農(nóng)業(yè)田間信息獲取技術(shù)研究及發(fā)展趨勢

1、農(nóng)業(yè)田間信息獲取技術(shù)研究及發(fā)展趨勢文段農(nóng)業(yè)田間信息獲取技術(shù)研究及發(fā)展趨勢文段0引言數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)是將現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)與農(nóng)機工程裝備技術(shù)相結(jié)合的新型農(nóng)業(yè)技術(shù)。數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)體系由3個部分組成，即信息獲取系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)和智能化農(nóng)業(yè)機械。其中，田間的信息獲取技術(shù)是數(shù)字農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。目前，田問信息獲取方法主要有傳統(tǒng)的田間采樣、田問GP標集、智能農(nóng)機作業(yè)和多平臺遙感獲取等4種方式。通常所說的“3S'技術(shù)中的全球定位系統(tǒng)（GPS開口遙感技術(shù)（RS）是田間信息獲取的重要手段，它是實現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)的重要支撐技術(shù)-一。1 全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)（GPS，GlobalPositioni

2、ngSystem）是由地球?qū)Ш叫l(wèi)星、地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶GP或收機等3個主要部分組成。現(xiàn)在最常用的是美國GPs系統(tǒng)，它包括在離地球約20000km高空近似圓形軌道上運行的24顆地球?qū)Ш叫l(wèi)星，其軌道參數(shù)和時鐘由設(shè)于世界各大洲的5個地面監(jiān)測站與設(shè)于其本土的一個地面控制站進行監(jiān)測和控制，使得在近地曠野的GPSg收機在晝夜任何時間、任何氣象條件下最少能接受到4顆以上衛(wèi)星的信號。通過測量每一衛(wèi)星發(fā)出的信號到達接收機的傳輸時間，即可計算出接收機所在的地理空間位置。農(nóng)田養(yǎng)分信息具有顯著的空間屬性，其空間變異性很大。在數(shù)據(jù)采集過程中，其位置的識別是與數(shù)據(jù)監(jiān)測密不可分的，因此需要對信息進行準確的定位。全球定位系統(tǒng)

3、（GPS）提供了全天候、實時精確定位的測量手段。數(shù)字農(nóng)業(yè)中，GPS要是用來確定在田間的位置，結(jié)合其土壤的含水量、氮、磷、鉀、有機質(zhì)和病蟲害等不同信息的分布情況，輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的灌溉、施肥、噴藥等田間操作，其作用從本質(zhì)來說是提供三維位置和時間。GPS要應(yīng)用于以下3個方面：一是智能化農(nóng)業(yè)機械的動態(tài)定位（即根據(jù)管理信息系統(tǒng)發(fā)出的指令，實施田間的精準定位）；二是農(nóng)業(yè)信息采集樣點定位（即在農(nóng)田設(shè)置的數(shù)據(jù)采集點、自動或人工數(shù)據(jù)采集點和環(huán)境監(jiān)測點均需GPS®位數(shù)據(jù)）；三是遙感信息GPS®位（即對遙感信息中的特征點用GPS采集定位數(shù)據(jù)，以便于GIS配套應(yīng)用）。由于GPS#在較大的誤差，所以

4、差分GPS即DGP碘來越受到人們的重視。DGPST以消除衛(wèi)星鐘差、星歷誤差、電離層和對流層延遲誤差等，從而使定位精度大幅度提高。2 遙感技術(shù)遙感技術(shù)（RS，RemoteSensing）的基本原理是利用物體的電磁波特性，通過觀測物體的電磁波，從而識別物體及其存在的環(huán)境條件。遙感技術(shù)系統(tǒng)由傳感器、遙感平臺及遙感信息的接受和處理系統(tǒng)組成。其中，接受從目標反射或輻射的裝置叫做遙感器（如掃描儀、雷達、攝影機、攝像機和輻射計等），裝載遙感器的平臺稱遙感平臺（如飛機和人造衛(wèi)星等）。經(jīng)過遙感器得到的數(shù)據(jù)在使用前應(yīng)根據(jù)用途需要做相應(yīng)的糾正、增強、變換、濾波和分類等處理。遙感（RS）技術(shù)是未來數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中獲

