精细农业与智能化农机装备.ppt

精细农业与智能化农业机械装备 1 1 精细农业的基本概念2 精细农业前3S简介3 智能化农业机械装备4 结束语 4 1 1精细农业概念的引入背景与演变 1995年 前国家农业部部长刘江同志率中国农业代表团访问美国时 与前美国农业部部长会谈曾提问 未来21世纪引起全球农业生产领域重大装备技术变革将是什么 当时明确回答是 PrecisionAgriculture 在美国还有一种说法叫 PrecisionFarming 代表团回来后 我国的新闻媒介便开始了 精确农业 精准农业 的宣传 我国从事 PrecisionAgriculture 研究与攻关的学科带头人是中国工程院院士 原国务院学位委员会农业工程学科评议组组长 中国农业机 5 械学会和中国农业工程学会名誉理事长 世界粮农组织农业工程专家组专家 中国农业大学教授汪懋华先生 多年来 他致力于该领域的宣传 研究 攻关 每年多次出国专项考察 指导培养硕士和博士研究生 倡导组建中国精细农业工程示范研究基地 汪懋华先生认为 结合我国劳动人民千百年来精耕细作的优良传统 把 PrecisionAgriculture 翻译成精细农业更为合宜 所以本次讲座名称为精细农业与智能化农业机械装备 6 1 2精细农业的重大意义 2000年前后在我国有无搞精细农业的必要 学术界还有一定的争议 赞同者认为 精细农业集最先进的现代科学技术于一体 它的研究与推广应用不仅会引起农业生产领域中重大革命 同时也会促进农业装备技术的重大变革 必将促进我国的电子产业 计算机产业 信息技术产业和机械装备产业的技术进步和发展 智能化农业机械装 备是实现精细农业的载体 它是知识经济的产物 也是知识经济的具体体现 目前从国外引进一台智能化农业机械装备 少则几万元 几十万元 多则一百多万元 持不同观点的人们认为 中国是一个发展中的国家 耕地少 人口多 资金缺乏 目前用7 的土地养活22 的人口已是了不起的成就 精细农业投入太大 暂时还不符合中国国情 我的观点属前者 当然搞精细农业也不是搞群众运动 全面展开 但是我们要投入一定的精力予以关注 投入一定的财力予以支持研究 开发具有我国知识产权并适合我国国情的精细农业智能化机械装备 因为它必然代表了先进生产力的方向 具有重大的战略意义 我认为 持怀疑态度人的观点也有其现实的道理 但是眼前看得太多 应该看事物的发展规律与发展前景 纵观世界农业的发展史可见 20世纪50年代前 第一 第二世界国家要从第三世界国家进口粮食和农产品来维持他们国家人民的生活 但是20世纪50年代以后 情况发生了逆转 第一 第二世界国家要向第三世界国家出口大量的粮食和农产品 当然这些国家人民的生活需要进口 然而 处于第一 第二世界的发达国家的耕地面积并无明显增加 仅有3 5 的劳动 力从事农业生产 也就是说在农业资源没有增加 反而减少的情况下 为什么会出现这样的逆转呢 他们主要是依靠科学技术 包括逐渐发展起来的精细农业工程技术 大大提高了劳动生产率和农业资源的利用率 降低了生产成本 减少了化肥 农药 石油的投入 减轻了对环境的污染 达到了经济效益 社会效益和生态效益的同步增长与可持续发展 目前 我国化肥 农药有效利用率在30 左右 天然降水的利用率不足35 仅为发达国家水平的一半 而每公顷拥有的农业动力约为1KW 相当于美国水平的2倍 我国的低产田占耕地总面积的60 以上 其单产仅为高产田的几分之一 对于中 高产田 或者即使是同一地块里 土壤的肥力 墒情 杂草 病虫害 产量等等在局部区域往往差异很大 并非均匀一致 而传统的农业机械装备的设计参数与考核指标是以均匀一致性为准则的 耕深要求均匀一致 肥料要求撒播均匀 播种指标 播量 播深等 要求一致 农药 除草剂喷洒均匀 农田灌溉均匀一致等等 以均匀一致的资源消耗投入到实际差异悬殊的具体环境之中 要么造成局部供应不足 土地 日光 空气等资源不能充分发挥自身的最大功能 要么造成局部供应过剩 最终造成资源的浪费和环境的污染 不能达到农业作业最佳理想的目标 1 1 3精细农业的定义 精细农业是一种战略思想 是信息和人工智能高新技术在大农业中的微观运用 它的全部概念建立在空间差异和时间差异的数据采集和处理上 