电子信息科技发展与农业机械化技术创新 一. 概述 20世纪下半期开始的电子信息科学技术革命，是人类历史发展中的最伟大事件之一。以微电子技术、计算机技术、通信技术和网络技术为代表的信息技术革命，迅速地改变着人类的生产方式、思维方式和生活方式，加速了国民经济信息化进程，成为推动各个领域知识创新、技术创新、知识应用和知识传播的强有力手段。电子信息技术的发展，也明显地影响着农业机械化技术的创新过程，在农、林、牧、副、渔机械化过程中迅速吸收着电子信息技术革命的成果。50年代后期开始，发达国家农业机械化由单个作业环节机械的应用转向围绕农业种、养、加过程实现优质、高效、经济的目标，发展农艺与农机密切结合的综合机械化技术体系研究，从而对农业生产过程的工艺系统设计与过程自动化提出了新要求。首先在农业机械的试验、测试仪器开发，数据处理领域引进了先进的电子、计算机技术与信息处理技术；随着微电子技术的进步，农机测试仪器的研究开发不断更新换代，由晶体管分立元件，不同集成度的集成电路器件，发展到80年代初期开始的基于微处理器的综合测试系统，从而大大改善了农业机械研究与应用试验的支持环境，为揭示农机力学设计的内在规律和农机新材料、新工艺与新型农业机械设计研究提供了技术支持。从70年代开始，由于发达国家农业机械设计制造技术已趋于成熟，农产品国际市场竞争日益激烈，农业土地经营规模扩大，农业机械迅速向大型、高速、复式作业、人机和谐与舒适性设计方向快速发展，加快了电子信息技术面向农业生产机械化过程中的应用研究及应用电子产品的产业化开发。一批面向生产者应用的各种机电仪一体化技术产品迅速开发出来装备到农业机械上用于实现农业机械化作业的高效率、高质量、省成本和改善操作者的舒适性与安全性。各种电子监示、控制装置应用于各种复杂农业机械上，其典型产品，如：农业机械化过程中应用的田间作业面积、速度、机器作业工况计量与监示器;联合收获机谷粒损失监示器及喷雾与灌溉自动控制系统；在园艺领域，如，设施环境的机电一体化自动控制技术；在养殖领域，如：基于动物个体编号电子自动识别器的自动配料、称重、计量等设备在发达国家农场中迅速推广应用；拖拉机与自走农业机械的田间自动导航、机器视觉与农业应用机器人研究得到重视，成为探索在农业机械化过程中应用电子信息及机电一体化等高新技术开发研究的重要方向。80年代以来，电子技术与其它新技术在农业机械中应用研究的发展，既促进了世纪之交农业机械化系统电子信息化技术的创新研究与新产品开发,也为90 年代适应“精细农业”技术体系的试验实践开发智能化变量作业农业机械提供了基础。我国农业还处于逐步推进实现基本农业机械化的发展阶段，进入新世纪，为了提高我国大中型农业装备产品在国际市场上的竞争力，发展高新技术在规模化农业和农业机械化服务产业中的应用，也需要跟踪研究发达国家的先进经验，在应用电子信息新技术方面实现跨越式的发展战略。本部分着重讨论世纪之交发达国家农业机械电子化、信息化技术和支持“精细农业”应用的农业装备电子信息技术的发展趋势与展望。 ? 二.世纪之交世界农业机械电子化、信息化的发展 世纪之交，世界农业机械装备技术的发展，正迅速地吸收和应用电子信息科技发展的成就。这与农业面对世界市场竞争的压力，集约化、现代化对大型、复杂、高效、节本、环保型农业机械化技术日益提高的要求密切相关。近20年来农业装备技术不断积累的技术创新成果也为这一发展提供了基础。电子学与信息技术在农业机械装备中应用的这一发展趋势，代表着拖拉机和农业机械技术发展新的里程碑。通过电子学，使一些农业装备具有智能化特征和在系统各控制单元间可相互通信，促进了支持基于信息和知识的“精细农业”应用的智能化变量作业农业机械的研究与开发。迄今，电子学用于农业机械装备的技术创新，可概括为如下五个基本领域： ??????? 提高机器作业的技术性能：过程监视、控制、诊断、通信； ??????? 实现节本增效和环境友好的农作：节约化肥、农药、水资源和燃料消耗，降低作业成本；保护生态环境，减少土壤、水体、动植物遭受污染； ??????? 过程的精确操作：及时获取过程信息，使农业机械操作能精确执行过程控制指令； ??????? 改善劳动者的操作条件：良好的人机接口，操作方便性、安全性、舒适性； ??????? 发展基于卫星定位系统的农机作业田间导航、定位变量作业的智能控制农业机械，实现农场管理信息系统与田间移动作业机械间的无线通信与机群调度，支持农田作业的科学管理决策等。 智能化农业机械需要有不同类型的信息采集传感器，适于农机工作环境和结构设计的控制执行器，高性能的电子控制器和相应的软件支持，需要建立拖拉机、农业机械各部件电子控制单元间的通信、接口设计标准。这些都需要机械、电子、信息管理等多种学科的集成支持。 （一）. 拖拉机与农业机械内部的电子装备技术 拖拉机与自走式农业机械电子化正向网络化、智能化、分布式控制技术方向发展。一台大型拖拉机和复杂农业机械，已装置了若干个标准的电子控制单元（ECU），它实际上已是一个带有独立处理信息与控制功能的计算机智能控制终端，是针对农业机械使用环境专门设计的通用微型作业计算机（Job computer）,具有统一标准设计的接口和采用了现场控制局域网络（CAN）技术及其网络通信协议。 图11-1，图11-2 分别是德国FENDT拖拉机和CLAAS谷物联合机上应用的控制局域网络（CAN）总线系统，这已经在欧洲大中型农业机械的内部电子监视与控制系统中应用。机器的若干重要部件采用了独立的带微处理器的电子控制单元(ECU)，由设置于驾驶室带液晶显示的用户总线虚拟仪器终端控制器进行作业工况的显示和输入控制指令。机组上所有独立的电子控制设备均具有标准的输入/输出接口，挂接到标准总线上按规定协议进行通信和控制。总线上还留有插接端口可与外部计算机连接，对总线系统设备进行诊断或实施系统扩展。 农机机组的电子控制单元，正在由早期的专用控制器设计向通用控制器方向发展。这样，一个标准的电子控制单元即可用于与不同类型的农机部件和不同厂商的产品配套使用。图11-3是农业机械上采用的通用控制系统示意图。 图11-3 农业机械上采用的通用控制系统图 表11-1列出了欧州几家主要农机制造商至1996年3月在农机产品上CAN总线的应用情况。随着机器工作幅宽和作业速度不断提高，机器中的控制器数量不断增加，机组自动导向也引入到了大型拖拉机和自走式农业机械中。 ? ? 表11-1 欧洲几家主要农机制造商1996年3月前在农机产品上应用CAN情况 ? 厂 商  产 品  型号 控制器数 电缆类型 田间使用的单元数 ? 控制器总数  FENDT 拖拉机 500 800 900 2 2 3 非屏蔽 16000 32000  FORD 拖拉机 8670 8770 8870 8970 4 4 4 4 屏 蔽 10000 40000  FIAT 拖拉机 G170 G190 G210 G240 4 4 4 4 屏 蔽 12000 48000  MF 拖拉机 6100 8100 3 3 非屏蔽 12000 36000  New Holland 切碎机 FX300 FX375 FX450 5 5 5 光 纤 700 3500  New Holland 联合收获机 TF78 5 光 纤 70 350  CLAAS 联合收获机 Lexion 4-8 非屏蔽 50 200  总 计 ? ? ? ? 