12数字地球(2009)

18.1数字地球的核心技术8.2数字地球的前沿技术8.3数字地球的应用示范工程第八章数字地球的核心技术及示范工程√28.3数字地球的应用示范工程•数字农业•数字交通•数字城市•数字流域3√数字农业①数字农业的提出②数字农业的技术思想③数字农业的关键技术④数字农业的建设内容⑤数字农业的发展现状4①数字农业的概念与提出•数字农业，又称“智能农业”（IntelligenceAgriculture）、精细农业（PrecisionAgriculture或PrecisionFarming）或信息农业（InformationAgriculture）是20世纪80年代末由美国、加拿大的一些农业科研部门提出的。•美国1997年发表了“PrecisionAgricultureinthe21stCentury－GeospatialandInformationTechnologiesinCropManagement”研究专著，阐明了“精细农业”的技术体系。5数字农业科技行动•“数字农业科技行动”，是科技部在已有863计划、973计划和攻关计划的基础上，继续加大对以“数字农业”为主要内容的农业信息技术研究的投入，这一行动将以“精准农业”、“虚拟农业”、“智能农业”和“网络农业”等内容为切入点。•“数字农业”作为国民经济和社会信息化以及“数字地球”的重要内容，将是21世纪农业的重要标志。6◇“精细农业是使用信息技术，收集多种资源的数据，产生相关的作物生产决策的经营管理策略。”（美国国家研究委员会，1997）◇“精细农业是将遥感、地理信息系统、全球定位系统、计算机技术、通讯和网络技术，自动化技术等高科技与地理学、农业生态学、植物生理学、土壤学等基础学科有机地结合起来，实现信息化的现代农业。（我国李德仁院士）数字农业的定义7◇“精细农业”基于土壤精细管理的概念，是在田间按照具体小区的情况调整管理措施，以提高产量、减少环境危害的农业生产方式。◇“精细农业”是利用3S空间信息技术和作物生产管理决策支持技术(DSS)为基础的面向大田农作物生产的农作技术体系。◇“精细农业”是基于不同尺度的环境及生物生长信息采集、传递、反馈，包括大尺度下的基于3S技术的信息和基于生物生产认知水平的全过程精细判别以及基于智能化生产设备的准确控制，实现高效率、高收益、低环境危害的可持续农业生产模式。数字农业的定义8②数字农业的技术思想•技术思想的核心，是获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素（如土壤结构、地形、植物营养、含水量、病虫草害等）实际存在的空间和时间差异性信息，分析影响小区产量差异的原因，采取技术上可行、经济上有效的调控措施，区别对待，按需实施定位调控的“处方农作”。9数字农业技术思想10数字农业技术体系11数字农业的特点•合理施用化肥，降低生产成本，减少环源污染。•减少和节约水资源。•节本增效，省工省时，优质高产。•农作物的物质营养得到合理利用，保证了农产品的产量和质量。12•全球定位系统（GPS）•地理信息系统（GIS）•遥感（RemoteSensing—RS）•作物生产管理决策支持系统（DSS-DecisionSupportSystem）•收获机械产量计量与产量分布图生成技术•农田信息采集与处理技术•智能化变量农作机械③数字农业的关键技术13全球定位系统（GPS）•用于绘制农田边界和产量分布图，农田管理调查、土壤采样等；•用于农业机械田间作业和管理的导航，引导农业机械定位变量投入；•准确指示农业机械所在位置坐标，使操作人员可以按计算机上GIS操作指示定点作业，并精准地绘制产量图。14地理信息系统（GIS）•用于建立农田土地管理、土壤数据、自然条件、生产条件、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。