田間信息采集與處理技術

精細農(nóng)作”實踐中，需要在較精細的空間尺度上，獲取農(nóng)田作物生產(chǎn)有關的空間分布信息，包括利用不同的傳感技術采集數(shù)據(jù)，采用適當?shù)姆椒▽��?shù)據(jù)進行處理，轉(zhuǎn)變?yōu)橐子诶斫夂屠�用的可視化空間分布圖形信息，這主要靠電子信息硬件與軟件技術的支持。需要獲取和處理的主要信息包括如下幾方面：　

1．農(nóng)田作物產(chǎn)量空間分布信息：

獲取農(nóng)作物小區(qū)產(chǎn)量信息，建立小區(qū)產(chǎn)量空間分布圖，是實施“精細農(nóng)作”的起點，它是作物生長在眾多環(huán)境因素和農(nóng)田生產(chǎn)管理措施綜合影響下的結果，是實現(xiàn)作物生產(chǎn)過程中科學調(diào)控投入和制定管理決策措施的基礎。為此。需要在收獲機械上裝置DGPS衛(wèi)星定位接收機和流量計量傳感器。通用的DGPS接收機，可以每秒給出收獲機在田間作業(yè)時DGPS天線所在地理位置的經(jīng)、緯度坐標動態(tài)數(shù)據(jù)，流量傳感器在設定時間間隔內(nèi)（即機器對應作業(yè)行程間距內(nèi)）自動計量累計產(chǎn)量，再根據(jù)作業(yè)幅寬（估計或測量）換算為對應時間間隔內(nèi)作業(yè)面積的單位面積產(chǎn)量，從而獲得對應小區(qū)的空間地理位置數(shù)據(jù)（經(jīng)、緯度坐標）和小區(qū)產(chǎn)量數(shù)據(jù)。這些原始數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字化后存入智能卡，再轉(zhuǎn)移到計算機上采用專用軟件做進一步處理。實際上，產(chǎn)量空間分布數(shù)據(jù)的處理是一個復雜的過程，但可以通過專用軟件快速完成。例如，GPS接收機指示的天線位置動態(tài)數(shù)據(jù)與割臺收割作物的即時位置，按機器結構不同而有空間上的差異，而流量傳感器通常是安裝在脫粒、分選、清糧過程后的凈糧輸出部件上，要反映作物田間對應位置的產(chǎn)量計量數(shù)據(jù)，需要考慮到收獲機的結構尺寸內(nèi)物流工藝設計，作業(yè)速度等多種因素，通過建立數(shù)學模型來作出估計。由于收獲時谷粒的含水量不同，收獲時還需要同時測量谷粒的含水量，以便在數(shù)據(jù)處理時換算成標準含水量以便對單產(chǎn)水平進行評估。迄今，用于小麥、玉米、水稻、大豆等主要作物的流量傳感器已有通用化產(chǎn)品，其他如棉花、甜菜、馬鈴薯、甘蔗、牧草、水果等作物的產(chǎn)量傳感器近幾年已做了許多研究，有的已在試驗使用。目前應用的谷類作物產(chǎn)量傳感器主要有三種類型：即沖擊式流量傳感器（圖1a），γ射線式流量傳感器（圖1b）和光電式容積流量傳感器（圖1c）。它們分別用于John Deere和 Case、AGCO Massey Ferguson、歐洲一些公司的精細農(nóng)作康拜因產(chǎn)品上。沖擊式流量傳感器計量誤差在3%以內(nèi), 基于γ射線穿過谷粒層引起射線強度衰減測定谷物流量的傳感器,據(jù)報導, 其計量誤差不大于1%。收獲機上應用的谷粒含水量測量，均按極板式電容傳感器原理設計。收獲機上采集數(shù)據(jù)的存儲器件，已轉(zhuǎn)向應用通用智能IC卡技術，Massey Ferguson 和Case IH系統(tǒng)中的存儲卡可連續(xù)存儲30小時收獲作業(yè)數(shù)據(jù)，John Deere系統(tǒng)中的智能卡可存儲連續(xù)250小時收獲作業(yè)數(shù)據(jù)，各公司都專門開發(fā)了結合自己產(chǎn)品的數(shù)據(jù)處理與小區(qū)產(chǎn)量分布圖生成軟件和配套的智能化虛擬電子顯示儀器，可直接在駕駛室內(nèi)向操作手及時顯示有關信息。

