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一、前言
“3S”技術是以遙感技術(RS)、地理信息系統(GlS)、全球定位系統(GPS)為基礎,將RS、GlS、GPS三種獨立技術領域中的有關部分與其它高技術領域(如網絡技術、通訊技術等)有機地構成一個整體而形成的一項新的綜合技術。它集信息獲取、信息處理、信息應用于一身,突出表現在信息獲取與處理的高速、實時與應用的高精度、可定量化方面。
在信息社會,精準農業代表著農業發展的方向,精準農業的誕生和發展受到3S單項技術的推動,目前國內外關于精準農業的研究,主要內容仍然集中在3S技術利用上。
近年來,隨著電子計算機技術、無線電通訊技術、空間技術及地球科學的迅猛發展,3S技術已從各自獨立發展進入相互融合、共同發展的階段,并且在農業生命科學、交通網絡、環境監測、資源調查、區域管理、城市規劃等諸多領域里得到了迅速廣泛的應用。3S技術的集成為精準農業的發展提供了科學而適用的技術方法和手段,它不僅可為精準農業工作提供及時、可靠的基礎信息,而且還可對所獲取的信息進行綜合分析、處理,其應用前
景非常廣闊。
二、3S技術及其集成
(一)遙感技術(RS)
遙感(Remote Sensing,RS)是指從遠距離高空以及外層空間的各種平臺上利用可見光、紅外光、微波等電磁波探測儀器,通過攝影、掃描及信息感應、傳輸、處理,從而研究地面物體的形狀、大小、位置及其環境的相互關系的現代科學技術。現代遙感技術將向集多種傳感器、多級分辨率、多光譜段和多時相為一體的方向發展,并將與GPS、INS、CCD等技術結合,從而以更快的速度、更高的精度和更大的信息量來獲取對地觀測數據。
(二)全球定位系統(GPS)
全球定位系統(Global Positioning System,GPS)是美軍自70年代初期開始研制的新一代衛星導航和定位系統。
其基本工作原理是通過GPS接收機接收GPS衛星發射的導航電文,獲得必要的導航信息及觀測量,再經數據處理,從而完成導航和定位工作。目前,GPS可滿足高精度實時數據采集的精度要求。
(三)地理信息系統(GIS)
地理信息系統(Geographic Information System,GIS)是處理地理數據的輸入、輸出、管理、查詢、分析和輔助決策的計算機系統。GIS有兩個顯著特征:一是它不僅可以像傳統的數據庫管理系統(DBMS)那樣管理數字和文字信息(屬性信息),而且可以管理空間信息(圖形信息);二是它可以利用各種空間分析的方法,對多種不同的信息進行綜合分析,尋求空間實體間的相互關系,分析和處理在一定區域內分布的現象和過程。
目前,GIS正向多功能、高精度、現勢性強的時態GIS(TemporalGIS,TGIS)方向發展。
(四)RS、GPS、GIS技術集成
GPS提供適時而準確的定位信息,對于空間數據的確定有特殊的意義;RS技術利用某些儀器設備在不與被研究對象直接接觸的情況下收集數據,通過處理分析最后提取和應用有關對象信息,是一種高效的信息采集手段,具有極高的空間、時間分辨率;GIS是利用現代計算機圖形和數據庫技術來輸入、存儲、編輯、查詢、分析、決策和輸出空間圖形及屬性數據的計算機系統,即RS發現變化、GPS測量變化區域、GIS統一管理數據,形成“一個大腦,兩只眼睛”的框架。
以GIS為核心的3S技術集成,構成了對空間數據適時進行采集、更新、處理、分析及為各種實際應用提供科學決策的強大技術體系。
三、精準農業及其產生背景和國內外發展現狀
(一)精準農業的概念
“精準農業”也被稱為因地制宜農業(Site Specific Farming)、處方農業(Prescription Farming)。精準農業的含義是按照田間每一操作單元的環境條件和作物產量的時空間差異性(Temporal and Spatial Variability),精細準確地調整各種農藝措施,最大限度地優化各種投入(水、肥、種子、農藥等)的量、質和時機,以期獲得最高產量和最大經濟效益,同時保護農業生態環境,保護土地等農業自然資源。
