变，后者使得这种观念转变成为可能。

精准农业既不同于日本等国在20世纪50～60年代的“农业园艺化”，也不同于发达国家在60～70年代提出的“生态农业”和“绿色革命”，以及以色列的“农业工厂化”。它是以大田耕作为基础，以先进高技术为支撑的集约化和信息化的农业技术系统，是指从耕地、播种、灌溉、施肥、中耕、田间管理、植物保护、产量预测到收获、保存、管理的全部过程实现数字化、网络化和智能化，全部应用遥感、遥测、遥控、计算机等先进技术，以实现农业生产的信息驱动、科学经营、知识管理、合理作业、促进以农业增产为目的，是使每一平方米的土地得到最优化使用的高技术系统。形成一个包括对农作物和动态分析、诊断预测、耕种措施和管理方案的决策支持在内的信息农业技术系统。

近年来农业生产虽然有了很大的发展，但是却也带来了严重的浪费和环境污染现象，如传统的灌溉方式——漫灌和现代的滴灌、喷灌相比，浪费非常严重，对于干旱和半干旱地区来说，浪费水资源是不能容忍的。除了水资源浪费外，在我国许多地区种子、化肥和农药的使用量往往也超过实际的需要量，尤其是过多的超量使用化肥和农药，造成了严重的土壤污染和水质污染，农田成了面污染源。要消除上述情况，惟一的方法就是实现精准农业。精准农业的战略目标是：实现提高经济效益和保护生态环境的协调统一，遵循可持续发展原则，达到减少资源浪费、减轻环境污染、提高土地利用效率、降低农业生产成本等目的。为了要实现上述战略目标，应实现“寸土寸耕”的原则，即充分利用每一寸土地、每一粒种子、每一滴水、每一克肥料和农药的效力，以达到丰产和丰收的目的。要求做到人尽其才、物尽其用，充分发挥人财物的效益，减少浪费，更不能造成破坏生态环境的后果。

1．2精准农业的基础理论

精准农业首先是农业，但不是传统农业，而是现代农业和高科技农业。因此，精准农业的基础理论也有以下3部分组成。

(1)农业与农业生态理论农业与农业生态理论是精准农业的理论基础，现代农业或高科技农业必须符合农业与农业生态理论，农业的机械化、自动化和信息化都要遵循农业与农业生态理论才能发生作用和产生很好效果。农业与农业生态理论已有专业书籍介绍，主要包括农作物生理、遗传与育种、分子生物理论、营养与生长、农作物生态与环境等。任何先进的农业技术，都要遵循上述理论，不违背上述理论才能发挥有效作用。

(2)农业工程技术理论包括农业系统工程理论和农业信息工程理论在内，农业系统工程不仅是农业种植、农业耕作技术的理论基础，而且还是农业机械化、自动化等工程的理论基础。农业技术与农业工程是一个多种多样的复杂系统，它需要按照系统工程理论进行优化组合，才能达到很好效果。农业信息工程，包括基础工程、农业信息化工程、自动化工程、控制工程及电脑农业等。信息流是物质流和能量流的决定因素，物质流和能量流以信息流作为导向，信息流是基础。

(3)农业经济与农业管理理论精准农业要达到较好的经济效益，必须遵循农业经济与农业管理理论。农业经济包括投入产出比、成本、经济效益、社会效益和生态效益核算、农产品市场预测、特种农业与农产品深加工等。农业管理包括资金与财务管理、人力资源管理、土地资源管理、农业机械资源管理、农业耕作管理、农产品及其经营管理等。精准农业是属于高度科学管理的农业。

