農(nóng)業(yè)田間信息獲取技術(shù)研究及發(fā)展趨勢(shì)

1、農(nóng)業(yè)田間信息獲取技術(shù)研究及發(fā)展趨勢(shì)文段農(nóng)業(yè)田間信息獲取技術(shù)研究及發(fā)展趨勢(shì)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(jī)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(gè)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(jī)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(wèn)信息獲取方法主要有傳統(tǒng)的田間采樣、田問(wèn)GP標(biāo)集、智能農(nóng)機(jī)作業(yè)和多平臺(tái)遙感獲取等4種方式。通常所說(shuō)的“3S'技術(shù)中的全球定位系統(tǒng)（GPS開(kāi)口遙感技術(shù)（RS）是田間信息獲取的重要手段，它是實(shí)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(jī)等3個(gè)主要部分組成?，F(xiàn)在最常用的是美國(guó)GPs系統(tǒng)，它包括在離地球約20000km高空近似圓形軌道上運(yùn)行的24顆地球?qū)Ш叫l(wèi)星，其軌道參數(shù)和時(shí)鐘由設(shè)于世界各大洲的5個(gè)地面監(jiān)測(cè)站與設(shè)于其本土的一個(gè)地面控制站進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，使得在近地曠野的GPSg收機(jī)在晝夜任何時(shí)間、任何氣象條件下最少能接受到4顆以上衛(wèi)星的信號(hào)。通過(guò)測(cè)量每一衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的傳輸時(shí)間，即可計(jì)算出接收機(jī)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(guò)程中，其位置的識(shí)別是與數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)密不可分的，因此需要對(duì)信息進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。全球定位系統(tǒng)

3、（GPS）提供了全天候、實(shí)時(shí)精確定位的測(cè)量手段。數(shù)字農(nóng)業(yè)中，GPS要是用來(lái)確定在田間的位置，結(jié)合其土壤的含水量、氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)和病蟲(chóng)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(lái)說(shuō)是提供三維位置和時(shí)間。GPS要應(yīng)用于以下3個(gè)方面：一是智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械的動(dòng)態(tài)定位（即根據(jù)管理信息系統(tǒng)發(fā)出的指令，實(shí)施田間的精準(zhǔn)定位）；二是農(nóng)業(yè)信息采集樣點(diǎn)定位（即在農(nóng)田設(shè)置的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)、自動(dòng)或人工數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)均需GPS®位數(shù)據(jù)）；三是遙感信息GPS®位（即對(duì)遙感信息中的特征點(diǎn)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(lái)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(duì)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(guò)觀測(cè)物體的電磁波，從而識(shí)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(tái)及遙感信息的接受和處理系統(tǒng)組成。其中，接受從目標(biāo)反射或輻射的裝置叫做遙感器（如掃描儀、雷達(dá)、攝影機(jī)、攝像機(jī)和輻射計(jì)等），裝載遙感器的平臺(tái)稱遙感平臺(tái)（如飛機(jī)和人造衛(wèi)星等）。經(jīng)過(guò)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(qiáng)、變換、濾波和分類等處理。遙感（RS）技術(shù)是未來(lái)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(lái)源，它可以提供大量的田間時(shí)空變化信息。遙感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要以下3個(gè)方面：一是作物長(zhǎng)勢(shì)及其背景的監(jiān)測(cè)，運(yùn)用高分辨率（米級(jí)分辨率）傳感器，在不同的作物生長(zhǎng)期實(shí)施全面監(jiān)測(cè)，并根據(jù)光譜信息進(jìn)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(cè)，利用地物光譜儀和多光譜相機(jī)獲取的信息，監(jiān)測(cè)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(yùn)用多光譜遙感信息（紅外波段），在有作物條件下監(jiān)測(cè)土壤水分。3 田間信息獲取技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)31土壤水分和養(yǎng)分信息獲取技術(shù)國(guó)內(nèi)外已開(kāi)始研究采用各種不同的手段來(lái)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(cè)量方法外，已嘗試采

6、用的較新的技術(shù)，包括遙感、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)和地面?zhèn)鞲屑夹g(shù)等。其中，實(shí)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(duì)于其他土壤養(yǎng)分更易掌握，因此對(duì)土壤水分測(cè)量方法的研究已經(jīng)取得了顯著成果。各種在線式的測(cè)量方法相繼產(chǎn)生，如電阻法、時(shí)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(cè)量精度受土壤含水率的影響很大；二是時(shí)域反射法在低頻（&20MHz）T作時(shí)較易受到土壤鹽度、粘粒和容重的影響，而且價(jià)格比較高；三是頻域反射法的讀數(shù)強(qiáng)烈地受到電極附近土體孔隙和水分的影響，特別是對(duì)于使

7、用套管的FDRW量；四是中子散射法雖然測(cè)量方法簡(jiǎn)單，但儀器設(shè)備昂貴，并且存在潛在的輻射危害。對(duì)于土壤養(yǎng)分信息（土壤中的N，P，K，pH值、有機(jī)質(zhì)、含鹽量和電導(dǎo)率）的獲取技術(shù)，常規(guī)化學(xué)試驗(yàn)測(cè)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(shí)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(lái)檢測(cè)土壤養(yǎng)分已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。近紅外光譜法是根據(jù)水的、紅外吸收光譜來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，在紅外區(qū)內(nèi)，水的吸收波長(zhǎng)為1200,1450,1940和2950nm,測(cè)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(wú)接觸、快速、連續(xù)測(cè)量、測(cè)量范圍大、準(zhǔn)確度

8、高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于在線水分監(jiān)測(cè)，但在測(cè)量自然物體時(shí)因表面不規(guī)則使得反射率不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度，需對(duì)樣本做簡(jiǎn)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(jī)質(zhì)、含鹽量和電導(dǎo)率等信息的采集?，F(xiàn)在，除了常規(guī)化學(xué)試驗(yàn)測(cè)量方法外，用近紅外反射光譜法來(lái)測(cè)量土壤養(yǎng)分已成為國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者研究的重點(diǎn)。Shibusawa等指出，用4001900nm波段來(lái)預(yù)測(cè)土壤濕度、pH值、土壤電導(dǎo)率和土壤有機(jī)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(jiàn)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(jī)質(zhì)和氮素；He等對(duì)土壤電導(dǎo)率和常量元素的測(cè)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(duì)預(yù)測(cè)土壤氮含量的影響。3 2作物長(zhǎng)勢(shì)的監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)