精準農業要求實時獲取地塊中每個小區(每1m2到每10Om2)土壤、水、農作物、光、熱等信息,診斷作物長勢和產量在空間上差異的原因,并按每一個小區做出決策,精確地在每一個小區進行施肥、灌溉、殺蟲、除草、播種、耕作、收獲等。
精準農業要求實現三個精確:一是定位的精確,精確確定灌溉、施肥、殺蟲等的地點;二是定量的精確,精確確定水、肥、藥、種子等的施用量:三是定時的精確,精確確定各種農藝措施實施的時間。
(二)精準農業的產生背景和國內外發展現狀
1、產生背景。傳統農業把耕地看作是具有作物均勻生長條件的對象進行管理,采用統一的耕作、播種、灌溉、施肥、噴藥等農藝措施。傳統農業一直忽視作物和資源環境的時空差異性,實行大田均勻施肥、均勻灌溉、均勻噴藥等統一的農藝措施。為了從根本上解決傳統農業存在的問題,隨著信息技術、人工智能化技術、計算機網絡技術和自動化技術的發展和應用普及,美國農業工作者于20世紀90年代初倡導并實施了精準農業。
2、國內外發展現狀。精準農業目前在發達國家發展十分迅速,美國國家研究委員會1997年已建議將PA的研究與發展納入國家發展戰略。日本政府專門啟動了“2l世紀農業機械開發課題”,也將PA的相關技術研究列入計劃。我國精準農業的研究和應用尚處在起步階段,但已引起各方面的重視。2O02年國家科技部批準在北京農業科學院成立了“國家農業信息化工程技術研究中心”,中國農業大學成立了“精確農業研究中心”。“十五”期間,現代農業信息技術與精準農業列入了國家高技術研究計劃(“863”計劃)。
四、3S技術集成與精準農業
精準農業是基于作物和資源環境的時空差異性,以最小投入、最大收益和最小環境危害為目標,以管理信息系統(MIS)、計算機技術、多媒體技術和大規模存儲技術為基礎,以3S技術為核心,以寬帶網絡為紐帶,運用海量農業信息對農業生產實行處方作業的一種全新農業發展模式。
(一)作為精準農業的核心技術的GIS在精準農業中的具體應用表現
1、對GPS和傳感器采集的各種離散性空間數據進行空間差值運算,形成田間狀態圖,如土壤養分分布圖、土壤水分分布圖、作物產量分布圖等。
2、對點、線、面不同類型的空間數據進行復合疊置,為決策者提供數字化和可視化分析依據。例如,不同作物由于其不同的生物特性對土壤類型、土壤養分、耕作層深度、水分條件、光熱條件、有效積溫等均有不同的要求,在進行作物種植規劃和布局時,只需將上述各專題圖層利用GIS的疊加功能,就可以快速、準確地確定出各種作物的最佳生物布局,如果再將市場、運輸等社會經濟條件專題圖與最佳生物布局圖疊加,就可進一步規劃出作物的最佳經濟布局。
3、利用GIS的緩沖區分析功能,能直觀地顯示分析灌排系統的控制范圍、水肥的有效滲透區域、病蟲害的擴散范圍以及周圍環境對作物生長的影響范圍等。
4、利用GIS的路徑分析功能,能夠快捷地確定出農道、水系、機井等各種農業基礎設施的最佳空間布局和機械噴施農藥、化肥以及收獲作物的最佳作業路線。
5、與專家系統和決策支持系統相結合,生成作物不同生育階段生長狀況“診斷圖”(Diagnosis Maps)和播種、施肥、除草、中耕、灌溉、收獲等管理措施的“實施計劃”(Action Plan)。
6、利用GIS的數字高程模型(DEM),計算作業區的面積、周長、坡度、坡向、通視性等空間屬性數值。
(二)精準農業的關鍵技術需要GPS
精準農業的關鍵技術之一是實時動態地確定作業對象和作業機械的空間位置,并將此信息轉變為地理信息系統能夠貯存、管理和分析的數據格式,這就需要采用GPS。
GPS在精準農業中的主要作用有:精確定位水、肥、土等作物生長環境的空間分布;精確定位作物長勢和病、蟲、草害的空間分布;精確繪制作物產量分布圖;自動導航田間作業機械,實現變量施肥、灌溉、噴藥等作業。為實現上述功能,需要將GPS接收機和田間變量信息采集儀器、傳感器以及農業機械有機的結合起來。安裝有GPS接收機的農田機械及田間變量信息采集儀器,除能夠不問斷地獲取土壤含水量、土壤養分、土壤壓實、耕作層深度和作物病、蟲、草害以及苗情等屬性信息,與此同時還同步記錄了與這些變量相伴而生的空間位置信息,從而為進一步生成GIS圖層和專家決策提供了基礎數據。
(三)衛星遙感是精準農業農田信息采集的主要數據源
衛星遙感具有覆蓋面大、周期性強、波譜范圍廣、空間分辨率高等優點,是精準農業農田信息采集的主要數據源。
