赵岩，陈学庚*，温浩军

（石河子大学机械电气工程学院/农业部西北农业装备重点实验室，新疆 石河子832003）

精准农业是信息技术与农业生产全面结合的一种精细农业，是以实现农业高产、优质、高效为目的的现代农业生产模式和技术体系，是以信息技术为支撑，根据空间变异，定位、定时、定量的实施一整套现代化农事操作与管理的系统[1]。一般由以下10个系统组成：全球定位系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、农业专家系统、智能化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统[2]。我国新疆于20世纪末开始进行精准农业技术试验示范[3]，目前部分成果如水肥一体化管理技术、GIS支持下的精耕细作技术已在新疆兵团较大面积应用[4]。

1 新疆兵团精准农业发展现状

新疆兵团创立之初就为全面实现农业机械化提供了良好的生产条件，农田土地平整、集中连片、设施完备、农电配套、抗灾能力强，通过近20年的发展，目前实现了现代化农业生产和经营方式的相结合，生产的农牧产品产量高、质量好、商品率高[5]，同时，农机作业实现标准化管理，达到了高效率、高标准要求，正逐步向自动化、智能化、服务一体化方向发展[6]。新疆兵团为稳步推进精准农业发展，以农业机械化和节水灌溉为突破口，加快农业结构优化升级，已全面实现粮食、油料主要作物的机械化，并建成全国最大的节水灌溉基地和商品棉基地。2014年，新疆兵团农业综合机械化率达到93%，棉花耕、种机械化率达到95%以上，机械化收获面积超过43.3万hm2，农机管理标准化团场达到85%。高新节水灌溉面积达到65.3万hm2，成为全国最大的节水农业灌溉区[7]。

新疆兵团坚持实施以“精准选种、精准播种、精准施肥、精准灌溉、精准田间生态监测、精准收获”六大技术为主要内容的精准农业技术，在国内处于领先水平，部分技术达到了国际先进水平[8]。其中主要技术的发展概况如下：

（1）精准选种。采用智能化种子加工机械进行识别选种，改进种子清选工艺，有效提升种子质量，大幅提高种子出苗率，为精量播种奠定了基础。

（2）精准播种。为解决地膜覆盖精准播种问题，将气力精量取种技术与鸭嘴滚筒式穴播技术相结合，攻克负压取种、齿片清种、闭压投种、强制分种、携种导入鸭嘴、破膜打孔成穴、投种入土等精量穴播技术难题，实现了1粒或2粒按需播种，满足了播量、播深、行距、株距精准的农业技术要求。棉花、玉米、番茄、甜菜、瓜类等作物均实现精准播种。2013年，149团使用卫星导航自动驾驶技术播种棉花0.33万hm2，每台机车的播种面积较传统播种方式平均增加66.67 hm2。

（3）精准施肥。针对宽行距作物施基肥采用传统全耕层施肥技术存在肥效利用率低、化肥浪费的问题，创新提出基于卫星导航拖拉机自动驾驶的精准对行分层施肥技术，研制配套技术装备。根据种植作物行距和位置，提前将肥料分层施入耕层土壤。肥料利用率至少可提高1倍，大幅度提升了化肥利用率，减少了化肥浪费和污染。

（4）精准灌溉。采用滴灌技术可大幅节水。新疆兵团通过引进、试验、再创新，攻克低成本器材和装备的研究开发难题，形成服务体系，大面积应用于大田作物，应用规模达到世界第一。随后逐步将滴灌节水技术向智能化、水肥一体化、远程操作控制方向发展，节水效果明显。新疆兵团自行研发的田间管网系统，实现智能化控制，已大面积田间示范，灌水质量得到质的飞跃。自行研发的系列自动反冲洗网式过滤机组及自动施肥机，单套控制面积100-166.67 hm2。

（5）精准田间监测。依托国家科技支撑计划项目“区域空间信息技术在新疆兵团的应用示范”，研究空间信息技术在新疆兵团的集成应用与示范，涵盖农情监测、生态环境监测、土地监测、水资源监测和利用、公共安全和应急技术，建立了面向新疆兵团的空间信息服务与共享业务系统。