八十年代中期以來，關于收獲機械產(chǎn)量計量系統(tǒng)的開發(fā)研究引起了制造商的極大興趣，并率先在大型谷物聯(lián)合收割機上推廣應用。據(jù)報導，到1997年底，美國已有超過20000臺谷物聯(lián)合收割機裝有產(chǎn)量計量器，其中約一半同時裝有GPS定位系統(tǒng)和提供生成產(chǎn)量分布圖必須的數(shù)據(jù)輸出，預測到2002年，美國90%以上的谷物聯(lián)合收割機將裝置產(chǎn)量計量器。根據(jù)這一國際技術發(fā)展的趨勢，結合我國國情條件開展有關電子信息裝備技術創(chuàng)新研究，已經(jīng)出現(xiàn)了良好的機遇。

2．農(nóng)田土壤信息采集與處理

“精細農(nóng)作”中土壤信息的采集，是為了從影響作物生長的土壤環(huán)境條件與營養(yǎng)水平角度獲取信息，以分析產(chǎn)量圖顯示的產(chǎn)量空間分布差異性的原因，制定有關施肥、改土、耕作、種植等分布式定位處方?jīng)Q策。這類信息，因其時空變異性，可分為兩大類：

2.1 相對穩(wěn)定、時空變異性小的土壤信息。如地形坡度，土壤類型、結構，P、K和有機質(zhì)（SOM）含量、pH值，耕作層深度等。這些數(shù)據(jù)的采集可在“精細農(nóng)作”項目實施前，列為必要的基礎信息采集內(nèi)容。經(jīng)過多年后可對這些參數(shù)作選擇性復測。有些數(shù)據(jù)，如土壤類型、土壤微量元素含量可以引用原有土壤普查數(shù)據(jù)作參考；與精細農(nóng)作處方?jīng)Q策緊密相關的參數(shù)如P、K、SOM含量，耕作層深度等，宜盡可能在技術、經(jīng)濟合理條件下采用較小空間尺度的標準柵格式定點采樣法獲取土樣，在實驗室進行分析或用適當儀器進行實地測量。采集的數(shù)據(jù)，可在地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺上，選用適宜的地學統(tǒng)計處理方法，建立主要參數(shù)空間分布圖，存入數(shù)據(jù)庫供分析產(chǎn)量空間差異原因，制定管理處方?jīng)Q策時調(diào)用。

2.2 時空變異性大的農(nóng)田土壤信息。如N含量和土壤含水率。它們除需要在施肥、播種或灌溉作業(yè)前進行基本數(shù)據(jù)的測量和空間分布圖生成外，還需要根據(jù)生長期需要，進行必要的抽樣測量，以適時調(diào)控投入。這需要能實時快速采集與數(shù)據(jù)處理儀器的支持。迄今，對農(nóng)田土壤營養(yǎng)成分的檢測，基本上仍大多沿用實驗室化驗分析方法，耗資、費時，因而使農(nóng)田土壤柵格式采樣的空間尺度偏大、采樣點密度偏于稀疏，難于建立較為精細的土壤參數(shù)空間分布圖。國家土壤普查建立的土壤參數(shù)分布圖，基本上是支持從地理學角度去研究土壤分布，為服務于社會經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)發(fā)展的宏觀管理的需要，不適應從農(nóng)學角度實施精細農(nóng)作管理的需求。九十年代以來，圍繞精細農(nóng)作發(fā)展的需要，對土壤采樣測量新技術、新儀器和數(shù)據(jù)處理新方法已開展了許多研究，提出了一些新的采集土壤空間信息的技術思想和商品化產(chǎn)品開發(fā)成果，若干發(fā)展趨勢可列舉如下：

基于土壤理化分析原理的土壤溶液光電比色方法，開發(fā)智能化土壤主要營養(yǎng)元素快速測定儀，在我國已有若干實用化產(chǎn)品推廣應用；

基于新的物理原理如近紅外（NIR）多光譜分析技術，極化偏振激光技術、半導體多離子選擇場效應晶體管（ISFET）的離子敏傳感技術等的土壤營養(yǎng)元素快速測定先進傳感器的研究已取得初步進展或研究成果，有的已可裝置在移動作業(yè)機上支持快速信息采集的試驗；

利用NIR多光譜分析技術開發(fā)的土壤有機質(zhì)含量實時采集傳感器，在九十年代中期已出現(xiàn)商品化產(chǎn)品;

