农业机械中的“3S”集成控制模式与优势特征

(黑龙江省农业机械工程科学研究院,哈尔滨 150081)

0 引言

精准农业是通过自动化技术与“3S”技术的综合应用,“3S”技术(简称3S)是遥感技术(RS)、全球定位技术(GPS)和地理信息技术(GIS)的集成,以实现对农业目标生产要素的获取、存贮、管理、更新、分析和应用[1]。RS是利用遥感系统获取目标作物不同形式的数据信息,并对作物生长全部过程进行探测与监管;GPS是利用全球卫星导航系统全方位、全时段、高精度提供目标作物空间位置、速度的导航信息,并随着目标作物生长环境变化,实时更新数据信息;GIS是利用计算机系统的处理能力科学管理和综合分析目标作物的相关地理数据,并在计算机硬件与软件协同作用下对目标作物进行规划、管理、决策、分析与应用[2]。通过自动化技术融合“3S”技术科学且合理研究与应用,对我国传统粗放型农业向现代精准化农业转变具有重要的影响[3]。

1 “3S”技术在农业机械中的应用

在农业机械中应用“3S”技术对目标作物进行集成管理,获取目标作物各种差异性数据信息(环境温度与湿度、土壤结构与含水量、作物生长情况与病虫害等),分析目标差异原因,结合最优处方图数据,采取“因地制宜”对目标作物管理、决策与应用,实现高质量、高产量、低消耗的可持续农业生产。

1.1 在遥感技术方面

基于多波段的反射光谱数据,遥感系统实时采集农作物生长状态与系统分析农作物发展趋势,帮助农业生产者及时准确地了解农田、土壤、作物和环境的发展变化,保证农业机械精准作业,从而实现了在农作物长势监测及产量估算、农作物播种情况监测及估算、农作物灾害预警及监测等方面的广泛应用。

1.2 在全球定位技术方面

基于差分校正全球卫星定位技术,全球定位系统“点对点”地精准采集农作物的三维位置、三维速度和时间信息等,保证农作物目标精准定位及农业机械田间作业自适应导航与准确测量,从而实现了在田间地质情况测绘、农作物土壤分布调查、农作物精准施肥灌溉植保等方面的广泛应用。

1.3 在地理信息技术方面

基于不同类型农田及作物的空间数据采集、原因状况分析、趋势逻辑推理等,通过地理信息系统能有效掌握与及时了解农作物的实际生产情况,结合生长农作物的环境对相关数据信息进行优化与整理,保证农业机械精准作业,从而实现在农业空间数据管理、农业专题地图分析、农业相关数据共享等广泛应用[4-5]。

2 农业机械中“3S”集成控制模式

农业机械“3S”技术主要是选用RS、GPS、GIS中两者或三者组合而成的集成控制模式,如图1所示,地理信息系统GIS相当于农业机械中控制系统的处理单元,对农作物及农业机械采集信息进行系统分析和数据管理,遥感系统RS和全球定位系统GPS相当于农业机械中控制系统的数据采集单元,对农作物及农业机械采集信息进行数据获取和空间定位,“3S”集成控制模式实时动态地对农作物及工作农业机械观测、分析和应用[6-7]。

图1 农机“3S”集成控制示意图

农业机械中“3S”集成控制模式主要为RS与GPS集成,GPS与GIS集成,GIS与RS集成,RS、GPS与GIS集成的四种控制模式,其中,RS与GPS集成主要是利用全球定位系统GPS精确定位目标作物及农业机械实时位置,改善遥感系统RS 定位精度低、识别速度慢的问题,通过RS与GPS集成同步与非同步切换工作,实现不同种类的空间数据综合处理、动态存储和集成管理的智慧农业管理模式。

RS与GIS集成是“3S”集成控制核心组合模式,遥感系统RS将为“3S”集成控制系统提供稳定且可靠的原始数据,结合地理信息系统GIS,主要功能模块如图2所示,空间数据资源与综合分析能力,完成多种农情数据动态管理与不同农机信息在线决策,通过RS与GIS集成控制集成不同处理平台,采集多种信息数据,实时在线通讯、在线分析及在线处理等。

