未來農(nóng)業(yè)信息技術(shù)從農(nóng)田尺度到大洲尺度的整合

　　通信技術(shù)
　　利用多用途通信系統(tǒng)
　　新的和現(xiàn)有傳感器技術(shù)與無線通信系統(tǒng)的融合已經(jīng)開始，許多公司現(xiàn)在提供無線氣象和土壤水分傳感系統(tǒng)。有了這些工具，農(nóng)民可以足不出戶就查看自家農(nóng)田的狀態(tài)。
　　移動互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星上行系統(tǒng)、遠距離無線電通信連接和互聯(lián)網(wǎng)或無線網(wǎng)連接都已經(jīng)成為相對普遍的連接方式，也是商業(yè)可用的傳感器系統(tǒng)通常選用的技術(shù)。但是，不少這些技術(shù)的初始安裝難度非常大。
　　為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展高端技術(shù)
　　用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織無線硬件和軟件最近已經(jīng)進入市場，使傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)和安裝成為可能。盡管這些網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用擁有巨大潛力，但將通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集和傳感器技術(shù)整合起來，使節(jié)點在穩(wěn)定的工作網(wǎng)絡(luò)中運行需要大量工作和較高的知識水平，并且需要克服安裝時遇到的巨大困難。
　　農(nóng)業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)必須足夠結(jié)實，適應(yīng)雨水、陽光和農(nóng)田淹水等極端環(huán)境。還必須將影響做到最小，才不會妨礙重機械進入農(nóng)田。這種網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)該在設(shè)計上抵擋住農(nóng)機偶然的碰撞。另外，傳感器節(jié)點應(yīng)該易于安裝和拆除，方便失靈節(jié)點的更換，以及在耕地前拆除所有節(jié)點。
　　這些技術(shù)性問題很可能在未來十年內(nèi)得到解決，一旦解決，自組織網(wǎng)絡(luò)就可以與便宜的傳感器技術(shù)結(jié)合，使農(nóng)民可以迅速地在農(nóng)田中部署網(wǎng)絡(luò)，并且即時獲得農(nóng)田中的空間和時間信息。另外，傳感器也應(yīng)該直接與農(nóng)業(yè)設(shè)備和智能手機等個人電子設(shè)備進行通信。
　　這樣，當(dāng)農(nóng)民在田間調(diào)查或勞作時就能獲得農(nóng)田狀況的實時和歷史信息。與服務(wù)供應(yīng)商連接的智能軟件可以提供其他數(shù)據(jù)，如哪些地方存在潛在問題、可能解決問題的方法等，甚至是為到哪里尋找材料、設(shè)備或其他服務(wù)提供商給出建議。
　　遙感：提供分尺度信息的技術(shù)
　　對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)有作用
　　遙感是指不用直接接觸目標(biāo)就能進行測量的技術(shù)。遙感的特點除了獲取測量數(shù)值外，還能獲得空間分辨率和時間分辨率數(shù)據(jù)。遙感獲得的信息能夠為現(xiàn)場的測量數(shù)據(jù)劃分尺度，幫助理解流域、地區(qū)、大洲和全球系統(tǒng)中的物理過程和生物過程。這些技術(shù)擴展了空間覆蓋面，提供難以到達的地區(qū)相關(guān)信息，通過多種感應(yīng)模型獲取獨特的測量數(shù)據(jù)。
　　拖拉機和聯(lián)合收割機上的遙感技術(shù)以及空中和空間平臺已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，應(yīng)用范圍涵蓋自給型農(nóng)場、大型機械化農(nóng)場和高價值經(jīng)濟作物。遙感技術(shù)得到的降雨量、溫度和風(fēng)速等信息可以整合到天氣預(yù)報中；全球定位系統(tǒng)（GPS）的數(shù)據(jù)可以輸入到農(nóng)田運營的指導(dǎo)系統(tǒng)中；高級傳感器整合到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)使用的特殊設(shè)備中。
　　大部分應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成像技術(shù)搭載于衛(wèi)星、飛機和無人運載工具上，能夠記錄從地面/水面反射的光或能量。多光譜傳感器，如美國國家海洋和大氣管理局的衛(wèi)星上搭載的先進甚高分辨率輻射儀（AVHRR），已經(jīng)每天提供覆蓋全球的公里級資料長達數(shù)十年，為植被指數(shù)，如作物生長勢指標(biāo)帶來了廣泛應(yīng)用。
