精細農(nóng)業(yè)發(fā)展

1、 精細農(nóng)業(yè)是從20世紀90年代發(fā)展起來的基于信息和知識的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理與經(jīng)營理念，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)支持。精細農(nóng)業(yè)技術(shù)體系是農(nóng)學(xué)、農(nóng)業(yè)工程、電子與信息科技等多種學(xué)科知識的集成，其應(yīng)用研究與發(fā)展涉及到直接面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者應(yīng)用服務(wù)的電子信息高新技術(shù)，農(nóng)田信息快速采集與可視化表達技術(shù)，農(nóng)田耕作、土肥管理、農(nóng)藥利用、污染控制等適用技術(shù)和農(nóng)業(yè)工程裝備及其產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。1精細農(nóng)業(yè)概述 精細農(nóng)業(yè)即國際上已趨于共識的“Precision Agriculture”或“Precision Farming”學(xué)術(shù)名詞的中譯。這一技術(shù)體系的早期研究與實踐始于80年代初期， 當(dāng)時發(fā)達國家從事作物栽培、土壤肥力、作物病蟲

2、草害防治的農(nóng)學(xué)家在進行作物生長模擬模型、栽培管理、測土配方施肥與植保專家系統(tǒng)應(yīng)用研究與實踐中，進一步揭示出農(nóng)田內(nèi)小區(qū)作物產(chǎn)量和生長環(huán)境條件的明顯時空差異性，從而提出對作物栽培管理實施定位、按需變量投入，或稱“處方農(nóng)作”（site-specific crop management） 另一方面，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展在很大程度上依賴于生物遺傳育種技術(shù)，以及化肥、農(nóng)藥、礦物能源、機械動力等投入的大量增加而實現(xiàn)。由于化學(xué)物質(zhì)的過量投入引起生態(tài)環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降，高能耗的管理方式導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益低下，資源日顯短缺，在農(nóng)產(chǎn)品國際市場競爭日趨激烈的時代，這種管理模式顯然不能適應(yīng)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的需要。這種農(nóng)業(yè)資源與環(huán)

3、境的壓力促使科學(xué)家和農(nóng)民努力尋求一種在繼續(xù)維持并提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的同時，又能有效利用有限資源、保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的新的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，并進行了多種探索，提出了多種解決途徑，如自然農(nóng)業(yè)、有機農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)，等等，最終催生了精細農(nóng)業(yè)這一基于信息和知識的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理與經(jīng)營理念或技術(shù)。精細農(nóng)業(yè)已成為合理利用農(nóng)業(yè)資源、提高農(nóng)業(yè)作物產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本、改善生態(tài)環(huán)境的一種重要的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式。 精細農(nóng)業(yè)技術(shù)思想的核心是基于時空變異的農(nóng)業(yè)管理與投入，即：在獲取農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和影響作物生長的環(huán)境因素(如土壤結(jié)構(gòu)、地形、植物營養(yǎng)、含水量、病蟲草害等)實際存在的空間和時間差異性信息的基礎(chǔ)上，分析影響小區(qū)產(chǎn)量差

4、異的原因，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟上有效的調(diào)控措施，區(qū)別對待，按需實施定位調(diào)控。因此精細農(nóng)業(yè)技術(shù)體系就包括了信息獲取與數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與可視化表達、農(nóng)作業(yè)決策分析與制定和精細農(nóng)田作業(yè)的控制實施等主要組成部分(1)數(shù)據(jù)采集 “精細農(nóng)業(yè)”技術(shù)是通過產(chǎn)量測量、作物監(jiān)測以及土壤采樣等方法來獲取數(shù)據(jù)，以便了解整個田塊的作物生長環(huán)境的空間變異特性。產(chǎn)量數(shù)據(jù)采集。在農(nóng)作物收獲的同時，實施記錄每一小區(qū)的產(chǎn)量，記錄數(shù)據(jù)還應(yīng)包括位置信息以及必要的農(nóng)產(chǎn)品特性信息(例如谷物含水量)；土壤數(shù)據(jù)采集。土壤信息一般包括土壤含水量、土壤肥力、SOM、pH、土壤壓實、耕作層深度等。土壤采樣以及采集土壤特性數(shù)據(jù)時，也需要記錄位置信

