《农业信息技术》课件-第二章 农业信息感知与管理

农业信息技术第1页第二章农业信息感知与管理一、农业信息感知二、农业信息采集三、农业信息传输四、农业数据库与管理信息系统2.1农业信息感知在农业生产过程中，人们要实时观测农作物的生理特征、作物结构特征、病虫草害特征，以便适时采取相应的田间管理措施，实现农作物的高产、优质和高效的目标。传统农业时代我们是如何采集信息？现代农业时代我们又是如何采集信息？信息的采集主要借助于传感器，即利用敏感元件接收一种物理信息，按照一定的函数关系将该信息转换成一定的电量输出的器械。土壤水体气象农业生产中感知的信息生理信息环境信息植物动物病虫害血压、脉搏、心音、血液、体温、呼吸、脑磁MEG、心磁MEG表观信息作物生长发育状况内在信息植物茎流叶绿素含量水分（湿度）、电导率、氮磷钾含量、pH值、温度溶解氧、pH、水温、电导率、浊度、氨氮含量空气温度、湿度、光照度、风速风向、降水量自动拍照并无线发送至检测平台形成病虫害数据库1、农作物的生理特征信息采集3、病虫害信息采集1、土壤信息采集土壤温湿度、电导率、氮磷钾、pH传感器使用方法各种先进农用传感器土壤传感器研究开发机载式农田土壤水分/压实/电导率测量装置便携式电导率测量仪机载式土壤电导率测量装置有线、无线分体式太阳能供电无线传感器2、水体信息采集水溶液浊度传感器水质PH传感器检测仪水质电导率传感器溶解氧分析仪水溶液碘离子传感器硝酸根氯离子氨氮镉离子钾离子铅离子氰离子铜离子溴离子氟离子钠离子余氯传感器以半导体传感器探头作为核心检测元件输入电源、感应探头、信号输出三部分二氧化碳传感器温湿度传感器NB-LoT通信光照度传感器GPRS通信以太网型网线接头3、农业气象信息采集JXBS-3001-FX风向传感器采用高精度磁敏感应芯片，并选用低惯性轻金属风向标响应风动，动态性好、量程大、线性好、抗雷击能力强、观测方便、稳定可靠。风向传感器风速传感器JXBS-3001-FS型风速传感器采用传统三风杯风速传感器结构，风杯选用碳纤维材料，强度高，启动好；杯体内置信号处理单元能根据用户需求输出相应风速信号。雨量传感器雨雪传感器2.2农业信息采集常用信息采集技术采集到的信息要怎么用？传感技术遥感技术条码RFID机器视觉定位技术个体识别感知温度传感器雨量传感器GPS接收器信号处理单片机通信接口计算机GIS系统专家知识库数据库系统采集农业信息采集系统组成传输处理GSM天线以太网网线接头视频：智慧温室中的信息采集信息采集系统应用——设施农业环境控制山东德州：数字技术赋能农业订制家的味道2023-01-28设施园艺，又称设施栽培，是通过人工技术手段，改变自然光照、温度等条件，控制植物的生长环境，使之能够全天候生长的设施工程。主要以生产优质、高产、稳产的蔬菜、花卉、水果等园艺产品为主。主要设施包括各类温室、塑料大棚、植物工厂和人工气候室及与之配套的设备等。视频：蔬菜改变生活-山东寿光：孙明山的智慧大棚生产2022-02-07设施农业环境控制是设施栽培中的重要环节，目的是使种植者控制生产过程，提高单产，在理想的收获时间收获高质量的农产品而不依赖于外界天气条件，同时，节省人力、物力，并能有效减少农药化肥的使用量，减轻环境压力。设施环境控制湿度环境控制光环境控制气体环境控制土壤环境控制温度环境控制保温措施空气湿度除湿增湿土壤湿度（灌溉）喷灌滴灌漫灌加温措施降温措施光照度遮光人工补光光照长度光质通风调节CO2施肥适宜的肥料合理灌溉轮作土壤消毒无土栽培实地观察八桂田园展示温室中，观察农业信息采集系统的设施，识别各种信息采集器，并观察其分布。作业要求：每个同学各自拍照记录，查找到土壤信息采集器、二氧化碳浓度采集器、温度信息采集器、光照信息采集器等，将照片做成一个拼图，并在上面标注名称，学习委员收齐上交。2.3农业信息传输农业信息传输技术近距离远距离WSN：无线传感器网络移动通信技术光纤通信技术第25页无线传感器网络概念：