50820 160050   (来源：文献1，1997) （二）. 拖拉机与农业机械间的总线通信技术 拖拉机和各种农业机械上应用的智能化电子控制单元（ECU）的发展，使其接口的通用化、标准化设计变得愈益重要。通常都是在拖拉机和联合收割机的驾驶室安装可用于和不同机型配套的通用型智能显示终端。采用双绞线或光纤电缆构筑机组内的“信息高速公路”，即数据通信链路。它是基于CAN（Controller Area Network）现场控制局域网络的串行总线结构。各种机器部件或不同形式的农业机器电子控制单元，设计成具有与总线挂接的标准接口，包括硬件芯片和可编程软件。使得机组上各个相对独立的电子控制单元(ECU)间均可与中央控制与显示单元交换信息，接受控制指令，也可在各个农机具或部件ECU之间传输和交换数据信息，实现拖拉机与农业机器间、农业机器相互间和拖拉机中央控制器与农场计算机之间的串行通信。为了使农业机器上的电子系统具有通用性、兼容性，建立通用的总线通信设计标准是十分必要的。这样可使农户在国际市场上选购不同厂商的机器时，便于拖拉机与各种农业机械的ECU间的配套连接; 对制造商来说,通用标准的建立，使其仅需关注ECU用户一侧与机器控制相关的设计或建立其闭环控制系统，而不需要去深入了解ECU与其它设备之间的接口，只要将其插接到总线标准插座上即可，在总线上的数据信息交换仅以双向开环方式进行。设计农业机械的专用总线接口、通信协议和开发生产集成物理特性和软件协议的硬件电路，需要具有高集成度的IC芯片（嵌入式微控制器）。为此，CAN协议被选用作为农业机械应用的总线标准协议的基础。它是德国BOSCH公司开发用于汽车的总线通信协议标准。其工作方式与农业机械上的网络拓朴结构十分相似，支持CAN协议的接口通信芯片已可由世界各地IC供应商提供。1986年，德国首先提出了基于CAN 2.0A版本的农业机械总线标准（DIN 9694），并从1993年起在欧洲各国的农机制造厂商普遍采用。90年代中期，以DIN 9684为基础，国际标准化组织（ISO）正在加速制定基于CAN 2.0B 版本基础上的ISO 11783作为正式的农业机组数据通信及其接口设计的国际标准，可望在近两年内完成。DIN 9684农业总线标准的应用原理如图11-4，图 11-5所示。 ? 图11-4 拖拉机-农业机械总线系统应用示意图 ? 图 11-5 德国DIN9684/2-5 农业标准总线系统（LBS）的应用 ? DIN 9684 包括五个组成部分，即： DIN 9684-1: 它定义了CAN总线与农用设备的连接接头。9针接头中的4个分别用于60A 强电电源和25A电子电路电源；5个用于信号传输。总线信息交换速率为125 kbit/s; 最大传输距离40 m; 总线可挂接的最大用户数为16个。（图11-6） DIN 9684-2：叙述了根据ISO 11898 串行数据总线标准定义的数据格式。系统采用分布式总线结构。用户终端通过总线发出消息，所有其它用户(ECU)根据各自的识别码检测总线，获取需用的信息和与总线实现信息交换。图11-7表示了这一农业总线系统的典型消息框架。数据场可传输包括8个字节的数据。各用户(ECU)接口设置的11位编码的识别器同时定义了其通向总线的优先级别。 ? 图11-6 DIN-9684/1 电缆终端接头 ? 图11-7 DIN-9684/2 数据标准格式 DIN 9684-3 定义了系统功能和识别器结构。系统初始化时，借助于4个农具识别位和3个安装位置识别位进行机器系统的结构识别；在初始化过程中，最多16个挂接用户中的每一个用户动态地获取向所有用户播发的地址；基本消息作为第2优先级也向所有用户广播；为了允许用户间直接通信，目标信息定义为第3优先级；其它优先级用于中央输入输出单元及任务管理。 DIN 9684-4 定义了农业总线终端的键功能、屏幕功能与总线终端和农具终端的数据传输。当一个农业机器接入总线系统，一个特定的表征码即由终端计算机传给总线终端，当这个工作表征码被激活后，该终端计算机即可控制向总线虚拟终端的输入/输出功能。 DIN 9684-5 定义了移动作业机械与农场管理计算机间的接口、有关语法、语义和实施规则等。 （三）. 人机接口技术 拖拉机和农业机械作业中，都需要人来操纵和控制。传统驾驶室中的仪表盘正迅速由电子监视仪表取代，并逐步由单一参数显示方式向智能化信息显示终端过渡，从而大大改善了人机交互界面。这种智能化显示终端，实际上就是一台带液晶显示屏的计算机。它代表了当今仪器与控制装置发展的主流方向，又常被称为虚拟化仪器显示终端（Virtual Display Terminal）。它可在屏幕上按操作者的需求通过屏幕菜单任意选择显示机组中不同部分的终端信息，调用数据库信息，显示数据、图形、语音等多媒体信息。并可将数据信息动态存入类似信用卡尺寸的高密度智能化数据存储卡（PCMCIA卡）, 将田间记录的数据信息通过智能卡带回办公室计算机应用高级软件进行处理。也可以将管理者的决策和操作指令通过智能卡传送到拖拉机上的智能控制终端，自动控制农机的操作。图11-8是现代大型拖拉机驾驶室内带有智能化显示终端和良好人机工程设计的操作环境实例。 图11-8 现代大型拖拉机驾驶室操作与显示环境设计实例 ? （四）．农场农机化中的机群调度与管理决策支持技术 欧洲一些大农场，已开始建立和使用农场办公室计算机与移动作业机械间通过无线通信进行数据交换的管理信息系统。其通信协议及接口标准已在DIN 9648-5中加以定义。这可以使农场管理调度中心计算机可以直接调用读入各个田间作业机械智能终端存储的作业数据，存入农场计算机的数据库中，由于农场计算机可具有比移动作业机强大得多的信息存储、处理功能，专家知识库和管理决策支持系统，通过计算机处理后，制定详细的农事操作方案和导航作业计划后，通过无线通信数据链路传回到田间移动作业机。机器发生故障，操作者也可调用具有强大分析功能的办公室计算机诊断处理程序。现代通信技术革命的成果，已开始应用于农业机械化作业的远程管理中。 ? 三 .“精细农业”发展与农业机械化技术创新 近几年来，“精细农业”技术的研究与应用在发达国家得到了迅速发展，并推动了一系列农业机械相关电子信息装备技术的创新实践与产业化进程。已经积累起来的经验和应用技术发展趋势，为实现基于信息和知识的现代农业精细经营和作物生产系统可持续发展提供了广阔的前景，并被认为是21世纪农业科技革命的一个重要方向。 （一）.“精细农业”- 基于信息和知识的现代农业精细经营技术 “精细农业”，即国际上已趋于共识的“Precision Agriculture”或“Precision Farming”学术名词的中译。