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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GPS采集、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)和遙感技術(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，Global Positioning System)是由地球?qū)Ш叫l(wèi)星、地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶GPS接收機等3個主要部分組成�，F(xiàn)在最常用的是美國GPs系統(tǒng)，它包括在離地球約20 O00km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GPS接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)(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主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主要應(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定位數(shù)據(jù))；三是遙感信息GPS定位(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存在較大的誤差，所以差分GPS(即DGPS)越來越受到人們的重視。DGPS可以消除衛(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，Remote Sensing)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3．1 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)工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，特別是對于使用套管的FDR測量；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1 200，l 450，1 940和2 950nm，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�，F(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400～1 900nm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，其相關(guān)系數(shù)從0．19變化到0．87 ；李民贊研究了基于可見光光譜分析的土壤參數(shù)分析，在1 1O0， 1 350，1 398，2 210nm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)作物長勢的動態(tài)監(jiān)測可以及時了解農(nóng)作物的生長狀況、土壤墑情、肥力及植物營養(yǎng)狀況，以便及時采取各種管理措施，保證農(nóng)作物的正常生長。同時，可以及時掌握大風或降水等天氣現(xiàn)象對農(nóng)作物生長的影響，監(jiān)測自然災(zāi)害或病蟲害對作物產(chǎn)量造成的損失等，為農(nóng)業(yè)政策的制訂和糧食貿(mào)易提供決策依據(jù)。
應(yīng)用遙感技術(shù)可對大面積農(nóng)作物的長勢進行監(jiān)測，其基本方法是利用覆蓋周期短而面積大的NOAA衛(wèi)星資料，對地面植被吸收的光譜信息和地面實際情況進行分析，并結(jié)合常規(guī)的方法和資料，建立作物監(jiān)測模式，用以監(jiān)測作物長勢，發(fā)布苗情監(jiān)測通報，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)¨ 。國際上，關(guān)于農(nóng)作物生長狀況遙感監(jiān)測與估產(chǎn)有3個標志性的實驗計劃，即美國的LACIE計劃、A—GRISTARS計劃和歐盟的MARS計劃。