其核心意图是实时测知作物 畜禽 个体或小群体或小区地块生长和防疫的实际需要 而及时确定针对性投入 肥 水 药饲料等 的量 质和时机 一反传统农业大面积平均投入的作法 以求最佳效果和最低代价 实行精细农业可以在减少投入的情况下增加 或维持 产量 提高品质 降低成本 节约资源 减少污染 保护生态 1 4精细农业的技术体系 精细农业的技术体系 主要由前3S 后3S和最后1S组成 简称精细农业7S体系 前3S GPS 全球定位系统 GlobalPositioningSystem GIS 地理信息系统 GeographicalInformationSystem RSS 遥感系统 RemoteSensingSystem 后3S ES 专家系统 ExpertSystem SS 模拟系统 SimulationSystem DSS 决策支持系统 DecisionSupportSystem 最后1S ICS 智能控制系统 IntelligenceControlSystem 前3S的集成作用是及时采集田间信息 经过信息处理形成田间状态图 田间状态图应能田间状态 肥 水 病 虫 产量 的斑块状不均匀分布 后3S集成的作用是及时生成优化的决策 它的支持技术包括专家系统 知识模型 模拟系统 数学模型 和决策支持系统 从多方案中优化或综合 作出决策 决策的表述形式可以是田间对策图或指令 IC卡 IC卡便于智能控制新型农业装备在田间作业时执行 实现按需变量投入的目的要求 最后1S ICS智能控制系统是智能化农业机械装备的控制指挥中心 由农机操作者下达指令 从DGPS接受位置信息 从GIS中的执行电子地图提取决策信息 也可以接受实时传感器的信息 并将它们转化为向执行器发出的控制信号 执行设备在接受信号后通过液动 气动或电动系统实现对作物的变量投入或作业操作调整 它还可以接受自执行设备传来的反馈信号 对作物投入量进行微调并存档备查 2 1全球定位系统GPS GPS是缩写词NAVSTAR GPS的简称 其全部意义为 导航卫星测时和测距 全球定位系统 即NavigationSateliteTimingandRanging GlobalPositioningSystem 2 1 1导航卫星 24颗卫星 分布在6个轨道平面上 每个轨道上有4颗卫星 在地球上任意地方 至少同时可观察到5颗卫星 其中至少有4颗在地平线7 50以上 卫星轨道高度约21083km 运行周期接近12h 精确地说卫星经过地面上同一点上空的时间 每天提前4min 卫星时钟日稳定度达10 14 日 卫星上的导航发射机向用户播发信号 采用双频方式 频率1575 42MHZ和1227 60MHZ 发射双频是为了校正电离层产生的附加延时 2 1 2地面站组 地面站组亦称地面控制部分 包括4个监控站 1个注入站和1个主控站 出于军事目的 这些站全部设在美国本土的空军基地内 进行导航卫星的监视和运行参数的修正控制 2 1 3用户设备 用户设备是GPS接收机 它的主要功能是接收导航卫星播发的信号并利用本机产生的随机编码取得距离测量和导航电文 根据导航电文提供的卫星位置 和钟差修正信息 计算显示接收机的位置 这就是定位 卫星发射的信号包括P码和C A码 P码为精密导航定位 为保密码 专供美国军方和特许用户使用 属精密定位业务 又记作PPS业务 C A码供一般用户使用 称作标准定位业务 又记作SPS业务 2 1 3GPS定位原理 GPS接收机接收的卫星导航电文中有卫星的空间坐标位置 两两卫星间的距离 接收机通过卫星播发的信号传输时间可以计算出接收机与各个卫星间的距离 这样已知条件具备 即可计算出接收机位置坐标 以所处地理位置经 纬度显示 2 1 4美国政府GPS工作卫星的SA政策 由于GPS全球定位系统是美国国防部研制开发为美国陆 海 空三军使用的导航系统 该系统具有可以覆盖全球的多维连续定位能力 可以极大地提高军队的作战能力 出于国家安全角度考虑 最关键的是信号精度 P码 精码 目前可以提供10m的实时定位精度 C A码 粗码 可以提供几十米 的实时定位精度 1983年前C A码水平定位精度设在500m 1983年6月宣布改为100m 一旦美国军队遇到敌方使用的GPS辅助武器或战术带来明显威胁 