5、息；苗情、病蟲草害數(shù)據(jù)采集。記錄作物長勢或病蟲草害的分布情況；其它數(shù)據(jù)采集，例如地形邊緣測量，農(nóng)田近年來的輪作情況、平均產(chǎn)量、耕作和施肥情況，作物品種、化肥、農(nóng)藥、氣候條件等有關(guān)數(shù)據(jù)。 (2)數(shù)據(jù)分析 采集的數(shù)據(jù)一般都是以文本表形式表示，需要利用一些數(shù)學(xué)方法進行處理，生成分布圖。產(chǎn)量數(shù)據(jù)分布圖。由于產(chǎn)量數(shù)據(jù)是通過連續(xù)采樣獲得的，一般需要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，以消除采樣測試誤差。土壤數(shù)據(jù)分布圖。由于土壤采樣是非連續(xù)的采集，需要估計采樣點之間的數(shù)據(jù)，這種估計過程稱為插值。苗情、病蟲害分布圖。由于該數(shù)據(jù)采樣即不象產(chǎn)量測量連續(xù)采樣，也不象土壤采樣以柵格采集土樣，而是在行走中，人為定點，記錄數(shù)據(jù)。(3)決策

6、分析 精細農(nóng)業(yè)技術(shù)是根據(jù)田間采集到的不均衡空間分布數(shù)據(jù)及有關(guān)作物其它信息，經(jīng)過決策分析，來控制投入方式和施用量。決策分析是精細農(nóng)業(yè)的核心，直接影響精細農(nóng)業(yè)技術(shù)的實踐效果。GIS被用于描述農(nóng)田空間上的差異性，而作物生長模擬技術(shù)則被用來描述某一位置上特定生長環(huán)境下的生長狀態(tài)。只有將GIS與模擬技術(shù)緊密地結(jié)合在一起，才能制定出切實可行的決策方案。二者結(jié)合可按以下三種方式操作：一是GIS和模擬模型單獨運行，通過數(shù)據(jù)文件進行通訊。二是建立一個通用接口，實現(xiàn)文件、數(shù)據(jù)的共享和傳輸。三是將模擬模型作為GIS的一個分析功能。GIS作為存儲、分析、處理、表達地理空間信息的計算機軟件平臺，其空間決策分析一般包括網(wǎng)

7、絡(luò)分析、疊加分析、緩沖區(qū)分析等。作物生長模擬技術(shù)是利用計算機程序模擬在自然環(huán)境條件下作物生長過程。作物生長環(huán)境除了不可控制的氣候因素外，還有土壤肥力、墑情等可控因素。GIS提供田間任一小區(qū)、不同生長時期的時空數(shù)據(jù)，利用作物生長模擬模型，在決策者的參與下，提供科學(xué)的管理方法，形成田間管理處方圖，指導(dǎo)田間作業(yè)。(4)控制實施 精細農(nóng)業(yè)技術(shù)的目的是科學(xué)管理田間小區(qū)，降低投入，提高生產(chǎn)效率。支持精細農(nóng)業(yè)技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械設(shè)備包括精細收獲機械，精細播種機械，精細施肥機械、精細除草機械以及精細灌溉機械等。現(xiàn)代農(nóng)學(xué)技術(shù)與電子信息技術(shù)的發(fā)展，為定量獲取這些影響作物生長因素及最終收成的空間差異性信息，實施基于知識和

8、現(xiàn)代科技的分布式調(diào)控，達到田區(qū)內(nèi)資源潛力的均衡利用和獲取盡可能高的經(jīng)濟產(chǎn)量成為可能。圖1是精細農(nóng)業(yè)技術(shù)思想的示意圖。其實施過程可描述為：帶定位系統(tǒng)和產(chǎn)量傳感器的聯(lián)合收獲機每秒自動采集田間定位及對應(yīng)小區(qū)平均產(chǎn)量數(shù)據(jù)通過計算機處理，生成作物產(chǎn)量分布圖根據(jù)田間地形、地貌、土壤肥力、墑情等參數(shù)的空間數(shù)據(jù)分布圖，作物生長發(fā)育模擬模型，投入、產(chǎn)出模擬模型，作物管理專家知識庫等建立作物管理輔助決策支持系統(tǒng)，并在決策者的參與下生成作物管理處方圖根據(jù)處方圖采用不同方法與手段或相應(yīng)的處方農(nóng)業(yè)機械按小區(qū)實施目標投入和精細農(nóng)業(yè)管理。上述精細農(nóng)業(yè)技術(shù)體系在許多發(fā)達國家的試驗和應(yīng)用表明，可以顯著節(jié)約投入，獲得良好的經(jīng)濟效