15遥感技术(RS)•RS是未来“数字农业”技术体系中获得田间数据的重要来源。•RS时间序列图象，可提供农田作物生长的空间变异性的消息，显示出由于农田土地和作物特性的空间反射光谱变异性。在某一季节中不同的时间采集图象，可用于确定作物生长的速率和条件的变化。•RS应用于资源调查与监测、大面积的作物产量预测、农业灾害预报等。16作物生产管理决策支持系统•DSS根据作物生长、作物栽培、经济分析、空间分析、时间序列分析、统计分析、趋势分析以及预测分析等模型，综合土壤、气候、资源、农用物资及作物生长有关的数据进行决策，结合农业专家知识，对不同的决策目标分别给出最优方案，用以指导田间操作。17产量计量与产量分布图生成技术•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。18带有产量传感器的收割机及其生成产量图19农田信息采集与处理技术•利用采集到的作物生长条件的差异信息，来分析产量分布图显示的空间差异性的原因，以便制定有关耕作、施肥、植保、灌溉等等分布式定位处方决策。20智能化变量农作机械•智能化变量农业机械是实践精细农业的标志。•迄今国外商品化的支持精细农业实践的若干种变量农业机械己在生产和使用，其中较成功和效益较好的有施肥、喷药、播种和灌溉等农业机械。•变量施肥机可以根据事先绘制的施肥处方图，对地块中的肥料撒施量进行定位定量控制调整。21“数字农业”平台建设“数字农业”平台建设的重点是从“三个平台”入手。“三个平台”是指空间数据平台、网络基础设施平台和应用服务平台。“数字农业”平台的“四项工程”，即：①信息标准化制定；②数据库建设；③应用系统建设；④数据的更新和维护。22数字农业平台建设总体思想框架菜办水产办畜牧办农机办生产产地加工企业数字农业综合决策指挥系统数据标准人才培养数字农业基础数据平台（地理）数字农业信息基础设施平台（网络）政策法规农业信息库（专家系统）流通部门研究所…………政府部门涉农研究部门生产加工部门“数字农业”平台建设总体框架23④数字农业的建设内容基础数据库建设监测系统建设预测预报系统建设遥控系统建设农业调控与指挥系统24√基础数据库建设•基础地理数据•土地与土壤数据•气候要素数据•作物相关历史数据•历年农业管理措施及效果评估25√监测系统建设•遥感卫星技术对土地、土壤，及农作物的耕作与长势进行定期的监测。•运用各种传感技术对土壤的温度、湿度等进行监测，传感所得数据用网络进行传输。26√预测预报系统建设•天气灾害预报•病虫害监测及预测•农作物产量预测27√遥控系统建设（网络化与智能化）•农业机械遥控系统•农业自动灌溉、喷药遥控系统28•农业辅助决策根据相关分析结果，提出农作物品种的选择、肥料配方、农药选择与配方，确保土壤不污染的措施选择。•农业调控系统根据辅助决策方案，在自动调控系统的协助下完成各种农业操作过程。农业调控与指挥系统29⑤数字农业的发展现状AFS（AdvancedFarmingSystem）—凯斯先进农作系统。FieldStar—AGCO农田之星系统。GreenStar—JohnDeere绿色之星系统。国内数字农业的发展。30AFS——凯斯先进农作系统•AFS是美国CaseIH公司开发的一个支持精细农业技术的先进农业管理系统。AFS的宗旨是挖掘农作物产量潜力，提高生产收益。•AFS提出了全新的作物生产方式，实现了工程技术和农艺技术的结合，技术开发与技术应用的结合，将收集到的大量数据转换成决策信息，实现了作物生长全过程的数据收集、分析和决策的循环。31AFS包括六个阶段：规划（Planning）整地（Preparing）播种（Planting）栽培管理(Growing)植保（Protecting）收获。32•AFS软件•凯斯AFS（AdvancedFarmingSystems）系统软件是一个典型的精准农业地理信息系统（GIS）应用软件，它适用于所有CaseIH公司的精准农业装备，如收获机、播种机、喷药机等。