（6）精准收获。新疆兵团利用GPRS系统进行棉花精准收获试验，采摘棉花时将卫星接收的数据经过分析处理和误差消除，准确率可达90%以上。

2 精准农业中的卫星导航技术

卫星导航技术是20世纪70-80年开始发展起来的，主要作用是用于定位、导航和授时[9]。该技术以导航卫星为参照物，用户使用接收机测量到三颗卫星的距离，利用三球交汇原理，确定当前位置和目标位置，并参照地理、环境信息(测绘)，修正航线、方向和速度，达到预定目的[10]。目前较为成熟的全球卫星导航系统主要包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、中国北斗和欧盟Galileo。其中，GPS系统建设最早，于1973年起步，1995年维持全运行能力；GLONASS系统与 1975年起步，1996年建成；2005年恢复完善。欧洲2000年启动Galileo系统建设，计划2020年建成。我国于1994年启动北斗卫星导航试验系统建设，2004年启动北斗卫星导航系统建设，计划2020年形成全球无源服务能力[11]。

在精准农业中，卫星导航技术主要应用于智能化农业机械控制、精准病虫防治和灌溉和农田资源的普查和规划。北斗卫星导航系统具有速度快、精度高、成本低、操作简单等特点[12-14]。卫星导航定位技术在农业控制中最主要的应用在智能化农业机械控制、精准病虫防治和灌溉、农田资源的普查和规划三个方面。

2.1 智能化农业机械控制

（1）变量施肥和播种的控制。精准农业变量控制的出发点是把大田块细化为小田块，按小田块收集田间状态信息，根据其差异性做出作业决策，即依据当前土壤养分状况和作物生长状况等田间状态信息编制出田间施肥或播种变量作业处方信息[15-17]。

（2）联合收割机的作业监控。利用定位系统和地理信息系统收集的数据可绘制农作物的产量分布图，根据产量多少来控制联合收割机的行驶速度、割幅，从而控制收割速度、脱粒喂入量，达到最佳的收割效果和最大的收割效率，并能综合分析某具体田块的总产量有没有提高或者减产，然后制定新的针对性更强的田间投入方式[18]。

（3）拖拉机自动驾驶系统。拖拉机自动驾驶是由固定操作站控制的自动驾驶农业机械，在卫星全球定位系统或在田间附近地面系统的导航下工作。该技术具有很多优越性，例如可实现24 h内连续精确作业，延长农机作业时间的同时提高农产品质量，提高机组作业效率[19]。

2.2 精准病虫防治和灌溉

（1）精准喷药。运用GNSS监测病虫草害，得出田间病、虫、草害分布大小位置，从而引导喷药机在计算好的航线和高度飞行喷洒药物，若中途加满药物再次返回作业区时，系统还能让飞机到达上次药物喷洒停止时的准确地点，可以确保既无重复喷洒又无遗漏区域[20]。

（2）精准灌溉。采用精确灌溉技术，既能满足作物生长过程中对灌水时间、灌水量、灌水位置和灌水成分的精确要求，又能按照田间的每个操作单元的具体条件，精细准确地调整农业用水管理措施，最大限度地提高水的利用效率。

2.3 农田资源的普查和规划

在精准农业中，技术人员利用GNSS手持机能够快速、高效、准确地获得各项农田信息，并转化成相应的图形，同田间的各种信息结合，形成反映该信息的专题图和处方图，如肥力分布图、病虫害分布图等，用于农作物科学施肥、病虫害防治和估产等[21-24]。基于卫星导航定位功能的土壤水分温度检测仪在测试土壤含水率的同时，还可以测定、采集测点的精确定位信息，并将位置和水分、组数等信息存储到主机内进行后续研究[25-28]。这不仅有利于实施节水灌溉，同时精确的供水也有利于提高作物的产量和品质。

3 北斗卫星导航技术在新疆兵团精准农业中的应用

北斗卫星导航技术已在新疆兵团精准农业中得到应用，各师局先后建成了大型农机的远程监控调度系统，并投入运行。北斗卫星导航与位置服务平台、地基增强系统能为各团场农机管理部门、采棉机公司和农机合作组织提供作业农机实时信息服务。通过该系统可以准确获取当前作业机具的实时位置，跟踪显示当前农机的作业情况，准确获取作业面积、主油耗等相关数据，并能观看农机作业实时作业画面，监控作业质量，提高农机作业服务的效率，降低服务成本[29]，具有远程电视电话会议、远程农机指挥调度、远程农机作业质量监控等信息化服务功能[30]。