5、得田間數(shù)據(jù)的重要來源，它可以提供大量的田間時空變化信息。遙感技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要以下3個方面：一是作物長勢及其背景的監(jiān)測，運用高分辨率（米級分辨率）傳感器，在不同的作物生長期實施全面監(jiān)測，并根據(jù)光譜信息進行空間定性和定位分析，為定位處方農(nóng)作提供依據(jù)；二是作物冠層多光譜監(jiān)測，利用地物光譜儀和多光譜相機獲取的信息，監(jiān)測葉綠素密度的變化，并分析其變化與養(yǎng)分的關(guān)系；三是運用多光譜遙感信息（紅外波段），在有作物條件下監(jiān)測土壤水分。3 田間信息獲取技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢31土壤水分和養(yǎng)分信息獲取技術(shù)國內(nèi)外已開始研究采用各種不同的手段來獲取土壤水分和養(yǎng)分信息。目前，除了一些傳統(tǒng)的常規(guī)測量方法外，已嘗試采

6、用的較新的技術(shù)，包括遙感、計算機及網(wǎng)絡(luò)和地面?zhèn)鞲屑夹g(shù)等。其中，實踐較多的是以電子技術(shù)為支撐的地面信息傳感技術(shù)和以空間技術(shù)為支撐的遙感信息采集技術(shù)。土壤水分信息的獲取相對于其他土壤養(yǎng)分更易掌握，因此對土壤水分測量方法的研究已經(jīng)取得了顯著成果。各種在線式的測量方法相繼產(chǎn)生，如電阻法、時域反射法（TDR法）、頻域反射法（FDR法）、中子散射法和近紅外光譜法等。這些方法均有一定的局限性：一是電阻法的測量精度受土壤含水率的影響很大；二是時域反射法在低頻（&20MHz）T作時較易受到土壤鹽度、粘粒和容重的影響，而且價格比較高；三是頻域反射法的讀數(shù)強烈地受到電極附近土體孔隙和水分的影響，特別是對于使

7、用套管的FDRW量；四是中子散射法雖然測量方法簡單，但儀器設(shè)備昂貴，并且存在潛在的輻射危害。對于土壤養(yǎng)分信息（土壤中的N，P，K，pH值、有機質(zhì)、含鹽量和電導(dǎo)率）的獲取技術(shù)，常規(guī)化學(xué)試驗測量方法仍是現(xiàn)在土壤養(yǎng)分信息獲取的主要手段。該方法具有破壞性和不及時性等缺陷，因此隨著近紅外光譜技術(shù)的不斷完善和應(yīng)用的廣泛性，用近紅外光譜技術(shù)來檢測土壤養(yǎng)分已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點。近紅外光譜法是根據(jù)水的、紅外吸收光譜來進行測量的，在紅外區(qū)內(nèi)，水的吸收波長為1200,1450,1940和2950nm,測量方式有反射式、透射式和反射透射復(fù)合式等幾種。紅外光譜水分儀具有無接觸、快速、連續(xù)測量、測量范圍大、準確度

8、高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，適用于在線水分監(jiān)測，但在測量自然物體時因表面不規(guī)則使得反射率不穩(wěn)定，影響測量精度，需對樣本做簡單處理。土壤其他養(yǎng)分信息的研究主要包括土壤中N,P,K,pH值、有機質(zhì)、含鹽量和電導(dǎo)率等信息的采集。現(xiàn)在，除了常規(guī)化學(xué)試驗測量方法外，用近紅外反射光譜法來測量土壤養(yǎng)分已成為國內(nèi)外諸多學(xué)者研究的重點。Shibusawa等指出，用4001900nm波段來預(yù)測土壤濕度、pH值、土壤電導(dǎo)率和土壤有機質(zhì)等，具相關(guān)系數(shù)從019變化到087；李民贊研究了基于可見光光譜分析的土壤參數(shù)分析，在11O0,1350,1398,2210nm處建立了多元線性回歸模型，相關(guān)系數(shù)為0.934;于飛健等用近紅外光譜法分析了土壤中的有機質(zhì)和氮素；He等對土壤電導(dǎo)率和常量元素的測量；鮑一丹等應(yīng)用光譜技術(shù)研究了土壤粒度和含水量對預(yù)測土壤氮含量的影響。3 2作物長勢的監(jiān)測技術(shù)對農(nóng)作物長勢