9、益，受到農(nóng)戶的歡迎。 “精細農(nóng)業(yè)”是基于田間小區(qū)農(nóng)作條件的空間差異性，以實現(xiàn)優(yōu)化作物生產(chǎn)系統(tǒng)目標的。但工程支持技術(shù)的開發(fā)研究，對實現(xiàn)這一技術(shù)思想起著關(guān)鍵的作用。如：農(nóng)田信息采集與處方農(nóng)作的空間定位，需依靠衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS);地理空間信息管理和數(shù)據(jù)處理，需要應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(GIS);未來大量地理空間數(shù)據(jù)的更新，需要遙感技術(shù)(RS)的支持;作物產(chǎn)量計量與小區(qū)產(chǎn)量圖的生成需要能按秒記錄收獲機累計產(chǎn)量和對應(yīng)地理坐標位置的智能型收獲機械，以及計算機數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)量圖自動生成技術(shù);田區(qū)空間變量信息的快速實時采集，需要研究基于新原理的傳感技術(shù)與信號處理技術(shù);按小區(qū)實施自動處方農(nóng)作、調(diào)控目標投入需要變量處

10、方農(nóng)業(yè)機械;制定科學(xué)的農(nóng)作處方需要計算機作物管理輔助決策支持系統(tǒng)的支持;作為一個能協(xié)調(diào)運作的智能化系統(tǒng)需要有高效的信息集成以及有關(guān)信息傳輸、標準化技術(shù)的研究等等。迄今“精細農(nóng)業(yè)”在發(fā)達國家也不過十幾年的應(yīng)用試驗歷史，部分支持技術(shù)手段還不十分成熟，有待不斷研究完善，相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究還比較薄弱?！熬氜r(nóng)業(yè)”應(yīng)用實踐可根據(jù)不同國家、不同地區(qū)的社會、經(jīng)濟條件，圍繞提高生產(chǎn)、節(jié)本增效、保護環(huán)境的目標，采用不同的技術(shù)組裝方式，逐步提高作物生產(chǎn)管理的科學(xué)化與精細化水平。其中，獲取農(nóng)田小區(qū)產(chǎn)量空間分布的差異性信息是實踐精細農(nóng)作的基礎(chǔ)。有了小區(qū)產(chǎn)量分布圖，農(nóng)戶既可以根據(jù)自己的經(jīng)驗知識，分析小區(qū)產(chǎn)量差異的原因，

11、選擇經(jīng)濟適用的對策，在現(xiàn)實可行條件下采取適當(dāng)措施實施調(diào)控;也可以根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟發(fā)展的條件，利用先進的科技手段或智能化變量處方農(nóng)業(yè)機械實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動調(diào)控。建立一個完整的精細農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，需要有多種技術(shù)知識和先進技術(shù)裝備的集成支持。 圖1精細農(nóng)業(yè)技術(shù)思想示意圖2精細農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù) (1)全球衛(wèi)星定位技術(shù)（GPS） 在精細農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、決策分析、控制實施等4個主要技術(shù)組成中，都離不開精確定位。精細農(nóng)業(yè)廣泛采用了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)用于信息獲取和實時準確定位。衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展，因其可提供全天候、實時、高精度三維位置、速度以及精密的時間信息，20世紀90年代以來，已被廣泛應(yīng)用于陸地、海洋、空間

12、和航天領(lǐng)域內(nèi)各類軍用和民用目標的定位、導(dǎo)航與精密測量，并已初步形成一個新興的高科技產(chǎn)業(yè)。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)可以在精細農(nóng)業(yè)的各個環(huán)節(jié)發(fā)揮作用，包括精細播種、精細施肥、精細噴藥、精細灌溉、精細收割等等。 (2)地理信息系統(tǒng)（GIS） 地理信息系統(tǒng)（GIS: Geographical Information System）是構(gòu)成農(nóng)作物精細管理空間信息數(shù)據(jù)庫的有力工具，田間信息通過GIS系統(tǒng)予以表達和處理，是實施精細農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵之一。地理信息系統(tǒng)與其它信息系統(tǒng)的主要區(qū)別在于其存儲和處理的信息是經(jīng)過地理編碼的，地理位置及與該位置有關(guān)的地物屬性信息成為信息檢索的重要部分。在地理信息系統(tǒng)中，現(xiàn)實世界被表達成一系列的