无线传感器网络（wirelesssensornetwork,WSN）

是一种分布式传感网络，由部署在检测区域内大量的

具有通信、感测、计算能力的传感器节点组成，

以无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。无线传感器网络基本结构示意图负责采集环境信息并传输给基站节点/汇聚节点负责接收和处理传感器节点传输的数据第27页传感器节点通过各种网络拓扑形态连接自组织技术网关节点基于分簇的无线传感器网络结构基站/汇聚节点（sink）：接收各簇头节点传输来的数据用户、数据中心：得到采集的数据信息簇/感知现场传感器节点/簇成员：信息采集终端簇头节点/簇首：接收一个簇内无线传感器节点的数据网关基站通过网关接入互联网、局域网等通信网络主要负责监测待测区域内信息的采集和数据转换主要负责控制节点的具体操作，存储和处理节点采集的数据以及其他节点发来的数据主要负责与其他节点进行无线通信、交换控制信息以及接收和发送节点采集到的数据负责为无线传感器节点提供运行所需的能量传感器节点基本结构常用的无线通信技术原理：利用无线电波进行通讯，其通信的范围取决于通信电台的发射功率、接收机的灵敏度和使用的频率第31页6种无线通信技术参数对比Low-PowerWide-AreaNetwork第32页总结：无线传感器网络通信结构示意图各类传感器节点和路由节点通过各种网络拓扑形态连接将感知的数据传送至汇聚节点最后通过通信网络传输到管理节点即管理监控中心用户可以通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布检测任务、收集检测数据和控制现场设备第34页移动通信技术第35页1G2G3G4G5G1980s1990s2000s2010s2020s第36页2G（GSM，GlobalSystemforMobileCommunications，全球移动通信系统），是第二代移动电话系统。能够上网的3G（UMTS，UniversalMobileTelecommunicationsSystem，通用移动通信系统）以CDMA技术为基础，CDMA是码分多址的缩写，是一种扩频多址数字式通信技术，极大提高带宽使用率。满足移动互联网用户需求的4G（LTE，LongTermEvolution，长程演进），是3G的长期演进。4G系统能够以100Mbps的速度下载，能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。5G是新一代蜂窝移动通信技术，峰值理论传输速度可达20Gbps，比4G网络的传输速度快10倍以上。具有高速率、低时延和大连接特点1G是第一代移动通信技术，也称为模拟蜂窝电话标准，制定于上世纪80年代，关键点是无线和蜂窝。1993年，深圳街头使用大哥大移动电话的商人。光纤通信技术光纤通信是以光波为载波，以光导纤维为传输媒介的一种有线通信方式。与铜缆相比的优点：