遙感技術在精準農業中的作用主要表現在以下幾個方面:
1、農作物長勢監測和產量估算。作物在生長發育的不同階段,其內部成分、結構和外部形態特征等都會存在一系列的變化。葉面積指數(LAI)是綜合反映作物長勢的個體特征與群體特征的綜合指數。遙感具有周期性獲取目標電磁波譜的特點,因此通過建立遙感植被指數(VI)和葉面積指數(LAI)的數學模型,就能夠監測作物長勢和估測作物產量。
2、土壤水分含量和分布監測。在植被條件和非植被條件下,熱紅外波段都對水分反映非常敏感,所以利用熱紅外波段遙感監測土壤和植被水分十分有效。
3、作物水分虧缺監測。干旱時,作物供水不足,一方面作物的生長受到影響,植被指數降低,另一方面由于缺水,沒有足夠的水分供給植物蒸騰蒸發,迫使葉片關閉部分氣孔,導致植物冠層溫度升高,因此通過遙感植被指數和作物冠層間數學模型的建立,能夠監測作物水分的虧缺。
4、作物養分監測。作物養分供給的盈虧對葉片葉綠素含量有明顯的影響,通過遙感植被指數與不同營養素(N、P、K、Ca、Mg等)數學模型的建立,能估測作物營養素供給狀態。研究表明,遙感監測作物氮素營養水平的精度比監測其他營養素的精度高。
5、農作物病蟲害監測。應用遙感手段能夠探測病蟲害對作物生長的影響,跟蹤其發生演變狀況,分析估算災情損失,同時還能監測蟲源的分布和活動習性。
(四)3S技術集成優勢
GPS的優勢是精確定位,GIS的優勢是管理與分析,RS的優勢是快速提供各種作物生長與農業生態環境在地表的分布信息,它們可以做到優勢互補,促進精準農業的發展。如GPS和GIS結合提供了科學種田需要的定位和定量進行田間操作與田間管理的技術手段。RS與GIS結合提供了多種數據源,為建立農田基礎數據庫奠定了基礎。
五、結論
3S技術集成為精準農業的發展提供了科學適用的技術方法和手段,其應用前景非常廣闊。與此同時,3S技術集成在精準農業應用中也存在許多亟待解決的問題,需要通過深入開展遙感機理和農業遙感圖像解譯機理研究、進一步提高農田作業定位精度、加強農田基礎數據庫自動更新研究、更加重視新型農田機械與3S技術集成的整合等方法與途徑來解決。
參考文獻:
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[中圖分類號] S451.21 [文獻標識碼] A [文章編號] 1003-1650 (2015)05-0090-01
1 國內環境及國家政策
在過去的幾十年間,我國的農業生產發生了巨大的變化,農業生產的科技含量得到了很大的提高,高新技術在農業生產中得到了廣泛的推廣和應用。中國傳統的粗放型作業方式正向“高產、優質、高效、持續"的精確節約型方向轉變。瑕不掩瑜,加入世界貿易組織之后,我國農業仍面臨著不小挑戰――農田除草方面與西方國家的農業科平仍有很大差距。我國對株間除草應采取“以防為主,綜合防治”的策略,優先采用農業、物理防治,積極采用生物防治和生態防治,合理應用化學防治技術。因此,我國農業科技創新必須立足于研發無污染、低能耗、智能化的機械式機器人。
全國農機購置補貼暨農機化工作座談會召開,其主要任務是,深入貫徹黨的十八屆三中全會及中央農村工作會議、全國農業工作會議精神,總結交流2013年農機化工作和農機購置補貼政策落實情況,研究農機化發展重要問題。關于當前的農業機械化發展形勢,農業部副部長張桃林表示,在黨的強農惠農富農政策有力促進下,我國農業機械化取得了巨大成績,得到了長足發展。
2 產品及技術介紹
產品為可拆卸的智能株間除草裝置。圖(1)為一個簡易模型,僅供參考。
圖(1)
可拆卸的智能株間除草裝置可安裝在家用拖拉機上,由多關節機械臂、末端執行器、雷達、嵌入式開發板、電機等組成。通過各部分的配合與響應,進行株間、行間的除草以及冠下的清耕等作業。
本組采用可安裝在拖拉機或其他農業機器上的可拆卸裝置,利用單片機原理進行控制,通過傳感、識別等技術利用機械臂、刀片等裝置進行除草,具有極大優勢:(1)用簡單的操作方法即在作業部進行除草機或中耕機的更換。所以, 很容易對應于不同的栽培方式,節約了大量人力、物力和財力。(2)不僅可實現多方面的株間、行間的同時除草,而且可完成樹冠下清耕等管理作業。提高作業效率和資材的有效利用,實現了一定意義上的節能減排。