1974—1977年，美國農(nóng)業(yè)部(USDA)、國家海洋大氣管理局(NOAA)、美國宇航局(NASA)和商業(yè)部合作主持了“大面積農(nóng)作物估產(chǎn)實驗”，主要品種是小麥，地區(qū)范圍是美國、加拿大和前蘇聯(lián)。1980—1986年，執(zhí)行LACIE計劃的幾個部門又合作開展了“農(nóng)業(yè)和資源的空間遙感調(diào)查計劃”，其中包括世界多種農(nóng)作物長勢評估和產(chǎn)量預(yù)報。歐盟所屬的聯(lián)合研究中心遙感應(yīng)用研究所通過實施“遙感農(nóng)業(yè)監(jiān)測”項目，即MARS計劃，也成功地建成了歐盟區(qū)的農(nóng)作物估產(chǎn)系統(tǒng)，并將結(jié)果應(yīng)用于諸如農(nóng)業(yè)補貼與農(nóng)民申報核查等歐盟的共同農(nóng)業(yè)政策。在農(nóng)作物長勢監(jiān)測的方法上，國外科學(xué)家主要圍繞適合大面積監(jiān)測的NOAA—AVHRR的應(yīng)用進行了多方面的探索，取得了許多突破進展¨卜”J。我國利用氣象衛(wèi)星監(jiān)測作物生長狀況的研究始于20世紀80年代中期，并應(yīng)用氣象衛(wèi)星對農(nóng)作物長勢進行宏觀監(jiān)測的理論和方法進行了研究 。
3．2．1 作物根系信息監(jiān)測技術(shù)作物根系信息基本上是通過圖像識別的方法來得到的。例如加拿大產(chǎn)的ET一100根系生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，運用透明管材埋設(shè)在需要研究的根系周圍，使用特殊圖像捕捉系統(tǒng)對根系照相，然后借助專業(yè)根系分析系統(tǒng)對混合圖像進行分析，從而跟蹤了解其生長過程。
這種方法可以非破壞性地動態(tài)追蹤分析根系形態(tài)因子，根系相關(guān)數(shù)據(jù)能夠定量化，還可以根據(jù)用戶需求監(jiān)測土壤水分狀況，從而研究根系所在區(qū)域內(nèi)溶質(zhì)運移及水分脅迫所引起的生理變化。該方法已廣泛應(yīng)用于園藝植物培養(yǎng)和作物生長模型研究等領(lǐng)域。
3．2．2 光合作用測定技術(shù)光合作用測定的一個例子是用葉室內(nèi)裝備最新的小型紅外氣體分析傳感器(IRGA)，測量溫度和光合有效輻射(PAR)的傳感器接收信號，再用便攜式微處理器控制葉室內(nèi)的二氧化碳和水蒸汽濃度，并測量二氧化碳和水蒸汽交換。CIRAS一1植物光合測定儀根據(jù)精密測量葉片表面CO 濃度及水分的變化情況，來考察葉片與植物光合作用相關(guān)的參數(shù)，用以測量植物葉片的光合速率、蒸騰速率和氣孑L導(dǎo)度等與植物光合作用相關(guān)的參數(shù)。
3．3 作物營養(yǎng)監(jiān)測技術(shù)葉綠素是吸收光能的物質(zhì)，對作物的光能利用有直接影響。葉綠素含量和作物的光合能力、發(fā)育階段以及氮素狀況有較好的相關(guān)性。由于葉綠素之間的含氮量和葉變化趨勢相似，通常認為可以通過測定葉綠素來監(jiān)測植株氮素營養(yǎng)。
葉綠素的常規(guī)測定使用分光光度計法，因為這種方法要進行組織提取和分光光度計的測定，所以既耗時間又對植被造成損傷。另外，從大田到實驗室的運輸和樣本制備過程中很可能損失葉綠素，進而導(dǎo)致葉綠素含量發(fā)生變化 。
目前，應(yīng)用較多的是一種日本生產(chǎn)的SPAD一502葉綠素儀。這種葉綠素儀的工作原理是采用兩個不同波長的光源分別照射植物葉片表面，通過比較穿過葉片的透射光光密度差異而得出SPAD值。因此，SPAD值是一個無量綱的比值，與葉片中的葉綠素含量成正相關(guān)。在葉綠素儀應(yīng)用的研究中，各研究者所采用的測定部位都大體相同，即作物生長前期取新展開的第一片完全展開葉作為測定部位，生長后期則取功能葉(小麥取旗葉和玉米取穗位葉)作為測定部位。
葉綠素儀在玉米株與株之間的測定值可能會相差15％ ，在同一片葉上不同位置的測定值也不同。一般認為，距離葉基部55％ 處的SPAD測定值較大，且偏差較小，是合適的測試位點。