高速率、

通信容量大、

不受电磁干扰、衰减小

中继距离长、

光纤重量轻、体积小无线传感器与光纤通信网络光纤通信第39页Low-PowerWide-AreaNetwork2.4农业数据库与管理信息系统2.4.1数据库技术2.4.2农业数据库2.4.3管理信息系统虚拟仿真实验实验空间智能花卉种植第42页/details/page?id=7014&isView=true第44页第45页设施农业环境控制山东德州：数字技术赋能农业订制家的味道2023-01-28设施园艺，又称设施栽培，是通过人工技术手段，改变自然光照、温度等条件，控制植物的生长环境，使之能够全天候生长的设施工程。主要以生产优质、高产、稳产的蔬菜、花卉、水果等园艺产品为主。主要设施包括各类温室、塑料大棚、植物工厂和人工气候室及与之配套的设备等。第46页视频：蔬菜改变生活-山东寿光：孙明山的智慧大棚生产2022-02-07设施农业环境控制是设施栽培中的重要环节，目的是使种植者控制生产过程，提高单产，在理想的收获时间收获高质量的农产品而不依赖于外界天气条件，同时，节省人力、物力，并能有效减少农药化肥的使用量，减轻环境压力。第47页设施环境控制湿度环境控制光环境控制气体环境控制土壤环境控制温度环境控制保温措施空气湿度除湿增湿土壤湿度（灌溉）喷灌滴灌漫灌加温措施降温措施光照度遮光人工补光光照长度光质通风调节CO2施肥适宜的肥料合理灌溉轮作土壤消毒无土栽培第48页水肥一体化技术第49页什么是水肥一体化？第50页水肥一体化技术：利用管道灌溉系统，将肥料溶解在水中，同时进行灌溉与施肥，适时、适量地满足农作物对水分和养分的需求，实现水肥同步管理和高效利用的节水农业技术。水肥一体化的其它叫法灌溉施肥加肥灌溉水肥耦合管道施肥随水施肥肥水灌溉以喂养婴儿的方式喂养作物，“水分养分同时供应，少量多餐，营养平衡”。第51页植物营养学理论基础：根系在吸收水分的同时吸收养分根系是怎么吸收养分的？扩散——由于植物根系对养分离子的吸收，导致根表离子浓度下降，从而形成土体-根表之间的浓度差，使离子从浓度高的土体向浓度低的根表迁移的过程。质流——土壤中养分通过植物的蒸腾作用而随土壤溶液流向根部到达根际的过程。是土壤养分向植物根部迁移的一种方式。质流和扩散需要水作媒介，没有水这两个过程不能完成，所以根系吸收不到养分通俗讲，就是肥料必须要溶解于水，根系才能吸收，不溶解的肥料是无效的第52页这些肥料在没有溶解的情况下都不能被作物吸收灌溉和施肥同时进行，施入土壤的肥料被充分吸收，肥料利用率大幅度提高。第53页我国的淡水资源人均占有量仅为世界平均水平的1/47%的耕地使用了超过全世界35%的肥料肥料高耗低效，浪费严重！中国耕地面积约占世界耕地的7%不合理的施肥带来了一系列的环境问题中国生产出的粮食和农产品占世界约1/4的农产品中国的人口约占世界人口的1/5中国化肥年用量5600万吨（折纯），居世界首位化肥利用率30%左右，低于发达国家20个百分点以上1/47%1/41/535%5600万30%资源短缺——缺水、缺地第54页因此，寻求最佳的水肥管理措施，提高水肥资源利用率，对于促进作物的生长、提高资源利用率意义重大。水肥一体化技术是实现这一目标的有力措施第55页水肥一体化设施设备通过综合分析当地土壤、地貌、气象、农作物布局、水源保障等因素，系统规划、设计和建设水肥一体化灌溉设备。传统水肥一体化技术：将可溶肥料溶解到水里，棍棒或机械搅拌，通过田间放水灌溉或田间管道，更进一步的还通过滴灌或微喷灌等装置均匀的进入田间土壤中，被作物吸收利用的技术。水肥一体化设备的发展方向：通过物联网+水肥综合管理系统，实时自动采集作物生产区环境参数和作物生育信息参数，并通过指标决策或模型决策控制系统进行智能灌溉施肥，通过对土壤水肥的精确控制实现水肥一体精准变量施入，大大提高灌水和肥料的利用效率。第56页文丘里施肥器泵吸施肥法伯努利原理第57页按照农作物目标产量、需肥规律、土壤养分含量和灌溉特点制定施肥制度。一般按目标产量和单位产量养分吸收量，计算农作物所需氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）等养分吸收量；根据土壤养分、有机肥养分供应和在水肥一体化技术下肥料利用率计算总施肥量；根据作物不同生育期需肥规律，确定施肥次数、施肥时间和每次施肥量。养分管理第58页首部系统第59页第60页蓄水池第61页筛网过滤器叠片式过滤器反冲洗第62页用于会出现水流压力或流量变化幅度较大的位置。水泵抽取后的出水口位置、止回阀的前后位置、主管干管的控制阀门前；各类流量表、计量表之前；整个灌溉系统首部过滤器的进出口位置；滴灌系统的每个轮灌单元的控制阀进口处等。进排气阀缓解因水压的急剧变化产生的冲击力对灌溉系统设备的破坏；防止管道出现气阻第63页田间电磁阀及自动控制设备第64页田间管网第65页灌水器1、滴头2、滴灌带3、微喷头第66页第67页作业要求：水肥一体化设施各个部分的图片，并在上面标注名称。在word文档中插入图片，将文档发送给教师机。第68页第二章农业3S技术一、遥感技术在农业中的应用二、地理信息系统在农业中的应用三、全球定位系统在农业中的应用四、3S技术集成第69页一、GPS的基本概念第70页中国在定位和导航上的技术怎么样？全球定位系统是做什么用的？定位和导航第71页距今约5300年的仰韶文化中晚期巨型聚落遗址“河洛古国”，被认为是华夏文明的源起，发现了用九个陶罐模拟的北斗九星天文遗迹5000年前黄帝治，景星见于北斗也斗柄南指天下皆冬斗柄北指天下皆夏斗柄东指天下皆春斗柄西指天下皆秋第72页3000年前（西周）以土圭之法，测土深，正日影，以求地中2400年前（战国）故郑人之取玉也，必载司南之车，为其不惑也900年前（宋）舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针第73页20世纪无线电导航进入中国1994年美国GPS系统全面建成第74页2000年10月31日中国第一颗北斗导航试验卫星成功发射2018年底北斗三号系统基本建成，覆盖含“一带一路”沿线国家的全球区域2020年6月23日第55颗北斗导航卫星成功发射，北斗三号全球系统星座部署圆满完成第75页全球卫星定位系统GPSGPS是缩写词NAVSTAR/GPS的简称，其含义是导航卫星测时和测距/全球定位系统，是具有海陆空进行全方位、实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统。20世纪70年代初，美国军方不计成本地研制GPS，并于90年代初完成投入运行。在1991年的海湾战争和侵略伊拉克时，GPS精密制导武器发挥了巨大的作用，让世人为之震叹！第76页美国曾经多次在印巴冲突中关闭GPS信号1999年，印巴卡吉尔战争期间，美国就直接关闭了印巴战区的所有GPS服务，导致印度的武器瞬间“失明”，损失惨重。2019年3月，为了避免印巴两国爆发第四次战斗，美国军方决定以切断卡吉尔地区GPS信号的方式，让印巴两国停止当前的军事行为。当时，印巴两国当前使用的导航系统均为美国的GPS。但在美军将GPS信号切断之后，巴基斯坦的枭龙战斗机却并没有出现任何异常，依旧在照常进行飞行。原来在美方屏蔽GPS信号后，巴基斯坦军方飞行员立刻切断了战机的信号，将枭龙战斗机使用的GPS信号换成了北斗信号，更换北斗的枭龙航电恢复正常。第77页银河号事件银河号事件是指发生在1993年7月的一系列事件，被视作“新中国三大屈辱事件之一”。当时，美国以获得情报为由，指控中国“银河号”货轮向伊朗运输制造化学武器的原料，并威胁要对中国进行制裁。同时，美国向“银河号”所在的国际公海，派出了两艘军舰和五架直升飞机。此事件从1993年7月23日开始，银河号被扣留长达三周之久，9月4日，“银河号”货轮上最后一个货箱被检查完毕，没有发现任何化学武器。由于这次无端的指控和干扰，银河号被迫中止正常航运长达33天。第78页美国GPS欧盟伽利略中国北斗俄罗斯GLONASS四大卫星导航系统第79页北斗卫星导航系统-三步走2颗地球静止轨道卫星社会争论：中国为什么要在各种领域国产化？视频：北斗计划三步走攻克“卡脖子”技术第80页二、卫星定位的原理第81页组成位置功能全球定位系统GPS卫星空间提供与定位相关的参数和时间信息地面监控系统地面监测和控制卫星上各种设备是否正常工作，以及卫星是否沿预定轨道运行GPS信号接收机用户显示接收机的经纬度、高度、运动方向和速度等信息，经数据处理，完成导航和定位工作GPS系统组成第82页（一）导航卫星