13、地理要素和地理現(xiàn)象，這些地理特征至少有空間位置參考信息和非位置信息兩個組成部分。 一個完整的GIS主要由5個部分構(gòu)成，即硬件、軟件、數(shù)據(jù)、人員和方法。硬件和軟件為地理信息系統(tǒng)建設(shè)提供環(huán)境；數(shù)據(jù)是GIS的重要內(nèi)容；方法為GIS建設(shè)提供解決方案；人員是系統(tǒng)建設(shè)中的關(guān)鍵和能動性因素，直接影響和協(xié)調(diào)其它幾個組成部分。(3)農(nóng)田信息采集與處理技術(shù) 農(nóng)田信息包括過去積累的信息和作物生產(chǎn)過程中實時收集的信息，如何合理利用這些信息必須首先從獲得信息的方法入手，盡量以低成本的方法獲得多方面的生產(chǎn)信息，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更多的決策依據(jù)。這些信息包括：產(chǎn)量數(shù)據(jù)采集，土壤數(shù)據(jù)采集（土壤含水量、土壤肥力、SOM、pH、土壤

14、壓實、耕作層深度），苗情、病蟲草害數(shù)據(jù)，以及其它數(shù)據(jù)（例如地形邊緣測量,農(nóng)田近年來的輪作情況、平均產(chǎn)量、耕作和施肥情況,作物品種、化肥、農(nóng)藥、氣候條件等）。 (4)變量作業(yè)控制技術(shù) 精細農(nóng)業(yè)是基于時空變異的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)營、管理技術(shù)，因此變量作業(yè)控制技術(shù)（VRT：Variable Rate Treatment）是精細農(nóng)業(yè)的核心，變量作業(yè)機械是實現(xiàn)這一核心必不可少的關(guān)鍵手段。 變量作業(yè)控制技術(shù)包括基于作業(yè)處方圖（Map-based）的VRT 和基于傳感器（Sensor-based）的VRT。依據(jù)作業(yè)處方圖的變量作業(yè)技術(shù)為得到作業(yè)處方圖，首先必須全面獲取作物產(chǎn)量、土壤參數(shù)等的時空變異信息，接著還要根據(jù)

15、植物生長模型以及氣象等環(huán)境條件，預(yù)測作業(yè)的發(fā)芽率、長勢以及養(yǎng)分需求，然后綜合上兩步的分析結(jié)果，再利用地理信息系統(tǒng)（GIS）和決策支持系統(tǒng)（DDS），就可最終得到所期望的作業(yè)處方圖。由于這張?zhí)幏綀D是建立在試驗分析基礎(chǔ)上的，因此它與實際的農(nóng)田需要（例如施肥需求量）總是存在一定差異。因此，人們期望如果在條件允許的情況下，應(yīng)用現(xiàn)代傳感技術(shù)適時監(jiān)測作物（或土壤）的需肥量，然后適時控制機器進行變量作業(yè)，從而實現(xiàn)更精細的因時、因地、按需施肥，但這后一種變量作業(yè)技術(shù)需要具備能實時監(jiān)測作物需要或土壤成分或病蟲草害分布的技術(shù)與設(shè)備，有時要達到實用程度還有一定的困難。在現(xiàn)代精細農(nóng)業(yè)中,變量技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)作物的播種、施

16、肥、灌溉等環(huán)節(jié)。 精細播種：將精細種子工程與精細播種技術(shù)有機結(jié)合，要求精細播種機播種均勻、精量播種、播深一致。精細播種技術(shù)既可節(jié)約大量優(yōu)質(zhì)種子，又可使作物在田間獲得最佳分布，為作物的生長和發(fā)育創(chuàng)造最佳環(huán)境，從而大大提高作物對營養(yǎng)和太陽能的利用率。 精細施肥：要求能根據(jù)不同地區(qū)、不同土壤類型以及土壤中各種養(yǎng)分的盈虧情況，作物類別和產(chǎn)量水平，將N、P、K和多種可促進作物生長的微量元素與有機肥加以科學(xué)配方，從而做到有目的地施肥，既可減少因過量施肥造成的環(huán)境污染和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降，又可降低成本。要求有科學(xué)合理的施肥方式和具有自動控制的精細施肥機械。 化學(xué)農(nóng)藥精細噴灑：化學(xué)農(nóng)藥精細噴灑是根據(jù)田間雜草的分布