便攜式高光譜儀是一種非損傷性測定葉綠素的方法，它通過測定綠色植物葉片的反射率、透射率和吸收率來測定葉綠素含量，這決定了高光譜技術(shù)在植被葉綠素含量評價研究中具有不可替代的作用。國內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)對作物氮元素的高光譜及光譜測量進行了研究，并且各種反射率比值及植被指數(shù)用于監(jiān)測植物的氮素虧缺 1卜 。王人潮等利用葉綠素計和高光譜快速測定了大麥的營養(yǎng)狀況，結(jié)果表明，可以通過光譜法來測定大麥的氮素水平¨ ；IJi等應(yīng)用反射光譜檢測了茶葉的葉綠素含量 ；方慧等應(yīng)用光譜技術(shù)檢測了油菜葉片中葉綠素含量¨ 。光譜監(jiān)測提供了一種自動、快速和非損傷性的植物營養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測方法，并且田問不同處理之間的冠層光譜差異為高光譜和多光譜遙感大面積監(jiān)測氮素營養(yǎng)提供了可行性。
3．4 作物冠層多光譜監(jiān)測技術(shù)植物冠層光譜特性是植物光譜特性與背景土壤光譜特性的綜合。隨著植物冠層的發(fā)育，土壤光譜特性的作用逐漸下降；在植物衰老時，土壤背景的作用又逐漸增大。一般葉面積指數(shù)(LAI)達到3左右時，冠層在可見光和中紅外波段的光譜反射率基本穩(wěn)定；而在近紅外波段，LAI達到5～6時，光譜反射率才能飽和。冠層光譜反射率還受太陽光入射角、雙向反射、氣溶膠和風速等諸多外部因素的影響。由于植物營養(yǎng)狀況能影響葉面積、冠層形態(tài)和內(nèi)在生理特征，而且不同營養(yǎng)元素的影響程度也不同，因此利用冠層光譜分析可以診斷植物營養(yǎng)狀況�，F(xiàn)代”精細農(nóng)業(yè)”的一個非常重要的技術(shù)手段，就是利用遙感技術(shù)監(jiān)測作物的營養(yǎng)狀況與長勢。與葉片光譜特性一樣，氮素營養(yǎng)對冠層光譜特性影響的研究最為系統(tǒng)和深入。
隨著氮素營養(yǎng)水平的提高，光譜反射率在可見光和中紅外波段降低，而在近紅外波段卻增加。診斷水稻冠層氮素營養(yǎng)水平的敏感波段為760～900 nm，630～ 690 nm和520～550 nm。不同氮素營養(yǎng)水平下的冠層光譜反射率存在著明顯差異，經(jīng)植被指數(shù)轉(zhuǎn)換后差異更為顯著與穩(wěn)定。因此，利用冠層光譜測試可以區(qū)分作物的氮素營養(yǎng)水平。
植物中磷鉀營養(yǎng)水平與冠層光譜特性的關(guān)系研究較少見�？偟膩碚f，磷鉀對光譜特性的影響不如氮明顯。在水培和砂培條件下，不同磷鉀水平的植物冠層光譜反射率存在顯著差異，磷鉀營養(yǎng)對冠層光譜特性的影響與氮的影響相似。隨著磷鉀營養(yǎng)水平的提高，可見光波段的光譜反射率下降，而在近紅外波段卻有明顯增加。利用光譜分析，可區(qū)分3～5級的磷鉀營養(yǎng)水平。在田間條件下，由于磷鉀的缺乏不嚴重，有時結(jié)果不太一致。
還未見報導(dǎo)。由于它們對葉面積、生物量以及葉片葉綠素等生理生化性質(zhì)的影響與大量元素具有相似性，預(yù)計中量及微量元素對冠層光譜特征的影響也具有相似性，但影響程度將會差異較大。
目前，在國外應(yīng)用的一種田間便攜式分光儀可以方便地檢測作物的冠層反射系數(shù)。用數(shù)學(xué)方法將幾個波長下得到的反射系數(shù)進行合并就可以得到作物的“光譜系數(shù)”，或稱之為探測值。經(jīng)過優(yōu)化的光譜系數(shù)在作物的拔節(jié)期和抽穗期與作物的供氮狀況密切相關(guān)。利用這種分光儀探測原理，并加以改進而研制的拖拉機機載探測施肥系統(tǒng)已經(jīng)很成熟。它通過探測系統(tǒng)將作物冠層信息輸入計算機，經(jīng)處理得出作物的需肥情況，計算機通過協(xié)調(diào)拖拉機步進速度和DGPS(差分GPS)數(shù)據(jù)，在考慮探測器間距離和施肥區(qū)范圍基礎(chǔ)上控制施肥操作。
作物冠層反射和土壤背景輻射在紅外膠片上為不同的輻射顯影。照片經(jīng)計算機處理后，每個像素的色度變化都可以表示出作物反射光線的情況，而作物反射光線特性的變化正是作物營養(yǎng)變化，特別是氮營養(yǎng)狀況發(fā)生變化的結(jié)果。這樣分析作物冠層照片就可以準確地分析作物的氮營養(yǎng)狀況。Hansen等用高光譜反射分別對小麥的冠層生物量和氮含量進行了研究 ；Daughtry等通過葉片和冠層反射率來預(yù)測玉米葉片的葉綠素含量 ；馮雷等應(yīng)用多光譜技術(shù)檢測了油菜葉片中葉綠素含量 J。