3.1 北斗导航拖拉机自动驾驶技术的主要特点

北斗导航拖拉机自动驾驶系统是利用北斗卫星的定位信号来设计车辆的行驶轨迹，在车辆作业过程中综合车辆的位置信息、姿态信息、航向角信息、传感器信息，通过控制液压系统，最终实现拖拉机的转向按照设计路径行驶。生产实践表明，北斗导航自动驾驶系统与人工作业相比具有以下明显特点：

（1）定位精度高。北斗导航可以为农用机具提供实时的位置信息，保证有较高的行走精度。

（2）作业标准高。北斗导航系统可以有效监测农作物产量分布、土壤成分和性质分布，做到合理施肥、播种和喷洒农药，降低成本，增加产量，提高效益。

（3）适应能力强。北斗导航拖拉机自动驾驶技术，可以保证农机作业不受时间和气候的限制，不必“日出而作、日落而息”，缩短作业期、提高工作效率。传统的农机作业质量主要依靠驾驶员的操作技能和责任心来保障，难以全面达到精准作业的要求。北斗卫星导航拖拉机自动驾驶依托智能技术保障作业质量、提高作业效率，作业后的条田接行准，播行直，接行准。为之后作物中耕、打药、施肥、收获作业提供便利，另外，农机驾驶员操作时只需要踩油门和刹车，不用操作方向盘，大幅降低了劳动强度，实现了舒适化操作[31]。

2012年新疆兵团农机推广部门开展了卫星导航自动驾驶技术的试验示范工作，至2015年5月底，已有1500套的产品在新疆区域的拖拉机上进行了安装，卫星导航拖拉机自动驾驶技术逐步从小面积试验向大面积试验示范迈进，其作业精度、操作方便性、使用可靠性、性价比逐步得到认可。

3.2 北斗卫星导航拖拉机自动驾驶技术的应用

（1）应用在播种作业中，播行直、接行准解决了采棉机采净率的提高问题。棉田连接行的准确性是影响采棉机采净率关键因素，结行误差超过5 cm，就会对采棉机的采净率产生影响。该技术应用在棉花播种作业中，能一次完成铺膜、铺管、播种作业，1000 m 播行垂直误差2-3 cm，有效解决了播种作业中出现的“播不直、接不上茬”的难题。

（2）应用在整地前喷洒除草剂作业中，可确保接行准，不重不漏。在卫星导航拖拉机自动驾驶系统出现前，少数认真的单位，在整地前喷洒除草剂，要求机车组规划作业区，保证打药喷雾机行走位置准确，作业机组要多配2个人，增加了作业成本。拖拉机安装自动驾驶系统后，路线可根据作业幅宽设定，并实现自动驾驶，避免漏喷和重喷，作业效果大幅提升，减少农药投入，节约成本，降低污染。

（3）应用在苗期化控和植保作业中，采用具有拖拉机自动驾驶系统播种的田块，行距分布均匀、准确，喷雾机喷头可直接对行施药，农药利用率高，不污染环境，而未安装自动驾驶系统拖拉机播种的田块，行距累积误差大，作业效果差。

（4）应用在机械采收前喷施脱叶催熟剂作业中，采用具有拖拉机自动驾驶系统播种的田块，由于行距分布均匀，吊杆可精确走在宽行中间，很少对棉花茎叶产生碰擦，通过顺畅，喷施效果就好；未安装自动驾驶系统拖拉机播种的田块，喷雾机工作幅宽越宽，吊杆被架起的现象越严重。

（5）应用受灾棉田重新播种，按原规划轨迹进行重复播种作业，接行误差可以精确到小于2-3 cm，可保证后续棉花田间管理和机械收获的正常进行，有效提升抗灾能力。

（6）应用在中耕施肥作业中，可使机具行走位置准确，缩小了护苗带，肥料离苗近，提高肥料利用率，松土和灭草效果好，同时可以减少苗株的损伤率。通过卫星定位进行测土施肥，根据土地不同位置、不同土壤类型及养分的盈亏情况，将微量元素与肥料科学配方，精确施入，可减少化肥浪费和污染。另外，卫星导航技术可改变棉花、玉米、番茄等宽行距作物传统施基肥的方式，采用精准对行分层施肥技术，提前将基肥施入种行下方10-15 cm处，可以大幅提升肥料利用率，减少宽行距作物的化肥投入和减轻肥料对环境的污染[32]。

（7）应用在残膜回收作业过程中，自动导航技术可使拖拉机沿设定轨迹行走，如能保证残膜回收机的起膜边装置精确对准膜边，就可将膜边完全挖起，从而简化机具结构，提高残膜回收率。