17、情況在雜草分布的地方噴灑農(nóng)藥，在沒有雜草的地方不噴灑農(nóng)藥?；瘜W(xué)農(nóng)藥噴灑時根據(jù)田間雜草分布處方圖，通過計算機程序或者人工半自動方法按照噴灑處方圖實現(xiàn)化學(xué)農(nóng)藥的噴灑。通過上述方法盡量減少化學(xué)農(nóng)藥的使用數(shù)量，減少化學(xué)農(nóng)藥對環(huán)境造成的污染。 精細灌溉：在自動監(jiān)測控制條件下的精細灌溉工程技術(shù)，如噴灌、滴灌、微灌和滲灌等，根據(jù)不同作物不同生育期間土壤墑情和作物需水量，實施實時精量灌溉，可大大節(jié)約水資源，提高水資源有效利用率。 3發(fā)達國家精細農(nóng)業(yè)研究概述 精細農(nóng)業(yè)作為一種基于知識的農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，是知識經(jīng)濟在農(nóng)業(yè)中的最好體現(xiàn)，也是農(nóng)業(yè)創(chuàng)新體系的主要組成部分，對于實現(xiàn)“高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、持續(xù)”的農(nóng)業(yè)發(fā)展將會起到

18、重要作用。作為精細農(nóng)業(yè)的發(fā)源地美國國家研究院1997年已建議將精細農(nóng)業(yè)的研究納入國家發(fā)展戰(zhàn)略，歐洲各國也相繼開展了精細農(nóng)業(yè)的研究與實踐。日本政府還專門啟動了“21世紀農(nóng)業(yè)機械緊急開發(fā)課題計劃”，亞洲的韓國及馬來西亞也相繼開展了這方面的研究。特別是近年來與精細農(nóng)業(yè)有關(guān)的配套產(chǎn)品也相繼開發(fā)銷售，這些農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的高技術(shù)產(chǎn)品展現(xiàn)了很好的市場前景。 在國外最先接受精細農(nóng)業(yè)技術(shù)的多是比較年青的、受過較好教育、經(jīng)營規(guī)模較大、利潤較高的農(nóng)場，這些農(nóng)場首先在有關(guān)生產(chǎn)廠家的幫助下建立起精細農(nóng)業(yè)技術(shù)的示范農(nóng)場。隨著這些技術(shù)的日益完善和在其它區(qū)域獲得大面積的推廣使用。雖然它作為一個新的技術(shù)體系在科技界、產(chǎn)業(yè)界都有了共同

19、的認同，并開展了比較廣泛的研究及產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，但迄今還有許多技術(shù)裝備手段還處于研究和完善階段。，目前發(fā)達國家進行的精細農(nóng)業(yè)實踐，多是使用者通過其相關(guān)部分技術(shù)環(huán)節(jié)的組裝來實施的，目前農(nóng)場主多數(shù)采納的技術(shù)是土壤信息定位采集、土壤肥力定位管理、定位使用化學(xué)農(nóng)藥、收獲機械谷物流量監(jiān)測與作物產(chǎn)量空間分布信息的自動生成。從精細農(nóng)業(yè)最近幾年的發(fā)展趨勢來看，完整技術(shù)體系的組裝與應(yīng)用取決于農(nóng)戶通過采用這項新的技術(shù)后能否獲得更好的經(jīng)濟效益和能否適應(yīng)環(huán)境保護的法律要求。精細農(nóng)業(yè)一個可喜的趨勢是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料銷售商和各國農(nóng)業(yè)推廣服務(wù)部門對精細農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)日益增長的興趣，如化肥和農(nóng)藥供應(yīng)商同時為農(nóng)戶提供土壤空間信息采集

20、、測土配方和機械化定位施肥、農(nóng)田作物病蟲害診斷和選用農(nóng)藥、實施機械化精細定位施藥的綜合服務(wù)；農(nóng)機服務(wù)商為規(guī)模較小的農(nóng)場提供收獲、計量和產(chǎn)量分布信息采集服務(wù)；農(nóng)業(yè)咨詢商根據(jù)農(nóng)戶獲得的田間信息提供農(nóng)田資源的綜合利用與農(nóng)作物病蟲害診斷業(yè)務(wù)，提供處方?jīng)Q策咨詢服務(wù)等。過去大多數(shù)研究涉及的是關(guān)于土壤、作物生長條件與產(chǎn)量分布的空間差異性，雜草和病蟲害空間分布規(guī)律，產(chǎn)量圖的分析方法，產(chǎn)量與土壤和作物管理的相關(guān)關(guān)系，土壤采樣密度設(shè)計和合理確定處方農(nóng)作管理單元，應(yīng)用遙感技術(shù)直接進行土壤參數(shù)和作物苗情的識別等領(lǐng)域。近年來在北美地區(qū)，精細農(nóng)業(yè)應(yīng)用最廣的是玉米、之后是小麥、大豆、甜菜、土豆等作物。近年來一些亞洲國家開始