这一技术的早期研究与实践，在发达国家始于80年代初期从事作物栽培、土壤肥力、作物病虫草害管理的农学家在进行作物栽培模拟模型，作物管理与植保专家系统应用研究与实践中进一步揭示的农田内小区作物产量和生长环境条件的明显时空差异性，从而提出对作物栽培管理实施定位、按需变量投入，或称“处方农作”而发展起来的；在农业机械工程领域，自70年代中期微电子技术迅速实用化而推动的农业机械装备的机电一体化、智能化监控技术，农田信息智能化采集与处理技术研究的发展，加上80年代中期后各发达国家对农业经营中必需兼顾农业生产力、资源、环境问题的广泛关切和有效利用农业投入、节约成本、提高农业利润、提高农产品市场竞争力和减少环境后果的迫切需求，为“精细农业”技术体系的形成准备了条件。海湾战争后全球卫星定位系统（GPS）的完善与开放民用化,为实现定位处方农作提供了前提条件，使得近20年来，基于信息技术支持的作物科学、农艺学、土壤学、植保科学、资源环境科学和智能化农业装备与自动监控技术、系统优化决策支持技术等，得以在GPS、GIS空间信息科技支持下组装集成起来，形成和完善了一个新的“精细农业”技术体系和开展了广泛的试验实践。据测算：采用精细农业技术，可以节约30%以上的肥料和农药，可使作物生产成本降低20%以上。其实施过程可描述为：带定位系统和产量传感器的联合收获机每秒自动采集田间定位及小区平均产量数据 → 通过计算机处理，生成作物产量分布图 → 根据田间地形、地貌、土壤肥力、墒情等参数的空间数据分布图，支持作物管理的数据库与作物生长发育模拟模型，投入、产出模拟模型，作物管理专家知识库等建立作物管理辅助决策支持系统，并在决策者的参与下生成作物管理处方图 → 根据处方图采用不同方法与手段或相应的处方农业机械按小区实施目标投入和精细农作管理。图11-9 是AGCO MF公司提供的“精细农作”技术体系示意图。 迄今，国外关于Precision Agriculture 的研究，基本上仍是集中于利用全球卫星定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、作物管理决策支持系统（DSS）基础上的作物生产管理技术，即基于知识和信息技术的“精细农作”技术方面。由于农业活动涉及到农、林、牧，种、养、加，产、供、销等的广阔领域，随着科学技术的发展，人们对自然与生物资源的利用和调控环境的能力将日益精细化，从而将导至传统农业经营技术思想的革命，将“精细农作”的技术思想，扩展到精细园艺、精细养殖、精细加工（产前、产后）….等更为宽 广的农业生产领域，发展基于信息和知识的“精细农业”技术体系。这方面还有很长的路要走。特别是如何根据我国国情开展精细农业的实践研究，也是我国农业工程师面向21世纪进行技术创新研究的良好机遇。 （二）.“精细农作”的主要支持技术 1． 3S技术 （1）. 全球卫星定位系统（GPS - Global Positioning System） 90年代初全球卫星定位系统的完善，为实践农田作物生产的定位精细管理提供了基本的条件。GPS系统由包括24颗地球卫星组成的空间部分，由地面控制站和一组地面监测站组成的地面监控部分和用户接收机三个主要部分组成。对于用户来说，只需要根据不同用途的要求，如同使用移动电话一样，购置用户接收机, 享用不同方式的服务和具有必要的使用知识即可。GPS卫星，是一组能发射精确的卫星轨道参数和时钟信号，在2万余公里高空环绕地球运转的轨道卫星系统。这些信号穿越太空、电离层和大气层到达地面, 为接收机接收，经过数字信号处理进行定位计算。空间卫星的布局，可以保证在地球表面任何地方、任何时间和任何气象条件下，接收机均可至少获得其中4颗以上卫星发出的定位定时信号。理论上只要用户能接收到4颗卫星信号，即可解算出用户所在的3维（x、y、z）位置信息。其定位概念可作如下理解： ??????? 每一卫星在空间的轨道位置信息是由地面监控中心监控而精确知道的，它们作为用户用三角测量法测定自己在地面上的位置的基准参考点； ??????? 用户接收机测量卫星发出的无线电编码信号到达接收机的传输时间，利用： T（传输时间）( 光速 = 距离的公式, 进行测距计算； ??????? 为了测量卫星发出的信号到达接收机的传输时间，GPS卫星上装置有精确可靠的原子铯钟，接收机上的同步时钟虽精度远远不如卫星原子钟的要求，但可以通过信号处理进行校正； ??????? 理论上，在地球表面附近的用户接收机, 只要能测得与卫星系统中任意三个卫星的空间距离，即可通过数字信号处理和按三角法测距原理, 确定自己的3维位置坐标。例如图11-10所示，当你测得与某一个卫星的距离，你在宇宙空间中的位置一定是在以卫星为参考点（圆心）, 以距离为半径的球面上（图11-10 a）；当你同时测得与某两个卫星的距离，你一定是在这两球面相切的圆形轨迹上（图11-10 b）；当你同时测得与某三个卫星的距离，你一定是在三个球面相切的两个交点位置上（图11-10 c），其中一个一定是在近地表面，另一个在远离地面的太空中。这样，你可以判定自己的唯一位置坐标；但为了对用户接收机时钟误差进行校正计算，需要能同时接收4颗卫星的定位定时信息； ??????? 当GPS卫星信号通过电离层和大气层传输时，会受到干扰和时间延迟，产生定位误差。美国提供的民用GPS接收机定位误差可达100米，实用的精确测量定位系统, 还需要在地面设置校正定位误差的差分信号服务，使用差分式全球卫星定位系统（DGPS）。 差分式全球卫星定位系统（DGPS）的建立原理，是在地面已经标定的地理位置上设置一个带有基站信号处理软件和广播误差校正信号能力的GPS接收机，该接收机既直接接受卫星定位信号确定自己带有误差的位置信息，又与其真实所在地理位置坐标相比较，计算出GPS接收机的X、Y、Z位置误差校正信息，按时间序列存储记录下来或通过广播天线实时发射出去, 为周围的移动接收机接收，使移动接收机自动修正自己的定位信息。这样，可使GPS定位精度容易达到米级或厘米级。根据上述两种提供差分校正数据信息的方式，可区分为后处理差分系统和实时动态差分系统两类。现有提供动态差分服务的方式有： ????????? 通过政府在沿海或沿大型水道设置的导航信标台获得差分信号免费服务。我国在东南部沿海建立的20个信标台，可提供的服务半径约150～250公里。 ????????? 通过特定地球卫星发射的广域差分系统获得校正信号的收费服务。我国大部分地区将可能获得国外提供的这种收费服务，但GPS接收机需具备相应的功能和有待在我国建立起相应的服务机制。 ????????? 自建为局域范围（约20-30公里）服务的独立DGPS系统。适合于尚缺乏公用差分信号服务的地区。在远离具备公用差分服务条件的地区开展“精细农作”示范试验时，可以采用这种方式。 目前国外已有许多著名GPS公司进入中国市场。有的著名厂商，如美国Trimble公司和Ashtech公司等已可专门提供支持“精细农作”的农用GPS产品，如Trimble的Ag132GPS接受机，具有12个卫星接收通道，可接收信标台或卫星转发的差分校正信号，也可用于建立独立差分GPS系统，可提供分米级定位精度和0.16公里/小时速度测量精度。