農業機械中的“3S”集成控制模式與優勢特征

(黑龍江省農業機械工程科學研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

精準農業是通過自動化技術與“3S”技術的綜合應用,“3S”技術(簡稱3S)是遙感技術(RS)、全球定位技術(GPS)和地理信息技術(GIS)的集成,以實現對農業目標生產要素的獲取、存貯、管理、更新、分析和應用[1]。RS是利用遙感系統獲取目標作物不同形式的數據信息,并對作物生長全部過程進行探測與監管;GPS是利用全球衛星導航系統全方位、全時段、高精度提供目標作物空間位置、速度的導航信息,并隨著目標作物生長環境變化,實時更新數據信息;GIS是利用計算機系統的處理能力科學管理和綜合分析目標作物的相關地理數據,并在計算機硬件與軟件協同作用下對目標作物進行規劃、管理、決策、分析與應用[2]。通過自動化技術融合“3S”技術科學且合理研究與應用,對我國傳統粗放型農業向現代精準化農業轉變具有重要的影響[3]。

1 “3S”技術在農業機械中的應用

在農業機械中應用“3S”技術對目標作物進行集成管理,獲取目標作物各種差異性數據信息(環境溫度與濕度、土壤結構與含水量、作物生長情況與病蟲害等),分析目標差異原因,結合最優處方圖數據,采取“因地制宜”對目標作物管理、決策與應用,實現高質量、高產量、低消耗的可持續農業生產。

1.1 在遙感技術方面

基于多波段的反射光譜數據,遙感系統實時采集農作物生長狀態與系統分析農作物發展趨勢,幫助農業生產者及時準確地了解農田、土壤、作物和環境的發展變化,保證農業機械精準作業,從而實現了在農作物長勢監測及產量估算、農作物播種情況監測及估算、農作物災害預警及監測等方面的廣泛應用。

1.2 在全球定位技術方面

基于差分校正全球衛星定位技術,全球定位系統“點對點”地精準采集農作物的三維位置、三維速度和時間信息等,保證農作物目標精準定位及農業機械田間作業自適應導航與準確測量,從而實現了在田間地質情況測繪、農作物土壤分布調查、農作物精準施肥灌溉植保等方面的廣泛應用。

1.3 在地理信息技術方面

基于不同類型農田及作物的空間數據采集、原因狀況分析、趨勢邏輯推理等,通過地理信息系統能有效掌握與及時了解農作物的實際生產情況,結合生長農作物的環境對相關數據信息進行優化與整理,保證農業機械精準作業,從而實現在農業空間數據管理、農業專題地圖分析、農業相關數據共享等廣泛應用[4-5]。

2 農業機械中“3S”集成控制模式

農業機械“3S”技術主要是選用RS、GPS、GIS中兩者或三者組合而成的集成控制模式,如圖1所示,地理信息系統GIS相當于農業機械中控制系統的處理單元,對農作物及農業機械采集信息進行系統分析和數據管理,遙感系統RS和全球定位系統GPS相當于農業機械中控制系統的數據采集單元,對農作物及農業機械采集信息進行數據獲取和空間定位,“3S”集成控制模式實時動態地對農作物及工作農業機械觀測、分析和應用[6-7]。

圖1 農機“3S”集成控制示意圖

農業機械中“3S”集成控制模式主要為RS與GPS集成,GPS與GIS集成,GIS與RS集成,RS、GPS與GIS集成的四種控制模式,其中,RS與GPS集成主要是利用全球定位系統GPS精確定位目標作物及農業機械實時位置,改善遙感系統RS 定位精度低、識別速度慢的問題,通過RS與GPS集成同步與非同步切換工作,實現不同種類的空間數據綜合處理、動態存儲和集成管理的智慧農業管理模式。

RS與GIS集成是“3S”集成控制核心組合模式,遙感系統RS將為“3S”集成控制系統提供穩定且可靠的原始數據,結合地理信息系統GIS,主要功能模塊如圖2所示,空間數據資源與綜合分析能力,完成多種農情數據動態管理與不同農機信息在線決策,通過RS與GIS集成控制集成不同處理平臺,采集多種信息數據,實時在線通訊、在線分析及在線處理等。

圖2 GIS系統主要功能框圖

GPS與GIS集成主要是基于全球定位系統GPS實時定位功能,地理信息系統GIS實時處理多種組合空間信息,提供農機作業區域的農作物及農業機械的靜態相對位置坐標,實時反饋到全球定位系統GPS的電子地圖上,保證“3S”集成控制系統實時、準確、形象地獲取相關數據信息,并及時采集、更新和修正相關數據。