美国可以提高引入的误差 此时公开使用的GPS系统定位误差可能大大超过和平时期标准定位业务的水平 这就是美国政府GPS工作卫星的SA政策 即 选择可用性 政策 SelectiveAvailability 2 1 5差分GPS DGPS DifferentialGPS 采用差分GPS几乎可以完全消除 选择可用性 带来的误差 此外差分技术不需要双频却能精确地作电离层补偿 从而使定位精度超过单独使用精密定位业务所得到的精度 之所以能获得这种效果 是因为 选择可用性 和电离层带来的误差都是缓慢变化的偏差 利用误差在时间上和空间上的相关性就可以将它们校正掉 目前GPS接收机多数具有差分系统 除了接收卫星信号外 它还接收地面基准站的信号 通过差分计算处理 获得高的定位精度 美国政府允许这种差分工作的存在 因为局部区域的差分不会得造成对美国安全的威胁 再者美国军方认为在必要时 它有能力摧毁差分系统的通讯能力 2 2 6导航飞防 农业GPS应用实例 利用飞机喷洒农药 一般飞行高度为7 30m 航线间隔50m 药效覆盖宽度正负40m 常用 运五 飞机 飞行速度为200Km h 对于10Km航线 飞机只需5min左右 加上飞机转弯 飞一条航线约需7 8min 用人工地标 地面工作人员需用50人 采用GPS导航定位系统 可大大节约地面工作人员的需求量 节约成本 保证作业质量 2 2地理信息系统GIS 1998年 前美国副总统戈尔曾提出美国大型科研计划 建立数字化地球 这表明美国的科研基础已经具备完成这一计划的能力 所谓数字化地球 就是将地球表面 地表上方空间 地表以下的地理信息以数字的形式存贮于计算机系统之中 以便今后决策和任务执行中随时调用 地理信息是指表征地理诸要素的数量 质 量分布特性 相互联系及其变化规律的数字 文字 图像与图形特征的总称 其信息属于空间信息 具有区域性 多维结构牲 例如 在一个地面点上 可取高度 土壤肥力 作物产量 噪声 污染 交通 通讯 电力线 输油输气管网等多种信息 地理信息有明显的时序特征 即动态变化特征 2 2 1地理登信息系统的分类 地理信息系统按其内容可分为 2 2 1 1专题地理地理信息系统 如水资源管理信息系统 矿产资源信息系统 农业估产信息系统 交通管理信息系统 环境管理信息系统 城市地下管网管理信息系统等 2 2 1 2区域地理信息系统 如加拿大国家信息系统 中国京津唐区域开发信息系统等 2 2 1 3地理信息系统工具 软件平台 它是一种具有图形 图像数字化 存贮管理 查询检索 分析处理和输出功能的软件包 2 2 2地理信息系统的组成 2 2 2 1计算机硬件系统 1 包括计算机主机 提供存贮空间 对数据进行编辑处理 2 数字化仪可将地图或遥感图像数字化后输入计算机 3 绘图仪 和其它设备 用来表示数据处理结果 4 磁带 盘 机 用于存贮大型数据库和程序 5 显示器 用户通过显示器和终端控制计算机和外围设备 2 2 2 2计算机软件系统 计算机软件系统包括计算机通用程序 地理信息系统软件包 平台 和应用分析软件三部分组成 1 计算机通用程序是计算机厂家提供的使用计算机的程序系统 包括操作系统 汇编程序 论断程序以用各种维护使用手册 2 地理信息系统软件包 平台 一般包括五类基本模块 即数据的输入和校验 数据的存贮和管理 数据变换 数据的显示和输出 用户接口等 3 应用分析软件是系统开发人员根据地理信息专题或区域分析模型编制的程序 是系统功能的扩充和延伸 2 2 3地理信息系统GIS软件平台 目前世界上商用的GIS软件已多达400多种 它们大小不一 风格各异 占领着不同应用市场 2 2 3 1国外GIS软件 1 ARC INFO系统 ARC INFO是美国环境系统研究所研制的地理信息系统软件 它是世界上应用最广泛的GIS软件之一 1991年 ARC INFO系统进行了汉化处理 从此大量进入中国市场 ARC INFO系统提供了用于地理数据的自动输入 处理 分析和显示的强大功能 目前已成功地应用于包括自然资源 农业 自动制图 设施管理 城市和区域规划 人口和商业管理 交通运输 石油和天然气 教育 军事等十大类别的一百多个领域 2 澳大利亚的Genasys公司开发的GIS软件GENAMAP 