21、研究應(yīng)用甘蔗、茶葉、水稻等產(chǎn)量信息采集技術(shù)，如日本京都大學(xué)和三菱公司聯(lián)合開展有關(guān)糧食計產(chǎn)系統(tǒng)的研制。為了減少獲得土壤信息的成本，實時土壤參數(shù)傳感與空間分布信息處理技術(shù)成為目前研究的熱點，利用土壤電導(dǎo)率傳感器進行機載實時測量土壤參數(shù)的研究已取得實用的商品化成果。 日本的農(nóng)田經(jīng)營規(guī)模與我國相似，日本的精細農(nóng)業(yè)研究對我國更具借鑒意義。日本是工業(yè)化強國，也是農(nóng)業(yè)機械化強國。日本不僅引進了歐美型的大型農(nóng)業(yè)機械，更根據(jù)日本農(nóng)業(yè)自己的特點，開發(fā)出了獨具特色的產(chǎn)品。日本的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本上全面實現(xiàn)了機械化，日本的食品自給率盡管很低，但是高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，一方面提供了盡可能多的優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品，另一方面，也為國家的工業(yè)化輸

22、送了優(yōu)質(zhì)的勞動力。日本最具代表性的農(nóng)業(yè)機械是半喂入水稻聯(lián)合收割機和水稻插秧機，目前這些農(nóng)業(yè)機械也已經(jīng)在我國大量生產(chǎn)，也成為保證我國糧食生產(chǎn)的重要工具。 但是，從上個世紀80年開始，日本的農(nóng)業(yè)逐漸面臨新的問題。主要有：農(nóng)業(yè)勞動力的缺乏和高齡化，熟練的農(nóng)業(yè)操作人員數(shù)量的減少，以及全國范圍內(nèi)糧食自給率的下降（低于40%，糧食安全問題凸現(xiàn)）。日本的農(nóng)業(yè)機械專家們經(jīng)過研究思考得出結(jié)論，只有進一步提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率，才能解決面臨的困境。進一步提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率的途徑，就是要將信息技術(shù)（IT）應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械，開發(fā)出新的基于現(xiàn)代信息技術(shù)的農(nóng)機產(chǎn)品。這種新一代農(nóng)機產(chǎn)品，也被稱作農(nóng)業(yè)機器人，是精細農(nóng)業(yè)的重要組成部

23、分。 日本政府為了促進新型農(nóng)業(yè)機械的開發(fā)，從1993年開始投入巨資，實施了每5年一期的農(nóng)業(yè)機械緊急開發(fā)項目。在緊急開發(fā)項目中對以農(nóng)業(yè)機器人為代表的新型農(nóng)業(yè)機械和裝備的開發(fā)給予了高度重視。第一期（1993-1997）項目名稱為“農(nóng)業(yè)機械等緊急開發(fā)事業(yè)”，開發(fā)的代表性產(chǎn)品有：蔬菜全自動移栽機、蔬菜栽培管理作業(yè)車、蘿卜收獲機械、大蔥收獲機械等。第二期（1998-2002）項目名稱為“21世紀型農(nóng)業(yè)機械等緊急開發(fā)事業(yè)”，在這一期里鑒于精細農(nóng)業(yè)技術(shù)可以在降低環(huán)境負荷的同時提高生產(chǎn)率，對精細農(nóng)業(yè)相關(guān)裝備的開發(fā)給予了特別重視，開發(fā)了土壤采樣和分析裝備、農(nóng)作物生長信息測定裝備、高精度水田除草機械等精細農(nóng)業(yè)機械