精準農業[1](Precision Agriculture)是20世紀80年代初,從農業生產領域發展起來的一門跨學科的研究領域。精準農業中的智能化農機具[2]在農田中指裝有全球衛星定位儀、產量傳感器及監視器的聯合收割機及帶有自動裝置的播種機、施肥機以及其他與拖拉機配套的農機具。
精準機械式除草技術是精準農業的重要課題之一,其核心是獲取農田中雜草的位置信息,通過除草執行機構,將雜草的莖鏟斷。此過程沒有了農藥的使用,改善了農業生態環境,提高了農產品的質量;同時通過智能化的除草執行裝置,實現了除草作業的低能耗和低碳化,從而促進了農業生產現代化和可持續發展。
除草機器硬件部分由主體、多關節機械臂、末端執行器等組成。軟件部分主要包括導航控制和雜草檢測。各種部件的聯系極為重要,其中主體由客戶已有的家用拖拉機擔任。將可拆卸的智能株間除草裝置安于主體上便可進行工作。由雷達檢測裝置周圍植株并判斷距裝置的距離,將數據傳到控制核心(由運行XP系統的嵌入式開發板承擔)后進行分析,再由電機控制主體自主行走和機械臂升降,伸展與收縮,從而達到除草目的。另外,裝置中的下位機系統采用穩定性高的 PLC 和人機界面搭建,中間繼電器和一些開關、按鈕等。車輛行進過程中裝置周圍環境的檢測由雷達檢測。
3 發展方向
雜草綜合治理體系的主要環節[3]有:增強作物群體生長勢;減少雜草密度;削弱雜草群體生長勢等。由此,許多方法應運而生。如覆蓋治草、人工除草、機械除草、化學除草、生物治草等。傳統的人工除草費時費力,工作效率低,不利于現代農業的發展;化學除草廣泛被人們接受,其帶來高效和經濟效益的同時,也伴隨著嚴重的消極影響[4]:農田雜草抗藥性明顯增強,抗性雜草的數量增多,抗除草劑的雜草種類明顯增加;除草劑混用不合理,從而藥效差、造成藥害;在土壤中殘留時間長,對后茬作物造成藥害。這些已給農業生產造成了嚴重損失,并嚴重影響了農業種植業結構調整,同時也違背了農業可持續發展宗旨。為了在對環境污染最小,低碳排放,促進農業生產現代化和可持續發展的前提下,達到最佳的除草效果,對機械式田間除草機械的研究已成為一種趨勢。所以說智能株間除草機具有更廣闊的前景。
參考文獻
[1]陳桂芬等,《數據挖掘與精準農業智能決策系統》,科學出版社,2011
[2]劉金彤等,《精準農業概論》,氣象出版社,2002
關鍵字:建筑、精確性、環境設計
Abstract: Aiming at the construction of resource and environmental problem, put forward architecture and environment design should increase the " precision " principle and countermeasures. Accuracy refers to the design to the accurate extraction of different kinds of factors, the precise analysis of factor interaction mechanism and interaction, fine integration of factors, and with fine rules, precision standard for accurate description and expression of the content of design of precision design connotation, property, basis, effect and value are put forward, to guide the various types of engineering and environmental design to the depth direction of development, advancing the " precise construction industry " development.