图2 GIS系统主要功能框图

GPS与GIS集成主要是基于全球定位系统GPS实时定位功能,地理信息系统GIS实时处理多种组合空间信息,提供农机作业区域的农作物及农业机械的静态相对位置坐标,实时反馈到全球定位系统GPS的电子地图上,保证“3S”集成控制系统实时、准确、形象地获取相关数据信息,并及时采集、更新和修正相关数据。

RS、GPS与GIS有机统一、优势互补地集成控制模式,通过对农业机械数据进行准确定位、快速获取、动态更新,可提供多种农业生产、不同农业作业模式等的现场数据查询与科学分析判断,实现实时、准确、在线、高精度、高可靠、可持续的农业机械智能化控制,从而为各种实际应用中的复杂农业问题提供科学依据与解决方法。

3 农业机械中“3S”集成控制优势特征

3.1 农业生产的高质量

农业机械中“3S”集成控制的应用有利于农业机械使用、维护和调整,改变传统农机具单一的使用模式,依靠“3S”集成控制系统,传统的农业机械与现代“大数据、物联网”技术形成一个有机整体,使农业机械在实际农业生产过程中利用系统实时采集准确动态数据,科学自主调整执行机构的作业状态,有效改善传统农业生产过程中“过去时与现在时”严重脱节不合理问题。同时,在“3S”集成控制协作下,集成控制系统对对应的农业机械的工作状态进行实时反馈与性能监控,及时发现农业机械与工作环境存在的问题,实施降速工作或停机保修,最大程度上保证农业机械的平稳运行与作业效能,从而,有助于保证农业生产质量,促进农业机械化高质量生产。

3.2 农业生产的高精度

农业机械中“3S”集成控制的应用有利于智能化农机发展,农业管理和农户通过海量的数据库资源与高效率信息处理模式,智能农机系统利用相关动态数据信息进行科学判断与智能决策,依据实时采集的动态数据,更新相关农业信息,不断调整农业作业流程,改变传统农业生产依靠“农民经验”判断不全面的问题。同时,在“3S”集成控制协作下,农业机械的控制系统通过多种传感器(温度、湿度、速度、位置传感器)采集相关农情数据的基础上,反馈农业机械及相应执行机构的工作状态,并实时调整农业机械及相应执行机构的设定参数与工作流程,改善传统农业机械及相应执行机构响应性能,避免农业生产过程中,农业机械“漏、重、错、过”的不合理问题,从而,有助于保证农业生产精准性,促进农业机械化“高精度”作业。

3.3 农业生产的高效率

农业机械中“3S”集成控制的应用有利于农业机械高质量、高精度智能化发展,也有利于降低传统农业生产(播种、植保、收获)的生产成本,减少农业植保(灌溉、施肥、喷药)的化肥、农药等用量。在“3S”集成控制协作下,集成控制系统降低农业机械故障率,避免农业生产过程中因维修耽误农时的问题,提高农业机械有效利用率。同时,随着“3S”集成控制与人工智能技术融合应用的不断进步,现代化农业生产过程对于传统人工需求不断减少,在降低农业用工成本的基础上,大幅度改善农业精细化作业水平,保证农业生产产品质量,有助于提高农业生产作业效率,促进农业机械化“高效率”作业。

3.4 农业生产的高可靠性

农业机械中“3S”集成控制的应用有利于农业机械利用控制系统中的大量的检测元件完成目标农业作业对象的状态监测、数据收集及信息处理等的“自主”工作,还可以利用大量检测元件组合传感器对农业机械的传动机构运转状态、农业机械行驶状况、周围农业生产环境等信息进行动态的数据采集,并根据农业机械“实际状态”与“标准状态”进行对比,第一时间发现农业机械及农业生产的问题,实时进行农业机械状态的动态预警、及时修正、实时调整及故障反馈与快速维修,确保农业机械及农业生产始终处于正常、正确、规范运行状态,有助于保证农业生产稳定,促进农业机械化“高可靠性”作业[8]。

4 结论

随着我国的社会发展与科技进步,传统农业正面临着巨大挑战,通过“3S”技术中的RS、GPS和GIS 3大技术在农业机械中的应用讨论,深入地分析了农业机械中RS与GPS集成,GPS与GIS集成,GIS与RS集成,RS、GPS与GIS集成的控制模式,探析了农业机械中“3S”集成农业生产的高质量、高精度、高效率、高可靠性的主要优势特征,为实现我国传统农业向高质、高产、低耗、可持续的现代化精准农业转变提供参考。