　　事實上，這些簡單的指數(shù)每天免費為全球提供數(shù)據(jù)，是農(nóng)業(yè)產(chǎn)量模型和作物健康度實證指數(shù)應(yīng)用得最多的數(shù)據(jù)。
　　這些傳感器的下一代技術(shù)衍生出的更高級的產(chǎn)品，如美國航空航天局的中分辨率成像光譜儀（MODIS）（modis-land.gsfc.nasa.gov/），正慢慢地融入到農(nóng)業(yè)研究和應(yīng)用模型中。美國陸地衛(wèi)星系列任務(wù)（landsat.usgs.gov）衍生出的數(shù)據(jù)產(chǎn)品也已經(jīng)大大改進了許多農(nóng)業(yè)應(yīng)用，雖然其16天的重訪周期成為限制因素，特別是對云層覆蓋的地區(qū)。
　　過去十年中，隨著政府和私企發(fā)射的衛(wèi)星為開發(fā)即時產(chǎn)品提供基礎(chǔ)支持農(nóng)業(yè)應(yīng)用，以空天平臺上獲得的多光譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開發(fā)的產(chǎn)品得到了極大的普及。
　　未來對農(nóng)業(yè)的貢獻
　　成像技術(shù)現(xiàn)在能在很窄頻帶的電磁光譜中同時獲得數(shù)百種測量數(shù)據(jù)。能夠發(fā)射特定波長的能量并測量反射波的新型主動感應(yīng)技術(shù)也已經(jīng)普及。三個正向空天平臺運行層面發(fā)展的技術(shù)對于發(fā)展農(nóng)業(yè)科學(xué)將有特別幫助：（1）高光譜成像；（2）主動和被動微波系統(tǒng)；（3）激光系統(tǒng)。
　　加上農(nóng)業(yè)模型和數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)的進步，這些技術(shù)能夠徹底改變多尺度農(nóng)業(yè)過程的特點和預(yù)測。同現(xiàn)場傳感器一樣，這些新的遙感技術(shù)為企業(yè)家提供了面向農(nóng)民開發(fā)和交付產(chǎn)品的機會。
　　高光譜成像傳感器
　　模仿獲取與反射和吸收相關(guān)的化學(xué)信息的實驗室分光計，在數(shù)百個窄頻帶上提供二維圖像。這些數(shù)據(jù)能夠發(fā)展農(nóng)業(yè)科學(xué)中以物理為基礎(chǔ)的實證模型，估算葉綠素含量、監(jiān)測水脅迫、探測入侵物種和評估水質(zhì)等。搭載于空中平臺的商業(yè)化高光譜傳感器可以監(jiān)測高價值農(nóng)作物，國際社會正在制定高光譜衛(wèi)星任務(wù)，預(yù)計在未來十年上天。
　　以遙感技術(shù)為基礎(chǔ)的土壤水分測量產(chǎn)品主要依靠光譜中微波區(qū)域的測量數(shù)據(jù)，該區(qū)域中土壤在不同條件下的介電特性與土壤水分有關(guān)。雖然土壤水分不能直接測量且難于從遙感數(shù)據(jù)中得出，卻是農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)最重要的測量內(nèi)容。土壤水分除了是影響作物狀態(tài)的重要因素，還是描述大氣和地表互動過程的重要參數(shù)，在區(qū)域和全球天氣模式中起作用。土壤水分還在開發(fā)農(nóng)業(yè)管理策略（如灌溉）、預(yù)測作物產(chǎn)量及探測和監(jiān)測干旱中具有重大意義。
　　目前使用的空間土壤水分產(chǎn)品分辨率較低（十千米），適用于地區(qū)和全球應(yīng)用，對于流域級應(yīng)用作用有限。不過，美國航空航天局即將發(fā)射的土壤水分主動/被動（SMAP）任務(wù)(smap.jpl.nasa.gov/imperative)預(yù)計將提供高級土壤水分產(chǎn)品，分辨率程度可用于流域管理，因此受到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。
　　激光系統(tǒng)
　　如光探測與測距系統(tǒng)（light-detection and ranging，LIDAR），能夠發(fā)射特定波長的激光脈沖，利用傳感器探測遭到攔截或反射回來的能量。GPS獲取的軌跡和平臺動態(tài)與攔截能量的時間結(jié)合起來，生成高分辨率的地貌三維呈現(xiàn)（lidar.cr.usgs.gov/）。
　　機載LIDAR產(chǎn)品廣泛用于河灘、海洋和城市測繪，人們正在研究將這種產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用。LIDAR能夠提供最準(zhǔn)確的遙感地形（還有斜坡和光照）預(yù)測，與流失（如施肥）、高海拔地區(qū)作物生產(chǎn)和土壤測繪及管理等農(nóng)業(yè)管理決策的相關(guān)性較高。植被垂直結(jié)構(gòu)（如高度、密度等）的信息也可以從LIDAR中得出，較傳統(tǒng)的破環(huán)性取樣方法，LIDAR技術(shù)侵入性很小。
　　傳感器技術(shù)的這三個發(fā)展方向清晰地證明了新的數(shù)據(jù)來源有潛力支持發(fā)達國家和發(fā)展中國家的農(nóng)業(yè)研究和應(yīng)用。結(jié)合決策支持模型和高速發(fā)展的通信技術(shù)，這些新的數(shù)據(jù)來源會為下一代農(nóng)業(yè)做出巨大貢獻。
　　彌補不同模型間的差異