（8）应用在棉花测产作业中，棉花产量信息的实时获取技术是分析棉田产量差异性和生成棉花空间分布产量图的基础，也是对棉田实行精细管理和变量作业的依据，随着精准农业的深化发展，作用将逐步突显[33]。

（9）应用在采棉机实时监控中，卫星导航技术通过物联网组网，实时了解采棉机的位置和作业状态，及时准确的进行调度，能够有效提高采棉机的管理水平和机组利用率[34]。

3.3 效益分析

新疆兵团的生产实践表明，采用北斗卫星导航拖拉机自动驾驶技术，具有良好的经济、社会和生态效益，具体包括：

（1）提高作业精度。播幅连接行精度误差小于3 cm，1000 m播行垂直误差小于3 cm，机手具备基本操作技能即可，降低了雇佣拖拉机驾驶员的人工成本。

（2）提高机车利用率。播种中不受光线限制，可实现全天不间断作业，适时播种，不误农时，同时减少农机数量上的投入，增加机车组经济收入20%-30%，稳定专业农机队伍。

（3）提高采棉机采净率。该技术的应用使得机具作业突破了“播行不直、接行不准”的瓶颈，与人工驾驶拖拉机播种作业相比较，采棉机的采净率提高2%-3%，可增加收入900-1350元/hm2。

（4）提高土地利用率。加装导航系统的拖拉机播行直且均匀，最大程度上减少土地的浪费，土地利用率提高0.5%-1%，减少农资消耗的同时还可增加作物的产量。

（6）提高中耕作业质量。用于播种甜菜、玉米、番茄等中耕作物，中耕作业保护带宽度的缩小，伤苗率和漏耕率的减少，肥料利用率增加，除草和松土效果的增强，至少提高作物产量2%-3%。

（7）提高植保作业质量。用于播前喷洒除草剂，田管阶段喷洒作物生长调节剂，秋后喷洒化学脱叶催熟剂，可确保接茬准确、施药精确、不重不漏，减少化学药剂对土壤产生污染。

（8）提高灾害重播作业质量。用于农田灾后重播，经济效益尤其显著，不影响棉花机械采收，这是人工播种无法做到的。新疆春季灾害重播面积一般在20%以上，2014年超过30%。使用卫星导航和自动驾驶技术帮助灾后重播，作业精度高，接茬精度可控制在2-3 cm，补种的作物可很好嵌入原有田间，利于后期机械收获作业。

（9）提高残膜回收率。残膜回收是新疆棉花生产中可持续发展的战略问题，利用北斗导航可精确找准铺膜轨迹，将地膜边挖出，使残膜回收率提高8%-10%。

（10）提高中耕作物基肥的利用率。针对棉花、玉米、番茄等中耕作物传统施基肥的方式，采用卫星导航拖拉机自动驾驶技术，进行精准对行分层施肥，使肥料位于种子正下方，利于作物根系吸收，肥料利用率至少可提高1倍，节约成本，减少化肥污染。施肥开沟起到松土作用，利于作物根系扩散生长和地表水下渗[35]。

（11）购置补贴政策。目前拖拉机自动驾驶装备已基本实现了国产化，性能基本达到国外进口产品水准。国产拖拉机自动驾驶装备的价格(含区域增强网建设费)大致是每套6.5万元，国家农机补贴30%，补贴后的安装价格4万元左右，基层单位再补贴一点，农机户是可以承受的。关键是要引导农户使用该自动驾驶装备，在收费政策上要有明显区分，执行作业优质优价政策，在作业费收取方面应有明显区别，要让农机户逐步回收智能装备的投入成本。

4 精准农业技术发展趋势和示范推广的建议

4.1 技术发展趋势

随着新疆兵团精准农业面积持续增加，针对棉花精量播种卫星导航自动驾驶的装备、机具不断涌现，但其他作物及后续田间作业的自动驾驶系统的应用仍然亟待示范与推广应用。新疆兵团棉花播种面积近60万hm2，玉米、番茄、甜菜等中耕作物面积26.67余万hm2，每80 hm2播种面积配一台作业机组，卫星导航自动驾驶系统需求量超过10000套。新疆自治区中耕作物面积超过兵团2倍，仅自动驾驶系统一项总需求量至少30000套。