具有农机田间导航、定点采样、背负式巡田定位信息采集与测量，携式专用掌上型定位数据采集器，适于与多种设备和主要农机厂商产品联接的专用信号电缆等附件，可供用于配置实用系统时进行选择。Ashtech公司提供Ag Navigator系统虽有不同结构形式，但具有相似的功能。为“精细农作”或其它农业应用选购GPS产品，需要有明确的应用目标和必要的知识支持，注意主机与附件的合理配置，避免盲目性带来的损失。 （2）。地理信息系统(GIS—Geographical Information System) GIS是一个用于输入、存储、检索、分析、处理和表达地理空间数据的计算机软件平台。当然，GIS软件需要装载在适当性能的计算机上，并为计算机配置必要的输入输出外部设备，如用于输入数据的扫描仪、数字化仪、读卡机和用于输出和显示结果的计算机显示器、彩色打印机或绘图仪，并以不同格式将处理结果保存在存储介质中备用。GIS是以带有地理坐标特征的地理空间数据库为基础的系统。GIS中的数据可以被访问、变换、交互式处理。GIS从外部看，它表现为计算机软硬件系统，而其内涵确是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。由GIS数据库中，可以从不同侧面、不同层次提取、重新组织地理空间和时间特征信息，作为研究环境、生态和作物生长过程，分析发展趋势，预测、规划和制定管理决策的基础。在“精细农作”技术体系中，GIS主要用于建立农田土地管理，土壤数据、自然条件、作物苗情、病虫草害发生发展趋势、作物产量等的空间信息数据库和进行空间信息的地理统计处理、图形转换与表达等，为分析差异性和实施调控提供处方决策方案。图11-11表示一个典型的GIS矢量格式农田多层空间信息分布图。它将纳入作物栽培管理辅助决策支持系统，与作物生产管理与长势预测模拟模型、投入产出分析模拟模型和智能化作物管理专家系统一起，并在决策者的参与下根据产量的空间差异性，分析原因、作出诊断、提出科学处方，落实到GIS支持下形成田间作物管理处方图，分区指导对农业机械或农艺操作的科学调控。GIS是数据库管理系统的一种类型，但GIS数据是管理地理空间数据。这种地理参考数据，不但包括属性数据，还包括这些属性数据所在的地理空间位置数据。如特定小区的产量数值是属性数据，该小区所在的地理位置座标（x,y）的数值，即为空间位置数据。GIS数据库管理系统，可以随时提取或处理相关信息，以不同方式或颜色直观地显示在有地理坐标的地理图形上，也可以对这些信息进行不同方式的处理，输出统计处理结果等。GIS的强大功能是：它能将一种以上同一坐标区域的位置数值相互联系在一起，可以显示和分析同一农田的多种不同类型数据，并建立相互联系。GIS表达地理空间信息采用栅格型和矢量型两种不同数据格式，在精细农作实践中，原始采集的数据常用栅格式采集和存储，速度快；通过数据处理后形成的矢量型数据图形利于直观显示。由扫描仪或数字化仪输入的电子地图则直接转变为矢量图形显示。地理信息系统软件具有多种强大的数据处理功能供用户选用，当绘制产量图时，每秒均有一组数据产生，这些数据先以栅格格式存储，产量分布图的生成常用平滑技术和数据聚类分析处理后显示矢量型数据图形；当建立基于采样点离散程度大的田间属性数据图形时，如：土壤采样数据，则需采用基于邻域数据相关程度来估计未知值的方法即插值法来处理，用户需要根据不同情况选择适用的处理方法。 图11-11 GIS建立的典型农田数据图迭层分析 在精细农作实践中采用GIS建立空间图形的步骤通常是： ????????? 用扫描仪、数字化仪输入基础地理信息建立农田电子地图或用DGPS帮助绘制农田地理图形； ????????? 通过键盘输入定点采样数据或由产量监视器下载产量数据； ????????? 在GIS支持下对数据进行平滑、统计或内插处理，生成不同层面的矢量型空间数据地理分布图形； ????????? 选择颜色和图例以明晰表达各种空间信息分布图形； ????????? 在作物生产决策支持系统和决策者的参与下生成不同类型的处方图形用于指导处方农作； ????????? 在绘图仪、彩色打印机上打印图形或存入相应介质中备用。 目前，已有一批成熟先进的GIS软件在市场销售，国外软件大多也具有汉化功能，用户需要根据自己的应用要求选择合适的软件和配置相应的计算机硬件系统，并进行必要的应用软件开发以适应自己的应用要求。提供精细农业技术产品的厂商也同时可提供在通用GIS平台上开发的专用精细农作GIS分析系统。在形成农业空间信息地理图形时，采样密度、采样成本与信息处理的方法如何能更准确反映参数的空间分布和农田空间信息快速采集先进传感技术，仍然是尚待深入研究的课题。由于商用GIS系统的功能一般都照顾到各种类型用户的需要，针对农业资源信息管理和精细农业实践的需要和农村用户的特点，开发基于GIS设计规范的简单实用、易于向基层农村用户推广、界面友好的田间地理信息系统（FIS）已引起科技界的注意。 (3). 遥感技术（Remote Sensing - RS）是未来精细农作技术体系中支持大面积快速获得田间数据的重要工具。它可以提供大量的田间时空变化信息。近30多年来，遥感技术在大面积农业资源监测、作物产量预测、农情预报等方面作出了重要贡献。遥感是用飞行器或人造卫星上装载的传感器来收集地球表面地物的空间分布信息。它具有广域、快速、可重复对同一地区获取时间序列信息的特点。遥感是测量地物对太阳辐射能的反射光谱信息或地物自身的辐射电磁波波谱信息。每一地物反射和辐射的电磁波波长及能量都与其本身的固有特性及状态参数密切相关。装载于卫星或航空器上的多光谱摄象机或扫描式光电传感器可获取的地物数字图象，其含有丰富的反映地物性质与状态的不同电磁波谱能量信息，可提取辐射不同波长的地物信息，进行统计分析和地物模式识别。在精细农作管理中不是直接测量土壤水份、植物冠层营养水平、籽粒与生物质产量等信息，但可通过的多光谱测量技术推断出结果。这种由测量引导推理需利用数据分析工具寻求传感数据与土壤或植物的相关关系。一旦这种关系建立起来，就可以对大面积的条件进行推理。通常RS数据图形可以是GIS的一个图层，补充实地采集的土壤肥力、杂草、虫害等数据层。同时尚需作些补充处理以使得图层与其它数据层的地理位置相一致（图11-12）。 图11-12. GIS中的农田信息数据层与RS图层的迭加分析 在精细农作中应用RS与GIS结合进行农田空间信息分析时，可按如下步骤： ????????? 采集RS数据和处理成数据图象（由RS服务商提供）；仔细检查图象和分析统计数据； ????????? 完成RS数据的地面核实； ????????? 将RS和地面核实数据送入GIS系统； ????????? 鉴别被测变量与作物条件的相互影响关系； ????????? 根据所获信息对农田提出定位处方决策等。 