对于农业生产来说，普遍存在着小尺度空间分布不均一现象，例如在同一块农田中，存在着地形高低、土壤湿度、土壤营养与病虫害的空间分布不均匀现象。若采用均一的灌溉、施肥、喷药投入，势必造成有的小区不能满足需要，而更多的小区则不仅造成浪费，还会引起土壤和河川的环境污染。所以必须采用因地制宜，根据需要，按小尺度地块进行分别灌溉、施肥、喷农药，需要多少，施用多少，达到整个农田内农作物的均衡生长。这样也才能实现精准农业“既要节约资源、减少地球负荷，又要增产增收”的目的。

1．3精准农业的支撑技术

精准农业，从某种意义上说是一种高技术农业。

随着微电子技术的迅速发展和实用化，推动了农业机械装备的机电一体化、智能化控制技术、农田信息智能化采集与处理技术的迅猛发展，加上生物工程、作物栽培、种子与肥料、病虫害监测与预测、作物栽培模拟与仿真，以及虚拟技术在农业生产中的应用，形成了智能农业装备、自动监测技术与系统优化决策支持技术系统，及农业的电脑牝经营技术。提高了农业产量和促进了农业的进步，同时为“数字农业”或“精准农业”的发展打下扎实基础。

美国专家研究委员会(Nat：ional Research Cotmcil)为此专门立项对农业高新技术发展战略进行研究，经过美国科学院、美国工程院的两院院士组织讨论，于1997年发表了题目为“2l世纪的精准农业——农作物管理中的地学空间与信息技术”(17recision Agriculture in the 21 st Century——Geospat：ial and Information Technologies in Crop Man—agement)的报告，全面分析了地学空间信息技术改善作物生产管理决策和改善经济效益的巨大潜力，阐明了精准农业的研究现状及地学空间信息技术的服务为农业发展提供的机遇。目前，国外在数字农业方面，主要利用遥感、全球定位系统、地理信息系统、遥测系统、作物生产管理与决策支持系统、电脑网络技术等地学空间信息技术和生物工程、自动化的农业操作技术及生产管理技术。

1995年美国地球物理环境公司(GER)提出了“(global Earth Resource observation System，GEROS 计划”，发射了一个小卫星群，以监测农业过程，对农业提供信息服务，该计划采用6个载有16个波段、分辨率为10m的高光谱遥感卫星，以获得3～4d重复周期的卫星遥感图像，以便农户根据遥感结果及时采取措施。总部设在波士顿的TASC／WSI公司对数字农业十分重视，采用了航空多光谱卫星，10m分辨率，首先提供种植状况的征候图(Symptom map)，再结合GIS技术提出诊断结果图(Diagnosis map)，最后根据决策支持系统制定行动方案图(Action plan map)。以密歇根环境研究所(ERIM)为代表的国际遥感会议集团还召开了“Conference On geospatial information in agriculture and forestry”会议，以“数字农业”作为核心内容。

多年的试验实践表明，农田内以米为尺度计量的平均产量的最大差异可达70％～100％，主要是由于土壤容量、氮磷钾养分、有机质、地形、水分等的差异，以及施肥耕作、管理过程等的不同所造成的产量的差异。不仅是一年的产量不同，而且经连续多年对同一块农田进行研究分析，积累的数据表明，同一小区年际间产量的差异也是十分明显的。因此，实施以农田时空变异为基础的精准农业，是非常必要的和有潜力的。

由地学空间信息技术与现代农业技术相结合组成的精准农业技术，其实施过程可描述为：带GPS的联合收割机自动生成的作物产量分布图(典型空间分辨率为15m)——田块的地形、地貌、土壤参数空间分布数据图，及支持作物辅助决策支持系统。并在决策者的参与下，生成作物管理处方图——根据处方图指导按小区实旋目标投入和精细农作管理(汪懋华，1999)。