目前该软件最高的版本为5.02.0000。33•使用AFS可以显示分析凯斯联合收割机在田间收获监测得到存入数据卡中的信息。绘出田间收获产量图、水分图和大地高程图，还可绘制出收获机的生产率图，能很方便地显示统计分析田间农作物收获的地理信息。产量图水分图34•使用AFS软件可建立地块边界图，土壤取样图，土壤养分图。35•使用AFS软件可建立导航图，变量施肥播种、变量喷药的处方图，生成作业记录图。处方图记录图36AFS软件使用分析•AFS软件可以输入和输出Shape,ASCIItext,GeoTIFF文件,bitmap,JPEG,andTIFF图像文件。兼容性好，数据共享性好。37•AFS软件中，田间GPS定位信息采用度的形式。数据在导入到系统中进行图形显示时，进行了UTM投影变换，使图像不失真，便于距离、面积的量算。UTM投影变换后坐标值仍然变换为经度、纬度值，方便用户使用。WGS84UTMzone53NLat:46.71337Lon:132.06397438•AFS软件在进行产量图等高面生成中采用的是距离反比的插值方法。在进行数据稀少（少于500点）的如土壤养分图等高面生成中可选用kriging的插值方法，使插值更接近于土壤养分分布的实际情况。kriging的插值方法得到的土壤钾分布图。39•AFS软件在生成图例时可选择分级数，可按照等点、等距、标准差等设置分级。可进行颜色的设置。40•AFS软件采用树的形式进行管理，结构清晰，方便使用，人机交互界面友好。后台数据库采用Access数据库，通用性好。41FieldStar—AGCO农田之星系统•Fieldstar是英国MasseyFerguson公司研制开发的支持精细农业技术体系的一个农田信息管理系统。它利用先进的传感技术和GPS技术自动记录产量和其他有关数据，自动控制和优化实施播种、施肥和喷药作业。42•三个循环部分：•记录数据•数据分析和制定处方•机械控制和处方实施。43GreenStar绿色之星系统•GreenStar是美国JohnDeree公司研制开发的支持精细农业技术体系的一个农业管理系统。它能够“按需投入”实施农田作业，即在农田低产区避免过多的投入，而在高产区满足作物需求，以提高经济效益和环境效益为目的管理好作物生产。44•GreenStar分四个部分，即精细农作、•农机管理•计划管理•农艺管理。45国内数字农业的发展华南农业大学引进了一台带DGPS和FieldStar农田之星的MasseyFegurson拖拉机，着手开展引进技术的试验研究。中国农业大学1998年正式建立了我国第一个“精细农业”研究中心。1999年,国家农业信息化工程技术研究中心承担了“数字农业——精准农业生产平台技术研究与应用”项目，初期投资5200多万元。“北京精准农业示范工程”项目，以种植大田作物为主，展示以3S、DSS、传感技术、农业机械变量控制技术为代表的现代高新技术的应用。46863计划数字农业专项•863计划数字农业专项精准农业生产技术系统取得了重要进展，实现了从信息采集、信息处理到精准实施三大环节的业务化运行，初步构建了适合我国国情的精准农业高效节约生产技术体系。•构建了基于遥感和土壤养分的精准施肥模型，精准农业变量处方生成系统，研制了系列精准变量作业的旋耕施肥机、变量播种机、变量复合施肥机、变量喷药机等智能农机具。47智能变量复合机•智能变量播种、施肥、旋耕复合机，能够用电子信息技术对农田土壤状况进行科学分析，然后根据数据分析结果科学地进行精准变量施肥、播种，能够大大节省种子化肥的用量，减少农业投入，这样不仅可以增加种植效益，而且有利于保护生态环境。48京郊日光温室智能化精准技术集成示范区•国家农业信息化工程技术研究中心的科技人员集成利用了农业生产管理决策系统、温室安全生产监控系统、臭氧消毒系统、精准变量施肥系统等多种数字农业新技术。•具备语音型温室环境信息采集及大屏幕展示系统，通过室内传感器‘捕捉’各项数据，经