目前，由于卫星遥感数据尚达不到满足“精细农作”需求的空间分辨率，因而还未用于按小区进行作物生产的精细管理。然而，遥感技术领域积累起来的农田和作物多光谱图象信息处理及成像技术、传感技术和“精细农作”技术体系中需要解决的实时、快速农田信息采集先进传感技术的研究开发需求密切相关。RS获得的时间序列图象，可显示出由于农田土壤和作物特性的空间反射光谱变异性，提供农田作物生长的时空变异性的信息，在一季节中不同时间采集的图象，可用于确定作物长势和条件的变化。基于遥感产业界对“精细农作”的商业兴趣，一系列的地球观测卫星将在近几年内发射，到2005年，将有超过40个这类卫星提供服务。大部分这类卫星采集的全色图象，空间分辩率将达1～3米，多光谱图象分辩率预计可达3～15米，扫视区6～30 km。由于采用卫星遥感比航空摄影的成本将低一半以上，卫星遥感技术可预期在近3～5年内，在“精细农作”技术体系中扮演重要的角色。 2. 田间信息采集与处理技术：“精细农作”实践中，需要在较精细的空间尺度上，获取农田作物生产有关的空间分布信息，包括利用不同的传感技术采集数据，采用适当的方法对数据进行处理，转变为易于理解和利用的可视化空间分布图形信息，这主要靠电子信息硬件与软件技术的支持。需要获取和处理的主要信息包括如下几方面： (1).农田作物产量空间分布信息： 获取农作物小区产量信息，建立小区产量空间分布图，是实施“精细农作”的起点，它是作物生长在众多环境因素和农田生产管理措施综合影响下的结果，是实现作物生产过程中科学调控投入和制定管理决策措施的基础。为此，需要在收获机械上装置DGPS卫星定位接收机和收获产品流量计量传感器。通用的DGPS接收机，可以每秒给出收获机在田间作业时DGPS天线所在地理位置的经、纬度坐标动态数据，流量传感器在设定时间间隔内（即机器对应作业行程间距内）自动计量累计产量，再根据作业幅宽（估计或测量）换算为对应时间间隔内作业面积的单位面积产量，从而获得对应小区的空间地理位置数据（经、纬度坐标）和小区产量数据。这些原始数据经过数字化后存入智能卡，再转移到计算机上采用专用软件做进一步处理。实际上，产量空间分布数据的处理是一个复杂的过程，但可以通过专用软件快速完成。例如，GPS接收机指示的天线位置动态数据与割台收割作物的即时位置，按机器结构不同而有空间上的差异，而谷物流量传感器通常是安装在脱粒、分选、清粮过程后的净粮输出部件上，要反映作物田间对应位置的产量计量数据，需要考虑到收获机的结构尺寸内物流工艺设计，作业速度等多种因素，通过建立数学模型来作出估计。由于收获时谷粒的含水量不同，收获时还需要同时测量谷粒的含水量，以便在数据处理时换算成标准含水量以便对单产水平进行评估。迄今，用于小麦、玉米、水稻、大豆等主要作物的流量传感器已有通用化产品，其他如棉花、甜菜、马铃薯、甘蔗、牧草、水果等作物的产量传感器近几年已做了许多研究，有的已在试验使用。目前应用的谷类作物产量传感器主要有三种类型：即冲击式流量传感器（图11-13 a），γ射线式流量传感器（图11-13 b）和光电式容积流量传感器（图11-13 c）。它们分别用于John Deere和 Case、AGCO Massey Ferguson、欧洲一些公司的精细农作康拜因产品上。冲击式流量传感器计量误差在3%以内, 基于γ射线穿过谷粒层引起射线强度衰减测定谷物流量的传感器,据报导, 其计量误差不大于1%。收获机上应用的谷粒含水量测量，均按极板式电容传感器原理设计。收获机上采集数据的存储器件，已转向应用通用智能IC卡技术，存储卡可连续存储30小时以上的收获作业数据。各公司都专门开发了结合自己产品的数据处理与小区产量分布图生成软件和配套的智能化虚拟电子显示仪器，可直接在驾驶室内向操作手及时显示有关信息。 (2). 农田土壤信息采集与处理 “精细农作”中土壤信息的采集，是为了从影响作物生长的土壤环境条件与营养水平角度获取信息，以分析产量图显示的产量空间分布差异性的原因，制定有关施肥、改土、耕作、种植等分布式定位处方决策。这类信息，因其时空变异性，可分为两大类： ????????? 相对稳定、时空变异性小的土壤信息。如地形坡度，土壤类型、结构，P、K和有机质（SOM）含量、pH值，耕作层深度等。这些数据的采集可在“精细农作”项目实施前，列为必要的基础信息采集内容。经过多年后可对这些参数作选择性复测。有些数据，如土壤类型、土壤微量元素含量可以引用原有土壤普查数据作参考；与精细农作处方决策紧密相关的参数如P、K、SOM含量，耕作层深度等，宜尽可能在技术、经济合理条件下采用较小空间尺度的标准栅格式定点采样法获取土样，在实验室进行分析或用适当仪器进行实地测量。采集的数据，可在地理信息系统（GIS）平台上，选用适宜的地学统计处理方法，建立主要参数空间分布图，存入数据库供分析产量空间差异原因，制定管理处方决策时调用。 ????????? 时空变异性大的农田土壤信息。如N含量和土壤含水率。它们除需要在施肥、播种或灌溉作业前进行基本数据的测量和空间分布图生成外，还需要根据生长期需要，进行必要的抽样测量，以适时调控投入。这需要能实时快速采集与数据处理仪器的支持。迄今，对农田土壤营养成分的检测，基本上仍大多沿用实验室化验分析方法，耗资、费时，因而使农田土壤栅格式采样的空间尺度偏大、采样点密度偏于稀疏，难于建立较为精细的土壤参数空间分布图。国家土壤普查建立的土壤参数分布图，基本上是支持从地理学角度去研究土壤分布，为服务于社会经济和农业发展的宏观管理的需要，不适应从农学角度实施精细农作管理的需求。 90年代以来，围绕精细农作发展的需要，对土壤采样测量新技术、新仪器和数据处理新方法已开展了许多研究，提出了一些新的采集土壤空间信息的技术思想和商品化产品开发成果，若干发展趋势可列举如下： ????????? 基于土壤理化分析原理的土壤溶液光电比色方法，开发智能化土壤主要营养元素快速测定仪，在我国已有若干实用化产品推广应用； ????????? 基于新的物理原理如近红外（NIR）多光谱分析技术，极化偏振激光技术、半导体多离子选择场效应晶体管（ISFET）的离子敏传感技术等的土壤营养元素快速测定先进传感器的研究已取得初步进展或研究成果，有的已可装置在移动作业机上支持快速信息采集的试验； ????????? 利用NIR多光谱分析技术开发的土壤有机质含量实时采集传感器，在90年代中期已出现商品化产品; ????????? 探索新的技术思想、开发支持精细处方农作的实时快速土壤参数综合评价测量技术，如一种机载移动作业土壤电导率测定与农田电导率空间分布图自动生成系统（The Veris 3100 model）已由美国KANSAS州一家公司生产，向国际市场销售，它可用于间接评价土壤含水率，SOM含量、土壤耕作层深度、土壤结构、土壤阳离子交换能力（CEC）等的空间分布，期待可以将采样点空间分辨率减小到5m 左右, 图11-14表示出其悬挂在拖拉机上的测量部件结构。 ????????? 土壤含水量快速采集传感器技术，90年代以来有了快速发展，可以预期在技术与经济上得到较为满意的解决。