24、，另外還開發(fā)了大蔥產(chǎn)后加工裝備，擠奶機單元自動移動裝備、山區(qū)用半喂入聯(lián)合收割機、山坡地果樹栽培多用途單軌吊車等多項效率高、減輕勞動負擔(dān)的新型農(nóng)業(yè)機械。第三期（2003-2007）項目名稱為“下一代農(nóng)業(yè)機械等緊急開發(fā)事業(yè)”，在這一期項目里為了配合日本的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，開發(fā)了如下的代表性產(chǎn)品：蔬菜嫁接機器人自動供苗裝置、自動跟隨型蔬菜搬運車、通用型飼料收獲機械、自動測產(chǎn)聯(lián)合收割機、?；铙w信息自動監(jiān)測裝備、以及其他促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展和建立循環(huán)型社會的多種農(nóng)業(yè)機械等。第四期（2008-2012）項目名稱為“第四期農(nóng)業(yè)機械等緊急開發(fā)事業(yè)”，目標是通過采用高新技術(shù)，近一步完善農(nóng)業(yè)機械化體系，計劃開發(fā)的機械

25、和裝備有：草莓收獲機器人、加工用甘藍收獲機械、洋蔥產(chǎn)后技工裝備、高機動性果樹栽培高臺作業(yè)車、可變直徑式全混合日糧（TMR）成形密封裝備、高精度甜菜播種機、農(nóng)藥飛散自動控制型果樹防除機械、高精度高速施肥機、高精度旱田中耕除草機等等。 4精細農(nóng)業(yè)在我國的研究進展與示范 (1)農(nóng)田信息采集與處理技術(shù) 我國在農(nóng)田信息采集與處理技術(shù)的研究與開發(fā)方面，結(jié)合我國國情，獲得了一批實用性成果，為精細農(nóng)業(yè)的實施與發(fā)展做出了貢獻。 土壤信息獲取一直是農(nóng)田信息獲取的基礎(chǔ)之一。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)精細農(nóng)業(yè)研究中心與德國波恩大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究所密切協(xié)作，終于在本研究領(lǐng)域取得了重要突破與進展。將基于邊緣場效應(yīng)傳感器與圓錐指數(shù)傳感器相

26、融合，研制出了可以同步實時測量土壤水分與圓錐指數(shù)的復(fù)合傳感器及其配套測量系統(tǒng)，并獲得國家發(fā)明專利。在自行研制的土壤水分與圓錐指數(shù)測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出了通過應(yīng)用霍爾電流傳感器測量直流電機工作電流進而得出土壤圓錐指數(shù)的新方法。研制開發(fā)出車載式橫向土壤水分與圓錐指數(shù)測量系統(tǒng)，并進行了田間初步實驗研究。進行了基于土壤圓錐指數(shù)、水分、容重與深度的模型理論與試驗研究，分析了各種模型的預(yù)測精度及深度等測量因素對模型預(yù)測的影響。土壤肥力是土壤的重要特性，土壤肥力的快速測量一直是農(nóng)業(yè)工作者的追求，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)精細農(nóng)業(yè)研究中心采用近紅外技術(shù)分析土壤肥力指標，取得了可喜進展。已經(jīng)開發(fā)了便攜式儀器，用于檢測

27、土壤有機質(zhì)含量和土壤氮素含量。 隨著近地遙感技術(shù)的進展，基于光譜技術(shù)的作物長勢檢測技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)也取得了突破性進進展，國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)精細農(nóng)業(yè)研究中心都開發(fā)了相應(yīng)產(chǎn)品，已達到實用化程度。圖2是中國農(nóng)業(yè)大學(xué)精細農(nóng)業(yè)研究中心新開發(fā)的基于無線通訊的分體式作物冠層分析儀，用于對作物氮素含量進行實時監(jiān)測。分析儀由傳感器與控制器組成，之間通過無線方式進行數(shù)據(jù)傳輸。傳感器中包含了光學(xué)部分和電路部分，光學(xué)部分包含了4個光學(xué)通道和光電探測器。其中2個通道分別在610nm與1220nm處測量太陽輻射光，而另外2個通道則在同樣的2個波段上測量作物冠層的反射光；電路部分主