GPS卫星分布美国GPS系统定位卫星包括24颗地球卫星和3颗备用卫星。工作卫星均匀分布在6个近似圆形轨道面上，每个轨道面上都有4颗卫星。这样的定位卫星分布，使得在地球上任一位置的近地旷野的GPS接收机在昼夜任何时间、任何气象条件下最少能接受到4颗以上卫星的信号，通过测量每一卫星发出的信号到达接收机的传输时间推算距离，即可计算出接收机所在的地理空间位置。第83页GPS卫星构造示意图每颗卫星重774㎏，主体呈柱形，直径约1.5m，星体两侧装有2块双叶对日定向太阳电池帆板，由太阳能电池向卫星提供能源卫星的电子系统包含导航电文存储器、高稳定度原子钟和L波段双频发射机等。原子钟是卫星的“心脏”，导航系统依靠它来掌握时间的精度，天地间时间越同步、误差越小，定位精度越高。北斗三号所配备的铷原子钟，其稳定度达到E－14量级，“相当于300万年只有1秒误差”。——北斗卫星导航系统总设计师杨长风第84页（二）地面站组

GPS地面站组的分布区域地面控制部分由分布在全球的5个地面站(包括5个监控站、1个主控站和3个注入站，主控站和注入站都位于监控站里)组成第85页（三）用户接收机用户接收机的主要功能是接收卫星的信号，并利用本机产生的伪随机编码取得距离观测量和导航电文，根据导航电文提供的卫星位置和钟差改正信息，计算接收机的位置，实现定位和导航。GPS接收机显示的信息图