众所周知的基于微波测量技术的时域反射法（TDR）土壤水分快速测量仪已大量进入农业研究实验室，同类性能价格比较为优良的便携式TDR土壤水分测量仪也已有商品化产品；根据类似测量原理开发基于驻波比和频域分析原理，性能格比有明显改善的产品在近期将可实现其市场价值。 支持“精细农作”主要土壤参数快速测量技术的开发研究是当今农业工程科技创新的一个热点。目前，土壤参数的空间采样密度仍受制于测量技术的实时性和经济性，需要提倡对新的技术思想的探索。基于现有技术进行土壤栅格式定点采样测量的空间尺度一般为2－5亩1个采样点，这种采样密度通过数据处理建立的土壤参数空间分布图还不可能较为精细、客观地指导农业机械实现定位处方农作。因而近几年科技界提出一种基于新的物理原理的机载快速实时土壤参数近似传感技术的研究方向。它不追求达到与实验室理化分析方法可能达到的个体测量精度，但可以快速、实时、经济地采集大量原始数据，通过现代数学方法和数字信号处理芯片技术，对原始数据进行快速分析处理，去粗取精，达到满意的效果，这将对扩展农业机械用于农田空间信息数据采集，开发研究农机配套机电一体化产品的一个新的发展方向。 (3). 农田作物苗情信息采集处理技术 这类信息包括作物长势、苗情、病虫草害空间分布信息的采集。传统农田精细农作实践中，有经验的农民对农田作物苗情例行查田定性观测，实施定位管理。现代化的“精细农作”，要求采用可定量化的定位测量手段，在DGPS引导下进行巡回观测，采集量化信息，在GIS平台上经处理后，迭加或标志在产量图上，支持管理决策分析。例如，现有联合收获机上装置的产量信息检测系统，在驾驶室内具有操作键，当进行收获作业时，驾驶员可以观察出杂草与成熟作物间的明显区别，通过操作键可标出不同杂草空间分布的区域位置，并自动将杂草分布信息迭加到最后生成的产量图上。利用LED加窄带滤波片组成的窄带多光谱农田杂草识别检测技术已在若干国家进行试验研究。积累的大量基础数据，将支持其产品开发技术取得突破。病虫害与作物长势苗情的定量化检测与评估技术尚待开发研究，目前还主要是采用DGPS引导下的查田抽样检测。计算机视觉支持下的生物对象模式识别技术，遥感系统中应用的高分辨率多光谱近地测量技术，在这一领域将具有广阔的应用研究前景。 “精细农作”空间信息采集与处理技术的进步，将是实践这一作物管理技术思想的重要前题。目前仍有许多问题尚待科学技术的突破，需要电子信息硬件、软件科学家和农学家的密切合作，可望在跨入新世纪的初期获得重要进展，同时也将对支持处方农作的农业装备技术等产生深远的影响。 3. SDDS技术作物生产管理决策支持技术： “精细农作”是基于信息和知识的农田作物生产经营管理技术，它既需要利用先进的田间信息采集技术以获得农田小区作物产量和影响作物生长主要因素的空间分布信息; 又需要对这些信息进行处理，运用农业科学知识制定农田与作物栽培管理决策，指导分布式定位处方农作，以实现资源高效利用，高产出、省投入和可持续发展的优化目标。其管理决策过程示意于图11-15。 图11-15 “精细农作”管理决策过程示意图 所有绿色植物生产的基本过程都是基于叶绿素的光合作用。如何更好地利用作物生产的经济产量潜力，一方面需要通过选育更好的品种，使之有更高的光合作用效率，更好的抗逆性能和更高的谷秸比；而制定作物生产管理实践的措施，就需采用综合优化的农田资源高效利用与先进的作物栽培管理技术。这正是“精细农作”技术体系追求的目标。传统农业的农田精耕细作，是基于农民的勤劳和长期积累的丰富经验，加上对农田土壤状况、病虫草害分布与作物长势的查田观察，有的放矢地在小块农田进行作物种植的精细管理，以获得较高的平均产量和较好的经济回报；一个高投入、高产出、高效益的现代农作系统，需要集成现代作物科学有关的生物、环境、技术和经济分析等综合措施，在更大的集约规模化生产系统中，实现更好地利用资源与作物的经济产量潜力，实现作物生产系统的可持续发展目标。作物生产管理计算机辅助决策支持系统（DSS），是应用计算机信息处理技术, 综合现代农业相关科学技术成果, 制定作物生产管理措施，实现处方农作的基础，也是实现“精细农作”技术思想的核心。一个完整的作物生产管理决策支持系统，包括：作物系统模拟模型组成的模型库；支持模型运算和数据处理的方法库；储存支持作物生产管理决策和模型运算必需的数据库；反映不同地区自然生态条件等作物栽培管理经验知识和具有知识推理机制的专家知识库；各子系统的管理、维护子系统和为作物生产管理者参与制定决策，提供知识咨询的良好人机接口等。由于作物生产系统的复杂性，许多影响因素与作物生长过程的关系尚难于完全用解析方法进行过程的定量描述。对这一类半结构性的系统，兼容解析性模拟模型的研究成果及基于专家知识的智能化农业专家系统的结合，能为当地生产管理决策者提供参与决策制定的良好人机接口是十分必要的。八十年代初以来，作物生长动态模拟模型的研究取得了重要的进展。它综合作物生理、生态、农业气象、土壤、植保和作物栽培等多个分支学科的研究成果，将作物生产过程与其生态环境因子的变化作为一个整体进行动态定量化分析和生长发育过程模拟研究，并开发了一批面向应用的模拟模型研究成果，如在国际上具有重要影响的小麦、玉米、水稻、高粱等谷类作物的CERES系列模拟模型，GOSSYM棉花模型；GLYCIM大豆模型等。我国学者结合本国国情和区域自然条件开发的RICEMOD和RICAM等水稻生长模拟模型，CGSIM棉花高产栽培发育动态模拟模型及小麦生长模拟模型等，围绕实现作物高产、稳产、节本、高效的应用目标，将能否有效地促进作物生产作为检验模型优劣的一个主要标准, 已开始显示出其紧密结合作物生产管理实践的特色，我国80年代初以来，对农田施肥、不同作物栽培管理、病虫害预测预报、农田灌溉等农业专家系统的研究开发成果已在生产应用中发挥了重要作用，智能化农业专家系统及其研究开发工具的研究得到了“863”高科技计划的支持，迄今已在吉林、北京、安徽、云南等地建立了四个智能化农业专家系统试验示范区，并进行了较大面积的辐射应用推广。有的研究已经向以模拟模型研究为基础，与建立专家知识库系统、部分参数的实时采集处理系统和技术经济评估系统相结合，朝向能够帮助用户完成生产与经营管理等半结构化决策任务提供友好的作物生产管理辅助决策支持系统方向发展，这应是进一步发展的主流方向。系统输出结果，能够提供对作物生产潜力，过程诊断，产量预测、经济评估、农作管理的知识咨询服务。然而，迄今进行的有关作物模拟模型、农业专家系统及其集成技术的开发研究，主要还是基于农田或农场尺度上的作物生产管理决策支持技术，与“精细农作”技术思想的实践要求尚有较大的距离。实施“精细农作”的作物生产管理决策支持技术致力于根据农田小区作物产量和诸相关因素在农田内的空间差异性，实施分布式的处方农作。因而将需要基于GPS，GIS空间定位的空间型作物管理决策支持系统（SDSS）的支持，这已经成为“精细农作” 支持技术领域的重要研究方向。 4. 