近年来，随着GPS技术的迅速发展，开发了与智能化农业机械配套的DGPS定位系统，具有12个通道，动态条件下每秒自动提供3D定位数据，并具有与农机智能临近装置的通用标准接口，用于后处理差分校正的D()PS的定位精度可达厘米级，可用于农田土壤、苗情、病虫、草害的信息采集和操作。通过电子传感器和GPS，装在联合收割机上的仪器，在整个收获季节可以不断地记录下几乎每平方米面积的产量及其他信息，例如谷物的温度、粒度等，经电脑处理后，就可以绘制出各地块的产量图。拖拉机和联合收割机正在进入信息时代，并将使农业开始电脑化经营(韦罗尼克·洛雷勒，1999)。1996年以来，美国提供GPS局域差分信号免费服务的面积已达全国的2／3，信标站差分信息服务半径约为300km~，用于数据存贮、分析、处理和表达地理空间属性数据的GIS计算机软件平台主要用于建立以下诸项的空间信息数据库

和进行空间信息的各种处理：①土地管理、土壤成分、土壤厚度、土壤中氮磷钾及有机质含量等；②当地历年来的气温、降雨、最高气温、最低气温、雷灾及大风风速等；③作物苗情、病虫草害的发生发展趋势、作物产量的空间分布等。这样的GIS管理系统可以为管理和调控提供信息、建立作物栽培管理的辅助决策支持系统、投入产出分析模拟模型和智能化专家系统，为农业生产作出科学的诊断。提出科学的处方，指导科学调控操作(汪懋华，1997；韦罗尼克·洛雷勒，1999)。

智能型农业机械目前已进入商品化阶段，英、美、加等国已经生产了带DGPS定位系统和产量自动计量的谷物联合收割机。1998年以来，在美国的市场上投放了配备有电脑与()PS的拖拉机、播种机、旋肥机及粉碎机，它们可以自动调节播量、施肥量及农药量。这种功能是由连续3年的自动探测资源包括产量等，经电脑分析仪得出的结论记录在电子卡上，再由仪器操纵农机来执行，包括翻耕深度、播种数量、农药品种及量的指令的发出和实施。

据汪懋华院士(1999)介绍，带I)GPS定位系统和产量自动计量的谷物联合收割机，在田间收获中按秒为单位存储与空间位置相对应的小区平均产量信息，经压缩后存入智能磁卡，再在：PC机上读入磁卡数据，构建小区产量空间分布图，并与GIS平台相结合，进行空间图形的矢量化和聚类处理后，生成可用于指导操作的小区产量分布矢量图。英国Massey Ferguson提供的这种联合收割机，在机器座舱内的一个虚拟化计算机L,ED显示屏上，可以随意调用各种图形化可视界面，监控机器各部分的工况和显示获得的产量分布图。据1996年美洲Case—IH调查：北美当时约19％的300hm2以上的规模化农场已经利用(3-PS，到2000年这一比例将达到90％，北美已有2000台谷物联合收割机安装有产量计量传感器，一个主要联合收割机制造商宣称，其1／3的新产品均已安装有产量传感器。这类谷物联合收割机的单产计量精度误差可达3％以内。在带产量传感器和DGPS的谷物联合收割机技术已趋于成熟的基础上，近两年来，欧美等若干国家已开始了对玉米、甜菜、土豆、甘蔗、棉花等联合收获机产量计量传感器的研究，并已取得初步成果。实施按处方图进行农田投入调控的智能化农业机械，如安装有DGPS定位系统以处方图读入装置、可自动选择种子类型(二选一)、按处方调节播量的小麦精密播种机，以及自动施肥施药机、可控喷水量的喷灌机等，均已有商品化产品，并在继续完善之中。

遥感技术在数字农业中将发挥信息采集与动态监测的优势，气象卫星可提供每天天气状况信息，加上测雨雷达，可进行降雨预报。高分辨率的陆地遥感卫星与海洋遥感卫星为农、林、牧及沿海养殖业、远洋捕捞业提供及时的信息及预报，1～3m分辨率的全色遥感和3～5m的多波段遥感及6～30 km扫描带宽的卫星遥感技术得到普及，将能更加方便地获得农业信息。