Keywords: construction, accuracy, environment design
中圖分類號:TU972+.12文獻標識碼:A 文章編號:2095-2104(2012)
由于人類自身需求的增長和消費的不斷膨脹,使人居建筑與環境建設得到了空前大發展.面對建設空前膨脹,人本需求升級,資源危機,環境嚴重污染,自然生態的破壞,以及科技成果廣泛應用和研究手段的現代化、自動化和數字化,人居建筑與環境的未來發展倍受關注.走可持續發展之路已得到人們的普遍認同.因此建立可持續發展的人居建筑與環境發展模式已成為帶有戰略性和關鍵性的課題.設計是建設模式的先導和表達,可持續的發展模式應以具有可持續性的設計為先導和示范.但如何結合本國、本地區的實際情況實施可持續性設計?切入點從那里開始可以有較大的突破?如何從宏觀和微觀兩個方面進行有效的實施?如何進一步發揮建筑學科的作用?當前比較時尚的生態建筑、綠色建筑、健康建筑、智能型建筑、節能建筑,可持續性發展的建筑等,如何確切定義、評價和經濟估算?如何推廣應用和普及?這些都是當前發展中亟待解決的現實問題.
1精準性的內涵“精準性”內涵是指在設計的全過程中精細準確地確定相關決定因子,精確分析要素之間相互作用的機理和互動程度,精巧地整合諸因子,提出精確的設計指標體系和目標體系,選用精良的建筑用材、設備用品、綠化物種等,通過精心策劃和精致工藝制造,達到精簡節約各種生態資源,建造精美舒適的生存環境,使人居建筑成為真正意義上的精品的目的.而且設計應為加工及使用管理過程中實施精良管理和總量、分量的有效控制提供前提和基礎.各地區也‘應形成具有當地地域、環境、經濟、人本特性的設計精細準則、精量標準和實施方案.設計“精準性”的內涵構成了一個復雜的巨系統,實現“精準性”是一次變革的過程和一次革命的過程.如當前我國正在貫標實施中的采暖居住建筑的節能設計[1],若從建筑節能這一“精準性”設計目標出發,應從節能與住區規劃布局、局地氣候、日照環境、風環境、當地能源狀況、地形地貌、保溫體系、維護體系材料、供暖熱源、供暖方式、供暖路徑、住宅平面空間組合、室內通風組織、用戶使用狀況、工程施工狀況、資金籌措、節支去向、法規、相鄰用戶使用狀態、散熱器、鍋爐等設施設備運用、戶內其他能源的利用、窗洞口尺寸、居住舒適度、建筑的耐用年限、建造能耗等方面的要素之間的綜合作用機理和互動程度進行模擬分析與研究、精細準確的策劃、提供精細準則、精量標準和整體設計方案,以保證建筑節能目標的“精準度”.
2精準性的屬性
2.1整體性精準性有別于“標準化”又高于標準化,標準化是工業時代的產物,它具有固定性、單一性和同一性,局限于中間產品,強調的是尺寸的協調,產品的標準化、集約化生產.而精準性是信息時代知識經濟時代的產物,強調動態同一,體現最終產品,強調是整體的一體化的協調,將最終產品置于更大的環境范圍來整體性思考[2,3].2.2可控制性應能適時、適量、適地控制,以實現設計目標.2.3靈活性和多樣性精準性要求通過不同因素的組合,不同質與量的組合,通過精良策劃,精密結合,精打細算,按需要優化組合,以形成不同特點的方案,又可以形成在某些特點方面具有高度集成化的方案,所以個性突出,豐富多彩.2.4可匹配性由于在設計全過程中按一體化精致搭配而成,所以最終產品匹配準確、性能可靠.2.5明顯的目標性由于所處地域、經濟、人本、生態條件、生態資源和所處的時期不同,其精準出的結果是有很大出入的,因此精準性設計的對策和方案具有明顯的目標性和多目標性.2.6可度量性精準性增加了產品可量化的指標的透明度,可以將這些指標體系用作評價、購買、租用、銷售、使用、管理、納費的依據.