农业机械装备技术 支持“精细农作”的智能化农业机械主要是：收获机械产量监示器与产量图自动生成系统；实现精密播种，精细施肥，精细施药和精细灌溉等定位控制作业的变量处方农业机械；实施机载农田空间信息快速采集的机电一体化农业机械等。 迄今支持“精细农作”的若干重要农业机械，如带产量图自动生成的用于小麦、玉米、大豆收获的谷物联合收获机，实施变量处方农作的谷物精密播种机、施肥机、施药机和灌溉设备在国外都已有若干类型的商品化产品，但仍需继续得到完善并扩大到更多的农机作业应用领域。如英、美、德等国生产的带DGPS定位系统和产量自动计量的谷物联合收获机。机器在田间收获中按秒为单位存储空间位置和对应的小区平均产量信息，经压缩后存入智能卡，再在PC机上读入智能卡数据，通过专用软件构建小区产量空间分布图，并与GIS平台相结合，进行空间图形的矢量化和聚类处理后，生成可用于指导操作的小区产量分布矢量图。英国Massey Ferguson 提供的这种联合收割机，在小区产量分布图基础上还可结合定位处方投入的成本分析直接显示小区经济效益分布图（Gross Margin Variability Map），在机器座舱内的一个虚拟化计算机LED显示屏上，可以通过触摸式键盘随意调用各种图形化可视界面和数据信息, 监控机器各部分的工况和显示获得的产量分布图。据1996年美洲Case-IH调查：北美当时约19% 的带300 hm2以上的规模化农场已经利用GPS，到2000年这一比例将达90%。1997年， 北美已有20,000台谷物康拜因安装有产量计量传感器，其中约50%带有GPS接收机可以自动生成产量分布图; 一个主要联合收割机制造商宣称，其1/3的新产品均已安装有产量传感器。这类康拜因的单产计量精度可达3%以内。在带产量传感器和DGPS的谷物康拜因技术已趋于成熟的基础上，近几年来，若干发达国家已开始了对棉花、甜菜、土豆、水稻、甘蔗、牧草、水果等收获机械产量计量传感器开展研究，在近几年的精细农业国际会议和重要刊物上已报道了有关试验研究成果，研究样机已进入试验应用。实施按处方图进行农田投入调控的智能化农业机械, 如安装有DGPS定位系统及处方图读入装置的，可自动选择种子类型（二选一）、按处方调节播量的小麦精密播种机，自动施肥、施药机，可控喷水量的喷灌机均已有部分商品化产品，并在继续完善之中。 迄今“精细农业”在发达国家也不过五、六年的应用试验历史，部分支持技术手段还不十分成熟，有待不断研究完善，相关的应用基础研究还比较薄弱。“精细农作”应用实践可根据不同国家、不同地区的社会、经济条件，围绕提高生产、节本增效、保护环境的目标，采用不同的技术组装方式，逐步提高作物生产管理的科学化与精细化水平。其中，建立一个完整的精细农作技术体系，需要有多种技术知识和先进技术装备的集成支持，这为农业机械工程师提供了进行技术创新的机遇。研究适于不同国家的农业机械装备、种植特点、适于不同作物和更为精确的上述各环节的智能化技术，仍然是农业机械工程师面临的挑战。“精细农作”的示范试验研究已成为应用信息高新技术实现农业机械技术创新的重要切入点。其优先领域如： ????????? GPS、GIS用于农业机械田间导航与定位操作的应用研究； ????????? 用于与作物收获机械配套的产量传感技术与带产量图自动生成系统软件开发研究； ????????? 实施定位处方农作和控制的施肥、施药、浇水、精播、栽植的移动作业机械研究； ????????? 自走式农田土壤、病虫草害、作物苗情定位信息采集机械装备开发研究； ????????? 大中型拖拉机和自走型农业机械智能化技术状态实时诊断、监控与显示装置开发研究； ????????? 农机作业信息高效处理、存储、传输、通信技术及其总线与接口的标准化研究； ????????? GPS、GIS 有关技术国产化、产业化和用于支持农业机械化组织、调度与辅助管理决策支持系统的研究； ????????? 智能化联合收割机支持“易地收割”，实施机群科学调度与管理的研究。在引进技术消化、吸收基础上加快国产联合收割机的智能化装备技术的自主开发； ??????????? 逐步扩大研究试验带GPS接收机的智能化大型喷灌机械、植保机械和播种机械，尽快形成国产化的自主产品，为农机社会化服务体系提供新一代技术装备。 由于作物生产受到众多因素的集合影响，当今作物生产的精细管理还是以对小区产量分布特征信息的分析为基础来制定处方管理决策。作物产量是许多因素综合影响形成的结果和评价种植管理水平的基础。因而获取农田小区作物产量及其空间分布的差异性信息是实践精细农作的基础。有了收获机械产量计量设备和小区产量分布图生成台系统，农户既可以根据自己的经验知识，分析产出和小区产量差异的原因，选择经济适用的对策，在现实可行条件下采取适当措施实施调控；也可以根据技术经济发展的条件，利用先进的科技手段或智能化变量处方农业机械实现生产过程的自动调控。研究“精细农作”体系中的产量实时计量和产量图自动生成技术，需要解决如下的科学技术问题： ????????? 流量传感器的计量精度、稳定性、通用性、标定简便性的进一步改善； ????????? 产量计量中同时获得收获机的实际割幅和前进速度信息； ????????? 生成产量分布图需要的空间分辨率不大于收获机械工作幅宽的DGPS定位系统； ????????? 针对不同收获机械建立谷物由割台至流量测量点的谷物运移过程模型，以校正产量分布信息的动态误差； ????????? 研究采集的定位数据和产量数据编码格式与快速存储传输方式。这些数据通常都是存储在软盘或IC智能卡中，能一次存储至少一个作业班内的全部数据，然后再传入PC机进行处理和生成产量分布图； ????????? 开发PC上进行产量分布图生成的软件，含文件结构、数据结构、误差校正、数据图形化、显示方式等。 谷物联合收获机电子装置，包括谷物产量自动计量和产量图自动生成技术，是当代农机研究的一个重要方向，也应是我国农机装备机电一体化、信息化研究的优先发展方向之一。对于改善易地收获、农机社会化服务，提高农机作业信息化意识，促进作物生产科学管理，都有十分重要的现实意义，应是世纪之交我国农机技术创新的重要课题。 5. 系统集成技术 “精细农业”技术体系是一个集成系统，它涉及到多种学科知识的支持，需要学习应用不同子系统已经形成的硬、软件设计规范、标准、数据格式与通信协议，应用已有的单项技术成果，研究建立某些支持技术的新标准。近几年来，国外研究实践中已经积累了一些进行“精细农业”技术体系集成组装的经验。我国科技工作者要研究这方面的进展，参与国际交流。作为工程师，要善于根据工程项目的整体目标，既能从具体技术角度去思考和研究问题，具有不断突破现有解决实际问题的观念与模式的创新意识；又能注意进行项目目标的整体评估，协调技术先进性与经济可行性的综合优化目标，提出推动技术进步的试验实践方案。 （三）. 由“精细农作”向建立“精细农业”技术体系发展 “精细农作”是基于信息和知识进行作物生产管理的现代农田精耕细作技术。是实践大田作物生产管理科技思想的革命。