3．5 作物病蟲害診斷及雜草識別技術(shù)病蟲害是影響農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)提高的重要因子，及時、準確與有效地檢測病蟲害的發(fā)生時間和發(fā)生程度是采取治理措施的基礎(chǔ)。
目前，用雷達監(jiān)測飛性昆蟲、孢子捕捉器監(jiān)測一些作物病原菌、性信息素誘芯或誘餌監(jiān)測田間鱗翅目害蟲以及燈光誘集飛行趨光性昆蟲等，都是利用有害生物的習(xí)性開發(fā)出的相對省工和省時的監(jiān)測手段。
隨著遙感和高光譜技術(shù)的廣泛應(yīng)用，用光譜和遙感技術(shù)來監(jiān)測作物病蟲害的研究也取得了一定的進展。
北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心采用高光譜遙感監(jiān)測小麥條銹病、粉病和蚜蟲，以達到大面積、快速、無破壞的病蟲害監(jiān)測和預(yù)測預(yù)報的目的。美國利用衛(wèi)星遙感圖片分析監(jiān)測森林舞毒蛾擴散及危害程度，監(jiān)測草地蝗蟲危害等。中國科學(xué)院利用綜合航空多光譜數(shù)字相機成像系統(tǒng)，監(jiān)測蝗蟲及主要棉花害蟲。中科院還利用TM圖像遙感監(jiān)測東亞飛蝗的棲息地蘆葦?shù)闹脖恢笖?shù)和監(jiān)測蝗災(zāi)的動態(tài)變化。北京農(nóng)林科學(xué)院利用TM衛(wèi)星圖片監(jiān)測麥蚜對冬小麥的危害。吳迪等應(yīng)用光譜和多光譜技術(shù)對茄子和番茄的灰霉病進行了早期診斷識別 -27]。
隨著人們環(huán)境保護意識的提高和對農(nóng)藥殘留物的重視，對田間雜草清除的研究也逐漸受到許多學(xué)者的重視。雜草一作物區(qū)分的研究可分為3種：一是人工區(qū)分；二是航空遙感技術(shù)；三是光學(xué)傳感器。人工區(qū)分目前是區(qū)分作物和土壤背景的最佳方法，但既費時又費力；航空圖片雖然可以在短時間內(nèi)獲得作物大范圍的圖像，但是研究表明雜草密度對圖像的可視性有嚴重的影響 ；基于地面多光譜傳感器的研究使得對單種作物一雜草的研究有了進一步的進展 。。。
Borregaard等研究表明，雜草與作物在幾何特征和紋理特征方面的區(qū)分率可以達到91％l3 。朱登勝等應(yīng)用光譜技術(shù)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型使作物與雜草的識別率達到100％。
4 結(jié)術(shù)語田間信息采集技術(shù)的研究是實現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵，而數(shù)字農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展主要依賴于計算機技術(shù)、電子技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、遙感技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展。發(fā)達國家以此技術(shù)為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)機械已得到了廣泛的應(yīng)用，為我國農(nóng)業(yè)機械現(xiàn)代化進程與農(nóng)業(yè)高新技術(shù)的發(fā)展提供了可借鑒的思路和經(jīng)驗。數(shù)字農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)在我國尚處于起步階段，近幾年內(nèi)的研究也取得了進展。在田間信息采集技術(shù)的研究上，應(yīng)以近中紅外分析技術(shù)和遙感技術(shù)相結(jié)合的方法為重點，并加快研究步伐，從而為我國農(nóng)業(yè)數(shù)字化進程提供技術(shù)支撐和裝備。
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