28、要由電源、放大單元和無線傳輸模塊組成。控制器內(nèi)除了無線傳輸模塊外，周邊還集成了鍵盤、液晶顯示、數(shù)據(jù)存儲和上傳等功能模塊。標定實驗顯示此分析儀的光學(xué)部分工作穩(wěn)定，無線傳輸性能也非常的好，具有較高的測量精度。 作物產(chǎn)量、土壤電導(dǎo)率都是重要的農(nóng)田信息，在發(fā)達國家里谷物產(chǎn)量實時監(jiān)測系統(tǒng)和土壤電導(dǎo)率測試系統(tǒng)是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最普遍的精細農(nóng)業(yè)技術(shù)產(chǎn)品。我國在引進、消化、吸收的基礎(chǔ)上，由國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心、中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院、上海交通大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位都已經(jīng)開發(fā)成功了谷物產(chǎn)量實時監(jiān)測系統(tǒng)和土壤電導(dǎo)率測試系統(tǒng)。下一步的工作將是推廣和應(yīng)用，切實把獲得的谷物產(chǎn)量信息和土壤電導(dǎo)率信息應(yīng)用于精

29、細農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際。 圖2基于無線通訊的分體式作物冠層分析儀 (2)變量作業(yè)機器開發(fā) 我國在引進消化吸收的基礎(chǔ)上，已經(jīng)開發(fā)了多種類型的變量作業(yè)機械，例如變量施肥、變量噴藥（除草劑）、變量灌溉。其中以變量施肥機最為成熟。 1、拖拉機2、數(shù)據(jù)交換器 3、AgGPS170計算機 4、導(dǎo)向光棒 5、施肥控制開關(guān) 6、施肥控制器 7、GPS衛(wèi)星接受天線 8、無線電接收天線 9、接線盒 10、電源分線盒 11、GPS流動站 12、三點懸掛機構(gòu)13、肥料箱 14、傳動軸鏈輪15、傳動鏈條16、液壓馬達 17、馬達固定架板18、旋耕機側(cè)板 19、旋耕刀片 20、深松鏟 21、變速箱 22、萬向軸 23、回油管 2

30、4、供油管25、電瓶 26、測速雷達 圖3變量旋耕施肥機結(jié)構(gòu)簡圖 根據(jù)施肥地塊的土壤信息確定土壤的施肥處方后，該處方圖以.shp 的文件格式通過ATF 卡輸入到AgGPS170 計算機，拖拉機上固定的GPS 衛(wèi)星信號接收天線和無線電天線分別接收來自天上衛(wèi)星和差分基站的無線電信號。接收到的這些信號經(jīng)過系統(tǒng)處理后，可以為系統(tǒng)提供精確到米級的位置差分信號，系統(tǒng)軟件會根據(jù)獲得的差分信號確定出施肥機械在地塊中所處的地理位置，AgGPS170 計算機會把施肥處方圖內(nèi)該位置處的施肥量信息通過數(shù)。 圖3是國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心開發(fā)的一種適合水田和旱田旋耕作業(yè)的變量旋耕施肥機，該施肥機在GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)

31、的幫助下可以按照預(yù)先設(shè)計的處方圖在旋耕作業(yè)的同時實現(xiàn)變量施肥。該機械采用普通的國產(chǎn)外槽輪排肥器作為變量施肥機的肥料計量裝置，通過調(diào)整外槽輪的轉(zhuǎn)動速度達到調(diào)整肥料量的目的。該機作業(yè)幅寬為2m，配套動力為50 馬力以上中型拖拉機。 控制液壓馬達的轉(zhuǎn)速，達到改變排肥量的目的。排肥開始和停止也可通過駕駛室內(nèi)的施肥控制開關(guān)進行強制控制，拖拉機在田間的行走通過導(dǎo)向光棒上的指示信號進行導(dǎo)向作業(yè)。AgGPS170 田間計算機顯示屏幕上顯示拖拉機在作業(yè)地塊的坐標位置和處方圖上應(yīng)該施肥的數(shù)量和實際機械的施肥量。肥料的計量通過安裝在肥料箱下部的8 個排肥輪排出，排出的肥料通過散肥板分散后，均勻地撒在地表，后部高速旋轉(zhuǎn)的旋耕刀片將肥料攪拌進入土壤內(nèi)部。 (3)智能農(nóng)業(yè)機械開發(fā) 激光控制平地技術(shù)是集光、機、電、液于一體的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械。在國家“863”重大專項的支持下，由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)合作開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的激光控制平地系統(tǒng)。 主要成果包括：激光發(fā)射器控制云臺、激光接收器、激光控制器產(chǎn)品、農(nóng)田三維地形測量系統(tǒng)、激光平地輔助決策系統(tǒng)。已通過教育部科技成果鑒定，申請發(fā)明專利1項、實用新型專利6項，獲得軟件著作權(quán)1項。項目成果在北京、河北、四川、湖南等省市的旱田應(yīng)用并均取得了較好的