在广大发展中国家，包括中国大陆在内，大田作物生产系统仍然处于劳动力密集，经营规模较小，机械化装备水平和经济效益较低的发展阶段，经济的发展正在加快农业产业结构的调整进程，以作物生产解决初级谷物供给为主的传统农业经营思想，正在向农、林、牧、副、渔全面发展的大农业思想转变。尤其在发展设施园艺、集约化养殖、农产品加工方面、可以获得更高的经济效益和具备吸收先进技术改造传统产业的活力。因此，基于信息和知识经营高产、优质、高效和环境友好的农业系统的技术思想应该扩展到大田作物生产以外的其他农业领域、大力推动将先进的信息高新技术、智能化控制的农业装备技术和相关的先进农艺技术的适度组装集成，发展“精细园艺”、“精细养殖”“精细加工”、“精细经营”有关的高新技术应用. 实际上基于信息和知识有效地管理农业生产的早期实践，在70年代后期已优先在欧美发达国家的奶牛场管理信息系统中得到成功应用，众所周知,基于奶牛编号自动识别器的个体产奶量定量配料和饲养管理系统，自80年代初已始在欧美各国农场中推广使用。奶牛个体编号电子自动识别器作为获取个体信息的基础，于70年代中期即研制成功商品化产品。早期推广应用的一种奶牛编号自动识别器，是长期挂在脖子上的小型密封无源信号转发器，一个固定的激励信号发生器通过发射天线依次地发射出一串不同频率的高频电磁波，挂在牛脖子上的每一个转发器经过调谐，只对其中的两种频率作出响应，从而给转发器中的转发振荡器提供功率，并使其振荡器先后转发出两个固定频率的时序信号被接收机接收，经过解码，判断出牛的编号。80年代后期，一种直径约2cm，厚度0.8cm，重量不到10g，单价在5美元左右的微小信号转发器产品进入市场，它可永久性地植入牛、猪耳朵皮下，信号接收距离在60cm以内；更微型的信号转发器制成园筒型，可通过注射针管植入皮下。在牛、猪出生后即植入体内，使整个生长、养殖过程，直至交售时的称重、屠宰均纳入自动信息管理系统。近几年，一种养猪场推广应用的耳挂针扦式、塑料密封、重量小于5g的微型个体编号识别无源信号转发器，不仅可用于按个体发育和健康状况进行定量自动配料，建立动物个体管理信息档案，自动监测体重增长、母畜发情期、健康指标自动诊断等。与手携式数据采集器结合，还适用于不同规模的牲畜科学饲养管理。英国80年代后期研制的平养肉鸡场鸡群体重信息采集系统，支持了根据市场价格信息控制饲养成长增重规律，予测最佳上市日期和最好经济效益的优化目标。这些都是基于个体或小群信息和科学管理决策知识的“精细养殖”的典型实例。90年代以来，这些已成熟应用的计算机管理信息系统，正在新的信息技术进步基础上拓宽其高新技术应用研究领域，如：机器视觉技术用于动物行为监视、识别；挤奶机器人的应用；基于体形图象分析评价优良品种选育与动物体重评估；动物饲养管理多媒体知识咨询系统等都已逐步实用化，展示了信息时代“精细养殖”的广阔前景。 “设施园艺”是近几年来迅速发展的农业高新技术领域，它集成了园艺设施结构、材料、装备、控制、农艺、管理决策等多种先进科技于一体，实现高投入、高产出、高效益的优化目标。电子信息技术的迅速发展，为实施设施园艺环境参数和植物生长状态精细检测，调控和基于知识的过程管理决策提供了方便条件。近几年来设施园艺中节约投入，降低成本，限制水土环境污染的问题正在推进着这一产业的技术进步，欧洲已经提出了加速向无土、封闭式营养栽培系统过渡的明确发展方向。园艺栽培过程将逐步向采用基于单株或小群，分区监测调控，实践优质高产，高效，低污染精细管理模式发展，智能化控制和装备技术适应先进农艺的要求，将推动技术创新的发展。 农产品的市场价值与市场竞争，对收获后工艺和产品加工品质提出了很高的要求。这一领域的技术滞后尤其成为发展中国家农业面临的严峻挑战。电子信息与农业装备技术已在发达国家的农产品加工中得到广泛应用。如农产品品质的快速检测、产品品质分级评价、储藏加工过程参数的精细调控、市场需求的决策支持分析等。基于信息和知识的高新技术集成系统已迅速应用到农产品收获后工艺与加工工程领域，如基于新的物理原理的农产品分级与品质检测先进传感技术，基于机器视觉和图象信息处理的生物对象模式识别，遗传算法、人工神经网络、模糊控制理论与新方法的应用，专家系统支持的辅助决策与控制等。基于信息和知识的“精细加工”集成管理决策支持系统，丰富了“精细农业”技术体系的内涵，正在成为在特定条件下取得高效益的农业高新技术应用研究和装备技术创新领域。 21世纪人类将逐步进入知识经济时代，探索基于信息和知识的融合多种学科知识建立集成管理决策系统在农业各领域的应用，将使人类愈益精细化地利用自然资源和物质资源，减小浪费，降低成本，保护生态环境，实现农业可持续发展的目标。基于信息和知识工程等高新技术的“精细农业”技术体系将逐步完善，并不断推动农业系统经营管理决策科学技术思想的革命。 ? 主要参考文献： 1.???????? John K.Schueller, Bill A.Stout. Recent innovation and issues in tractors and field crop machinery in north America. Paper No.24, ICAME '96, Nov.12-15, Seoul, Korea. 1996. 2.???????? Hermann Auernhammer. The role of electronics and decision support systems for a new mechanisation. Proceddings of the 8th Meeting of the Full Members, CLUB of BOLOGNA, Edizioni UNACOMA Service sri, Italy. 1997. 3.?????? 汪懋华.“精细农业”发展与工程科技创新. 农业工程学报, Vol.15, No.1, 1999.3 4.?????? 汪懋华.“精细农作”技术发展与农业装备技术创新系列讲座(1 - 11 ). 农业机械，1999, No.2-12. 5.???????? Hermann H.Speckmann and Gerhard Jahns. Development and application of an agricultural BUS for data transfer. Computers and electronics in agriculture, Vol.23, No.3, pp.219-237, Elsevier. Sept. 1999. 6.???????? Peter Jurschik and Ray Hoemsen. Precision Farming: Some European and Western Canadian Prospectives. 1999 ASAE/CSAE North-Central Sectional Meeting, International Inn, Winnipeg, Manitoba, Sept. 24-2,1999. (本章作者汪懋华)