滴灌节水技术在新疆兵团精准农业中的全面应用是重大创新。滴灌节水技术是从以色列引进的，器材价格昂贵，在中国大田作物种植中无法大面积使用。新疆兵团通过引进、试验、再创新，攻克低成本器材和装备的研究开发难题，形成服务体系，大面积应用大田作物，应用规模达到世界笫一。之后依托空间信息系统实时监控条田间轮灌区土壤含水率数据，实施自动化灌溉，逐步将滴灌节水技术向智能化、水肥一体化、远程操作控制方向发展，节水效果能明显提高。

新疆兵团在精准农业的发展方面应特别关注以下二个方面：一是用信息化技术提升精准农业装备的设计和制造水平；包括各种智能控制技术、农业机械导航及自动作业技术，提高农业机械的作业性能和作业质量；二是用信息化技术提高农业机械化的管理水平，包括农机作业的远程监控与调度，提高农业机械的利用效率和效益[36]。

4.2 示范推广的建议

4.2.1 加强政策引导

卫星导航技术在精准农业的发展需要国家强有力的支持，应强化国家和地方政府补贴充分向卫星自动导航系统倾斜，而北斗导航系统是国家重点推广项目，自动驾驶系统必须具备北斗卫星导航功能。同时，新技术的推广要逐步进行，先进行试验示范，再逐年铺开[37-39]。

4.2.2 加快人才培养步伐

积极扶持教育和服务机构发展，分层次进行技术理论和实践培训，先对农机管理人员和专业技术人员，再在农机化示范基地建设中进行实际培训，逐步扩大培训范围，加快对机操作人员以及导航技术服务人员的培养，加强精准农业技术的培训。

4.2.3 加大科研力度

卫星导航自动驾驶机械的核心关键技术还有待进一步优化提升。实现国产化自主装备不仅要降低成本，更要以提高使用可靠性为目标。我国自动驾驶系统要继续攻坚克难，实现多功能、智能化，扩大可适用范围[40-42]。关键性能要特别注意：临时停车信息不能中断，所有部件不能因作业或者运输环境恶劣而频繁故障。

国产装备要逐步提高使用可靠性，价格低廉并不是对比的目标，关键是使用可靠性要达到标准，选用时特别要认真对待。目前的自动驾驶系统多数安装在拖拉机上，要逐步向其它农田作业机械上推广，例如自走式的收获机械、施药机械，如果安装了自动驾驶系统，那么作业的效果就会更好，驾驶员就可以分出更多的精力去关注核心工作部件的作业状态，提高效率，降低油耗。现有自动驾驶系统是人机结合，能保证拖拉机运行直线性和播幅联结准确性，但作业过程中的起步、停车、升降农具、档位的加减、油门的大小都需要人来控制，使用中也需要人一直在拖拉机上保证作业的连续性和安全性，其智能驾驶性能需继续提高。

4.2.4 建立完善的用户服务体系

建立用户服务体系是关键环节，出现故障能及时维护，在比较短时间内恢复作业性能，效果才会显现。用户服务体系应充分发挥区域精准农业装备公司或经销商的作用，其中，有两个问题应特别注意：一是区域机型不能太杂，型号和公司要相对集中，保证使用和服务质量；二是基站应集中建立，不同型号和公司的产品应适应基站统一的信号源，而不是信号源只适应单一产品。另外，要充分利用当地农机产、学、研部门的技术力量和人力资源，提高自动驾驶产品的作业效率与工作可靠性。

4.2.5 拓宽应用领域，提高北斗导航拖拉机自动驾驶系统使用效能

（1）紧紧围绕新疆兵团精准农业生产机械化需求，进一步拓宽北斗导航与拖拉机自动驾驶系统的应用领域，加快农机农艺的融合，深入开展卫星导航自动驾驶产品的研究，使该技术广泛应用于平地、播种、喷药、收获、耕整等环节中，实现精准、定量，凸显农业机械在农业生产中的节本增效优势。

（2）利用自动驾驶系统本身携带的定位及显示设备，将其中的数据导出，实现监控车辆目的，然后通过服务器将作业指令发送到车载终端并显示在显示器上，实现对车辆的集中管理和分配。这样在自动驾驶的基础上，用很低的投入就能实现农机的信息化管理[43-46]。

4.2.6 强化新疆兵团的辐射带动作用

积极依托新疆兵团区位优势和农业技术优势，借助国家丝绸之路经济带发展契机，以新疆兵团为示范基地逐步辐射至全国及中亚、南亚（中亚耕地面积约是新疆的2-3倍）及其他独联体国家，促使北斗卫星导航技术形成新的农业装备产业技术战略高地和经济增长极。