3 美国Mapinfo公司研制开发的GIS软件Mapinfo 2 2 3 2国内GIS平台 1 北京大学与陕西三秦企业集团联合研制的地理信息系统城市之星 Citystar 2 武汉测绘科技大学GIS研究中心研制的地理信息系统软件吉奥之星Geostar 3 中国地质大学计算中心华地图形数据公司开发的地理信息系统软件MAP GIS 2 3遥感系统RSS 2 3 1遥感的基本概念 遥感的基本定义是 从遥远的地方感觉一个物体的客观存在 它是在人类生活领域内广泛存在的现象 从现代的科学定义来说 遥感就是在一定距离之外 不与目标物体直接接触 通过传感器收集被测目标所发射出来的电磁波能量而加以记录 并形成图像 以供有关专业信息的识别 分类和分析的一种科学技术 2 3 2遥感系统的组成 一个完整的遥感系统应当由三部分组成 1 传感器 sensor 2 载体 carrier 3 指挥系统 commandsystem 一个人就是一个天然 完整的遥感系统 眼睛是一对天然的传感器 人的身体即为载体 人的大脑即为指挥系统 传感器 是收集目标物所反射或发射电磁波信息的装置 有照相机 摄像机 多波段光谱扫描仪 MSS 红外光谱仪等 载体 也称平台 planform 它是负载传感器的工具 有支架 车辆 气球 飞机 卫星等 指挥系统 就是指挥和控制传感器与平台并接收信息的指挥部 现代遥感指挥系统一般均为计算机系统 2 3 3透射特性 大气窗口 遥感信息 主要是利用传感器 通过有关大气窗口 在空中来获取地球表面的地物反射和发射的光谱信息 大气窗口就是电磁波在通过大气层的过程中 被吸收和散射的比例较小而透过率很高的波段 也就是电磁波在大气中传输损耗率很小的波段 目前使用七个窗口 远紫外窗口0 15 0 2微米 可见光窗口0 3 1 3微米 近红外窗口 1 4 1 9微米 近红外窗口2 05 3 0微米 中红外窗口3 5 5 5微米 远红外窗口8 14微米 微波窗口 1 5cm 2 3 4遥感图像识别基础 1 地物识别 2 作物种类识别 3 作物长势识别 2 3 5遥感技术的应用 应用领域 农业 林业 水利 地质 矿产等资源的普查 研究 结合GPS和GIS的应用 可大大地提高普查效率和精度 具体应用 土壤普查 类别 肥力 含水量 作物估产 自然灾害的监测等 3 智能化农业机械装备智能化农业机械装备是GPS GIS RSS ES SS DSS6S系统在农业机械装备上的综合应用 3 1DGPS农机的定位与导航 农业机械在田地中作业 不同的作业项目需求的定位分辨力也不相同 变量施肥时30m 变量施用除草剂1m 测产10m 筑埂5cm 喷洒农药重叠10cm 当前DGPS系统可达精度如图所示 3 2作物产量分布图的生成 20世纪90年代后期 国际上先进的各种作物联合收获机 大多数都具有产量分布图自动生成功能 谷物联合收获机 棉花收获机 马铃薯收获机 花生收获机等都装备产量数字化自动生成系统 谷物联合收获机上的产量分布图自动生成系统研究相对较早 技术比较成熟 其测产系统传感器布置及定位系统如图所示 数字化产量分布图是精细农业的重要基础信息 产量分布图综合了田间空间参数变化的信息 诸如土壤类型 土壤湿度 养分含量 及坡度等 故可用以确定田间地段作物均匀生长的条件并可分别确定各田块各自所需的农事操作 在下一次收获时所得新的产量分布图则可显示精细农作的实际效果 谷物联合收获机瞬时单产YG t 的测定 YG t mG t 1 UG t V t W t YG t 瞬时t所测得单产 mG t 瞬时t所测得谷物质量流量 UG t 瞬时t谷物含水量 相对湿度 V t 瞬时t收获机行驶速度 W t 瞬时t割幅宽度 割幅宽度W t 的测量 利用超声波测距传感器 割幅1 5m时 分辨力为1mm 瞬时t谷物质量流量mG t 可用谷物流量计测量 谷物含水量UG t 可用谷物湿度计测得 联合收获机收获作业时 同步测得谷物的瞬时流量 含水量 联合收获机的瞬时速度和割幅 通过计算机数据综合处理 即可计算出田块的瞬时产量 3 3作物处方图的生成及智能型变量控制农业机械 3 3 1精细种植的农业机械体系 每当收获机绘制出产量分布图 就显示了田间各局部单产的差异 下一步工作就是要进行产