目前，田间信息实时采集装置开发难度较大，是尚待突破的问题，如土壤水分、养分(N、P、K)、杂草、病虫害与作物苗情识别的传感器。这些田间信息受到自然气象条件的影响，时空变异性大，实时采集难度高，进行田间大量实时的信息采集和数据处理耗资费时，尚未得到成功的解决，近几年已成为本领域攻关研究的重要方向之一。技术发展的方向将集中在采用适用化的TDR土壤水分测量技术、杂草和作物苗情多光谱识别技术、视觉图像处理技术、离子选择场效应晶体管与射流土壤含氮量等，近几年已有许多研究成果报道，可以预期不久将有适用的商品化产品进入市场。

“精细农作”技术的研究与实践，已经经历了近20年的孕育过程。20世纪70年代中期，微电子应用技术的迅速发展，使得工业化国家的农业机械进入到一个以迅速融合电子技术向机电一体化方向发展的新时代。大马力、高速、宽幅农业机械的设计，广泛引入了新材料、新工艺和微电子监控技术，农业装备设计中越来越重视操作者的安全性、舒适性。80年代后期，在农业机械机电一体化发展中，又迅速跟踪了电子信息科技的进步，其监控系统迅速趋向智能化，已由单元控制发展到分布式控制、由单机作业系统向与管理决策系统集成的方向发展。电子学与信息技术在农业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的新里程碑。通过电子技术，使一些农业装备具有智能化特征和更易于相互通信，促进着基于知识和信息的现代化农业装备技术系统的形成。迄今，电子技术用于农业装备可概括为如下5个基本领域：

·提高机器作业的技术性能：过程监视、控制、诊断、通信；

·实现环境友好的农作：节约物质、能源消耗，减少土壤、水质、动植物遭受污染；

·过程的精确操作：及时获取过程信息，精确执行过程控制指令；

·改善劳动者的工作条件：良好的人机接口界面，操作方便性、安全性、舒适性；

·支持科学的管理决策：通讯、调度与科学管理决策，实现系统优化目标。

数字农业或精准农业要求能够做到农业操作上的自动化和智能化，做到几个与农业生产密切相关的操作过程的精确性，如时间精确、空间精确、质(种子、肥料与农药等品种)与量(除种子、肥料和农药的数量外，还有耕作深度、中耕次数、灌溉水量及次数、产量等)的精确，预报与预测(天气、作物病虫害及产量等)的精确等。

迄今国外实践的精准农业技术体系，实际上是面向大田作物生产的精细农作(Precision Farming)系统。实现基于信息和知识的农业产业系统精细经营的技术思想，应该扩展到种、养、加，产前、产中、产后的整个过程，即过渡到建立精准农业的技术体系。实际上，精准农业的技术思想，早在70年代后期开始，已优先在发达国家奶牛生产管理中，根据奶牛奶量配料中得到了成功的应用。近十多年来，全自动化设施园艺业的发展和养殖中动物生长预测模型与配料，环境调控自动化系统的结合，农产品产后储藏保鲜，加工和生物资源开发过程中保持高价值、高品质产品的过程中，都已吸收了信息科技前沿的成就，如生物信息实时检测、机器视觉、模型控制、遗传算法与神经网络相结合的生物对象模式识别技术等，知识经济时代的农业将愈益依靠精细经营技术的支持(汪懋华，1999)。

美国明尼苏达州的农民波特，每天驾驶飞机在农田里工作，飞机上装有一台微型电脑，从电脑屏幕上他可看到700hm2的玉米地和大豆地。波特还计划在飞机上加装一部3000美元的接收器，从而可使他在农田工作时接收卫星定位信号，以便清楚地知道自己所在的位置。另外，电脑接收到卫星资料后，会计算出他的农田所需的肥料数量，并据此自动施肥，避免了不必要的浪费。实际上，波特所做的正是精准农业的革命}生创举。