RS、GPS與GIS有機統一、優勢互補地集成控制模式,通過對農業機械數據進行準確定位、快速獲取、動態更新,可提供多種農業生產、不同農業作業模式等的現場數據查詢與科學分析判斷,實現實時、準確、在線、高精度、高可靠、可持續的農業機械智能化控制,從而為各種實際應用中的復雜農業問題提供科學依據與解決方法。

3 農業機械中“3S”集成控制優勢特征

3.1 農業生產的高質量

農業機械中“3S”集成控制的應用有利于農業機械使用、維護和調整,改變傳統農機具單一的使用模式,依靠“3S”集成控制系統,傳統的農業機械與現代“大數據、物聯網”技術形成一個有機整體,使農業機械在實際農業生產過程中利用系統實時采集準確動態數據,科學自主調整執行機構的作業狀態,有效改善傳統農業生產過程中“過去時與現在時”嚴重脫節不合理問題。同時,在“3S”集成控制協作下,集成控制系統對對應的農業機械的工作狀態進行實時反饋與性能監控,及時發現農業機械與工作環境存在的問題,實施降速工作或停機保修,最大程度上保證農業機械的平穩運行與作業效能,從而,有助于保證農業生產質量,促進農業機械化高質量生產。

3.2 農業生產的高精度

農業機械中“3S”集成控制的應用有利于智能化農機發展,農業管理和農戶通過海量的數據庫資源與高效率信息處理模式,智能農機系統利用相關動態數據信息進行科學判斷與智能決策,依據實時采集的動態數據,更新相關農業信息,不斷調整農業作業流程,改變傳統農業生產依靠“農民經驗”判斷不全面的問題。同時,在“3S”集成控制協作下,農業機械的控制系統通過多種傳感器(溫度、濕度、速度、位置傳感器)采集相關農情數據的基礎上,反饋農業機械及相應執行機構的工作狀態,并實時調整農業機械及相應執行機構的設定參數與工作流程,改善傳統農業機械及相應執行機構響應性能,避免農業生產過程中,農業機械“漏、重、錯、過”的不合理問題,從而,有助于保證農業生產精準性,促進農業機械化“高精度”作業。

3.3 農業生產的高效率

農業機械中“3S”集成控制的應用有利于農業機械高質量、高精度智能化發展,也有利于降低傳統農業生產(播種、植保、收獲)的生產成本,減少農業植保(灌溉、施肥、噴藥)的化肥、農藥等用量。在“3S”集成控制協作下,集成控制系統降低農業機械故障率,避免農業生產過程中因維修耽誤農時的問題,提高農業機械有效利用率。同時,隨著“3S”集成控制與人工智能技術融合應用的不斷進步,現代化農業生產過程對于傳統人工需求不斷減少,在降低農業用工成本的基礎上,大幅度改善農業精細化作業水平,保證農業生產產品質量,有助于提高農業生產作業效率,促進農業機械化“高效率”作業。

3.4 農業生產的高可靠性

農業機械中“3S”集成控制的應用有利于農業機械利用控制系統中的大量的檢測元件完成目標農業作業對象的狀態監測、數據收集及信息處理等的“自主”工作,還可以利用大量檢測元件組合傳感器對農業機械的傳動機構運轉狀態、農業機械行駛狀況、周圍農業生產環境等信息進行動態的數據采集,并根據農業機械“實際狀態”與“標準狀態”進行對比,第一時間發現農業機械及農業生產的問題,實時進行農業機械狀態的動態預警、及時修正、實時調整及故障反饋與快速維修,確保農業機械及農業生產始終處于正常、正確、規范運行狀態,有助于保證農業生產穩定,促進農業機械化“高可靠性”作業[8]。

4 結論

隨著我國的社會發展與科技進步,傳統農業正面臨著巨大挑戰,通過“3S”技術中的RS、GPS和GIS 3大技術在農業機械中的應用討論,深入地分析了農業機械中RS與GPS集成,GPS與GIS集成,GIS與RS集成,RS、GPS與GIS集成的控制模式,探析了農業機械中“3S”集成農業生產的高質量、高精度、高效率、高可靠性的主要優勢特征,為實現我國傳統農業向高質、高產、低耗、可持續的現代化精準農業轉變提供參考。