　　隨著計算資源的廣泛普及，農(nóng)業(yè)模型已經(jīng)取得了長足進步，能夠連接和整合不同尺度和過程。但是，利用模擬模型評估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及其對環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和制定可持續(xù)管理策略的影響，需要克服不少重大挑戰(zhàn)。
　　下面簡要介紹部分挑戰(zhàn)。
　　不同時間和空間尺度模型的整合
　　現(xiàn)場觀察技術(shù)長期以來用于開發(fā)、校準(zhǔn)和評估不同模型，無論是在農(nóng)田尺度模擬水分和養(yǎng)料在地下排水中的運動的DRAINMOD模型，還是模擬山坡地土壤侵蝕的WEPP模型，還是土壤和水體評價工具SWAT，即評估農(nóng)業(yè)管理決策對作物生產(chǎn)、水文和水質(zhì)的影響時使用最為廣泛的集水區(qū)尺度模型（swatmodel.tamu.edu）。
　　農(nóng)業(yè)管理決策是在農(nóng)田尺度做出的，但政策性決策卻用于區(qū)域、國家或國際尺度。目前，在農(nóng)田尺度至河灣尺度上分析農(nóng)業(yè)影響的模擬模型與全球尺度的模型相互獨立。為了在單一模型環(huán)境中評估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，這些模型必須協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
　　遙感和傳感器網(wǎng)絡(luò)可以提供空間觀察結(jié)果，刻畫農(nóng)田尺度、流域尺度和更大尺度范圍內(nèi)的過程，幫助彌合不同模型差異。例如，大尺度上土壤水分的不同主要受基本條件（如剛下過雨或植被類型）控制，而小尺度上的不同更依賴于當(dāng)?shù)貤l件。
　　通過過程表示來評估相互競爭的需求
　　衡量對農(nóng)業(yè)用地服務(wù)產(chǎn)生的相互競爭的需求（如為糧食和燃料生產(chǎn)生物質(zhì)、改善水質(zhì)、為滿足生態(tài)系統(tǒng)需求設(shè)定的最小流動要求等）需要使用統(tǒng)一的模型框架，把生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、糧食和燃料生產(chǎn)及用水涵蓋在內(nèi)，來同時支持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)需求。開發(fā)這種模型和框架將對未來可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展十分重要。
　　監(jiān)測水質(zhì)的傳感器和網(wǎng)絡(luò)
　　監(jiān)測水質(zhì)成本高、耗時長，是限制全球水質(zhì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的主要原因。另外，監(jiān)測水質(zhì)的現(xiàn)場和遙感技術(shù)能評估的指標(biāo)數(shù)量有限。下一代水質(zhì)監(jiān)測模型需要便宜的傳感器輕松地實時或近實時監(jiān)測氮濃度、磷濃度、病原體和沉積物等參數(shù)。
　　現(xiàn)代通信設(shè)備的新應(yīng)用
　　過去幾年，移動通信設(shè)備上支持日常決策（如最近的加油站的位置）的應(yīng)用數(shù)量大幅增長，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也能獲得到部分實時數(shù)據(jù)（如作物產(chǎn)量）。然而，我們需要新的應(yīng)用衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水文、水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的影響。開發(fā)這種應(yīng)用將促進可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境質(zhì)量的教育和決策制定。
　　展望未來
　　雖然上述障礙難以克服，人們的注意力現(xiàn)在集中于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的先進感應(yīng)技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲和檢索、通信能力、模型和高級應(yīng)用。加上農(nóng)業(yè)教育、研究和商業(yè)活動越來越多地交織融合，在飛速變化的世界中，開發(fā)新的能力同時滿足對于食物、飼料和纖維不斷增長的需求及多樣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求前景大好。

這個肯定是趨勢！武漢有一個專業(yè)從事農(nóng)業(yè)信息的公司，就是通過衛(wèi)星收集種植作物的面積數(shù)據(jù)和歷年的氣候和光照，分析出某個作物的產(chǎn)量，此數(shù)據(jù)被一些大宗作物的資本玩家和政府看好，因為他們能通過數(shù)據(jù)分析出未來作物的價格，更好的操縱價格

很牛X呢