3精準性設計原則的作用精準性設計原則可以是軟的細則,也可以是硬的條件,還可以是一種回歸原理的方法和途徑.引導人們思索、探求和實踐,逐步地走向可持續,它的作用和意義將逐步被人們認同.貫徹執行精準性設計原則促進綜合量化設計的深入,改善以往設計中的一些模糊性,在更大環境范圍內作到量入為出,宏觀控制.精準性原則可促進產品以及產品接口匹配化,并通過精良技術,精良工藝制作,實現精準性產品.精準性原則可以使室內各項環境指標因子在互動情況下,得出精準的設計指標,為實現自動控制提供基礎,滿足人們的質量追求.精準性原則可以實現以較小的生態資源消耗獲取更大的生態效益回報,并可針對資源消費不限定、無節制,進行有效控制.精準性原則可為實現對資源、能源的有效控制和監測提供基礎,保證在更大規模和范圍內實現社會的平等和公平.精準性可以對環境實現監測和保護,增強抵御自然災害的能力,創造適宜的人居環境,保證人類健康.精準性原則可以針對不同人群的身心健康、體能狀態,在動態的居住環境中提供居住需要保證,以體現最大的關懷度.精準性原則有助于使人居建筑與環境中的能流、物流、信息流、人流、技術流形成精良循環.達到資源的可再生、可重復利用.精準性原則要求設計成果不僅是方案圖、施工圖;而且還包括周圍環境生態條件分析圖;各工種利用資源狀況圖、表;以及運營工況,管理水平的動態監控技術軟件等.精準性原則的實施將召集各專長人才匯集,匯集得越多,精準性程度越高,則具有越高的應用和學術價值.精準性原則是實現資源共享,便于實施最佳配置的有效途徑.精準性設計原則可以變粗放建筑業為精準建筑業.克服以往在學科領域方面存在的專一化、單一性設計,實現相關因素綜合集合,精心考慮各種因素之間的相互支持、相互制約的作用機理和作用功效.精準性設計有利于對人居建筑環境實施有效控制,保持持久的高水平和高品味的生存質量.精準性設計可建立生態仿真模型,使設計科技化、仿真化.精準性設計能為智能化、信息化技術應用提供條件,使傳統產業升級.精準性設計觀念可以拓展設計者從更宏大的環境條件中去匯集創作靈感.數千年靠天吃飯的傳統農業如今逐步走進“精準農業”.如意大利種植主利用衛星監察葡萄園里葡萄的生長過程,用電腦分析生長中葡萄的糖分和丹寧酸含量,以決定灌溉、施肥的適時方案并確定適宜的收割日期,還通過衛星追蹤葡萄病菌.我國農業在示范區也開展衛星定位、精準灌溉、精準施肥和控制農用藥等精準設計和精準技術.農業精準技術雖然起步較晚,但它為種植業帶來變革,也帶來新的發展前景,其影響是深遠的.
5結語
人居建筑與環境是人類自身人為創造和制造的,它比農業更具有人為控制性. 21世紀是信息化、網絡化時代,為精準性設計的理念和技術提供了條件,使人居建筑與環境實施人為控制成為必要和可能,可以達到可靠、有效、有序、有量和可調的設計目標.樹立精準性的設計觀念,明確精準性設計原則,建立精準化目標設計體系,實施科學嚴謹的設計方法是實現“精準建筑業”的基礎和關鍵.本文提出“精準性”的內涵、屬性、作用和價值,可以引起人們對人居建筑與環境設計研究的更大關注,并使精準性設計技術的精準程度不斷提高,方向不斷拓展,使人居環境質量迎來新面貌、新情感,也帶來建設資源和環境的可持續發展.
參考文獻:
[1]李桂文,周淑萍.住宅科技概論[M].哈爾濱:黑龍江民族出版社,1999.