探索新的技術思想、開發(fā)支持精細處方農(nóng)作的實時快速土壤參數(shù)綜合評價測量技術，如一種機載移動作業(yè)土壤電導率測定與農(nóng)田電導率空間分布圖自動生成系統(tǒng)（The Veris 3100 model）已由美國KANSAS州一家公司生產(chǎn)，向國際市場銷售，它可用于間接評價土壤含水率，SOM含量、土壤耕作層深度、土壤結構、土壤陽離子交換能力（CEC）等的空間分布，期待可以將采樣點空間分辨率減小到5m 左右；

土壤含水量快速采集傳感器技術，九十年代以來有了快速發(fā)展，可以預期在技術與經(jīng)濟上得到較為滿意的解決。眾所周知的基于微波測量技術的時域反射法（TDR）土壤水分快速測量儀已大量進入農(nóng)業(yè)研究實驗室，同類性能價格比較為優(yōu)良的便攜式TDR土壤水分測量儀也已有商品化產(chǎn)品；根據(jù)類似測量原理開發(fā)基于駐波比和頻域分析原理，性能價格比有明顯改善的產(chǎn)品在近期將可實現(xiàn)其市場價值。

支持“精細農(nóng)作”主要土壤參數(shù)快速測量技術的開發(fā)研究是當今科技創(chuàng)新的一個熱點。目前，土壤參數(shù)的空間采樣密度仍受制于測量技術的實時性和經(jīng)濟性，需要提倡新的技術思想的探索�；�于現(xiàn)有技術進行土壤柵格式定點采樣測量的空間尺度一般為2－5畝1個采樣點，這種采樣密度通過數(shù)據(jù)處理建立的土壤參數(shù)空間分布圖還不可能較為精細、客觀地實現(xiàn)處方農(nóng)作。因而近幾年科技界提出一種基于新的物理原理的機載快速實時土壤參數(shù)近似傳感技術的研究方向。它不追求達到與實驗室理化分析方法可能達到的個體測量精度，但可以快速、實時、經(jīng)濟地采集大量原始數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)代數(shù)學方法和數(shù)字信號處理芯片技術，對原始數(shù)據(jù)進行快速分析處理，去粗取精，達到滿意的效果，這可能今后支持“精細農(nóng)作”農(nóng)田空間信息采集與處理的主要研究發(fā)展方向。

2.3農(nóng)田作物苗情信息采集處理技術

這類信息包括作物長勢、苗情、病蟲草害空間分布信息的采集。傳統(tǒng)農(nóng)田精細農(nóng)作實踐中，有經(jīng)驗的農(nóng)民對農(nóng)田作物苗情例行查田定性觀測，實施定位管理�，F(xiàn)代化的“精細農(nóng)作”，要求采用可定量化的定位測量手段，在DGPS引導下進行巡回觀測，采集量化信息，在GIS平臺上經(jīng)處理后，迭加或標志在產(chǎn)量圖上，支持管理決策分析。例如，現(xiàn)有聯(lián)合收獲機上裝置的產(chǎn)量信息檢測系統(tǒng)，在駕駛室內(nèi)具有操作鍵，當進行收獲作業(yè)時，駕駛員可以觀察出雜草與成熟作物間的明顯區(qū)別，通過操作鍵可標出不同雜草空間分布的區(qū)域位置，并自動將雜草分布信息迭加到最后生成的產(chǎn)量圖上。利用LED加窄帶濾波片組成的窄帶多光譜農(nóng)田雜草識別檢測技術已在若干國家進行試驗研究。積累的大量基礎數(shù)據(jù)，將支持其產(chǎn)品開發(fā)技術取得突破。病蟲害與作物長勢苗情的定量化檢測與評估技術尚待開發(fā)研究，目前還主要是采用DGPS引導下的查田抽樣檢測。計算機視覺支持下的生物對象模式識別技術，遙感系統(tǒng)中應用的高分辨率多光譜近地測量技術，在這一領域?qū)⒕哂袕V闊的應用研究前景。

“精細農(nóng)作”空間信息采集與處理技術的進步，將是實踐這一作物管理技術思想的重要前題。目前仍有許多問題尚待科學技術的突破，需要電子信息硬件、軟件科學家和農(nóng)學家的密切合作，可望在跨入新世紀的初期獲得重要進展，同時也將對支持處方農(nóng)作的農(nóng)業(yè)裝備技術等產(chǎn)生深遠的影響。