根据美国农业部衣阿化州区姆斯的土壤耕作实验室制定的一项卫星指定农业生产计划。美国农业科学家已在种植大豆、玉米、燕麦和苜蓿的一片450hm2农田上，每隔12m收集到一组数据，当拖拉机接收到定位信号并确定自身所处位置后，即可在拖拉机上设置的计算机内调阅出这一位置相应的土壤数据，实施相应的生产方案。

他们现在还可以利用安装在收割机上的数字式产量监视器，来追踪某块土地的表现。实际上，他们可以获得每一排作物的产量数据。大部分的精准农业技术，需要依靠各种全球定位系统装置，和可以将天气模式、土壤性质和虫害控制等方面的信息，在地图上用一个点来表示出来的软件。农场主们可以利用这些信息来进行指挥，根据种植区的每个部分需要肥料和杀虫剂状况，来高速施用量。

精准农业主要包括以下几个方面的内容：

(1)基础数据库建设(数字化)

①基础地理数据：主要包括1：5000～1：10000的数字地形数据、自然水系、人工灌溉系统、道路、村庄、农业机械站、仓库，及土地利用与土地覆盖等状况数据。

②土地与土壤数据：主要包括以10m×10m即以100m2为单位的土壤厚度、土壤成分与质地、土壤肥力(氮、磷、钾及有机养份的含量)，以及每年施肥的种类与数量等数据(汪懋华介绍最佳分辨率为15m×15m)。

③气候要素数据：历年以周为单位的平均温度、降水量、风向、风速、空间温度、冰雹、最高温度、最低他农业气候要素的数据。

历年的农作物病、虫害资料以及防治措施与效果数据。

历年(五年来)种植农作物的种类、管理方法以及其产量记录数据。

历年(五年来)农业管理措施及其效果评估，包括灌溉、耕作措施等。

(2)监测系统建设(遥感、遥测及网络化)

遥感卫星技术，从1km分辨率的卫星遥感技术，到航空及其他遥感技术对土地、土壤，以及农作物的耕作与长势进行定期的监测，监测的频率根据需要和经济条件而

定。运用各种传感技术对土壤的温度、湿度等进行监测，传感器所得数据用网络进行传

输。

①天气灾害预报补充：根据卫星遥感资料，及当地气象台站的预报，进行分析对

比，针对当地情况进行预报。

②病虫害监测及预测：根据农作物病、虫害的历史发生时间，进行严密监测，再根

据病虫害的实际情况，结合天气趋势及其他环境条件进行预报。

③农作物产量预测：根据作物品种、长势及前三年内的产量与管理状况进行产量预测。一般需进行三次。第一次，出苗后半个月；第二次，开花前；第三次，成熟前半个月。以第三次预测为准。

(3)遥控系统建设(网络化、智能化)，包括有线和无线的两种

①农业机械遥控系统在GIS和GPS的协助下，特地为农业耕作目的服务的农业机械遥控系统，按编制好的规定程序进行操作，以完成各种农业活动，包括翻耕、播种、施肥、收割、烘干和入库的全部任务。

②农业自动灌溉、喷药遥控系统、农田的喷灌和滴灌系统都是自动化、智能化的。根据土壤湿度及农作物生长不同阶段的需求情况自动灌溉，所需水量也是自动控制的。

(4)农业调控与指挥系统(网络化、智能化)

①农业辅助决策补充包括根据土地、土壤、气候状况的分析结果，提出农作物品种的选择、肥料的选择与配方、农药的选择与配方，确保土壤不污染的措施选择等。

②农业调控系统根据辅助决策方案，最后由农业技术人员作出决策，在自动调控系统的协助下完成各种农业操作过程。

精准农业是建立在现代农业理论与知识基础上，运用数字地球技术系统对农业过程全面或部分实现智能化，以达到增产和节约的目的，实现可持续发展农业。精准农业的支撑技术及相关作业与管理流程如图1．1(金继运，1998)所示。