相信很多人對“精準農業”這個概念都比較陌生，其實它就在我們身邊。我們都知道，不同地區的土壤酸鹼度、含水量、營養成分都存在差異，比如酸性土壤適合種植茶樹、西紅柿、苦瓜等作物，鹼性土壤適合種植菊花、油菜、菸草等作物。因此，瞭解土壤的構成對於改良土壤、選擇合適的農作物至關重要。
測土施肥技術就因此應運而生了，通過在不同的農田地塊採集一定量的土壤樣本進行分析測定，就能夠確定土壤缺少哪些肥料，進而就容易實現精準施肥。類似地，在水產養殖上也有“測水施肥”的說法。這種精準的農業技術能夠具體到每一塊農田、每一個池塘自身的營養狀況，而這就是精準農業的兩個經典案例。
▲▲精準農業科技園區
那麼，究竟什麼是精準農業呢？
在國內外的期刊論文上，既有精準農業的概念，也有精細農業、精確農業的概念，各個說法之間的區分度並不是特別清晰。
維基百科上將“精準農業”的定義解釋為“利用現代信息技術進行精耕細作的農業模式”，其中“精準”兩個字主要是通過全球衛星定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS)、遙感技術(RS)、決策支持系統(DSS)以及變量供應技術(VRT)等現代尖端科技來實現的。
說到精準農業的原理，就要進一步細分精準農業的構成，大致可以將其分成三個部分:
- ①田間數據採集(採用傳感器或者人工測量土壤電導率、溫度、含水量等參數)
- ②數據處理(將實際的數據傳遞到電腦或雲端，確定農作物所缺少的營養元素)
- ③按處理結果精準給水、施肥
▲▲在農田採集的數據被傳到電腦上，科技人員就可以通過處理結果精準控制農作物的生長狀況。
精準農業是傳統農業與現代科學技術緊密結合形成的創新成果。這種新型農田管理模式的目的已經不再侷限於盈利，還在於農業的可持續發展與環境保護——正是因為實現了“精準”，農藥、化肥的浪費也就大大減少了，這也就相當於間接地保護了農田的生態環境。
精準農業有哪些成功的案例呢？
- 1.精準供水系統
所謂傳感器，就是將土壤和農作物中的水分含量以及溫度等參數傳遞到互聯網上，農業科技工作者就可以根據這些實時上傳的數據來了解農作物在一天當中不同時間段的生長狀況。
以節能、環保、高效為基礎原則，西班牙的農業科技工作者設計出了一款自動給水設備。具體做法是將土壤的傳感器與供水閥門上的控制器相連接，通過土壤溼度傳感器來控制供水閥門的開關，並以滴灌的形式給農作物補充水分（如下圖所示）。整個系統通過太陽能電池板供電，可以實現完全獨立的工作。
▲▲精準農業的供水系統
此外，這款系統還可以將傳感器監測到的數據傳遞給手機上的應用程序，通過訪問當地的天氣系統，應用程序還可以實時更新環境中的溫度和溼度。
智慧農業
▲▲這是手機上應用程序的界面，可以同時顯示位置、溫度、溼度等多種參數。
以色列的農業傳感器更加發達，當地的農業科技工作者將傳感器放置在果樹的莖幹部位。傳感器能夠將水分和無機鹽的運輸狀況以可視化數據的形式傳送到電腦端，這樣農戶就對農作物的生理狀態瞭如指掌了。
- 2.智能施肥系統
在農業生產中，常見的施肥方式有撒化肥、撒葉面肥等方式，但這些都無法精準確定出化肥的類型與用量，其實，只需要一個傳感器就能輕鬆解決這些問題。
▲▲營養元素在植物根系中的分佈狀況不同，而精準施肥的原理就是實現營養元素的定位、定量吸收。
還有一種被稱為“擺錘式儀表”機械傳感器，該傳感器安裝在肥料播撒機上可以測量農作物的密度，根據傳感器的讀數可以控制相應的肥料播撒機，從而精準控制肥料的用量。
- 3.害蟲智能控制與預防系統
在傳統農業裡，害蟲的發生基本都靠農藥來控制，但是隻要發生病蟲害，即便是噴灑農藥也會造成一定程度的減產，而且過量的農藥也會影響農產品的品質。如果能夠研發出預測病蟲害的警報系統，就可以將病蟲害消滅在萌芽階段，這樣就不必以犧牲糧食蔬菜的品質為代價來維持產量了。
田間檢測及警報系統
這時候傳感器就派上用場了，比如RGB傳感器、熒光圖像傳感器、光譜傳感器和熱成像傳感器都可以收集農作物的圖像數據。以RGB傳感器為例，該傳感器具有三個顏色通道，分別是Red(紅色)、Green(綠色)、Blue(藍色)，可以精準採集農作物的外觀色澤。如果檢測到農作物的葉片發黃，可能是施肥不當造成的，這樣就可以通過RGB系統及時糾正原先的施肥量與施肥類型。
▲▲這是一種新型的RGB監測設備，裡面配置了高容量的SSD硬盤，能夠儲存大量的監測數據。
▲▲RGB系統的操作頁面。
經過算法優化後的田間傳感器在病蟲害檢測方面的準確率為97.12%，這種系統在水稻和小麥、甜菜等農作物上有非常好的疾病預防效果，這對維持農作物的正常生長具有重要意義。
精準農業的新方向:與無人機、互聯網相結合
▲▲農用無人機的外觀及結構
▲▲大型無人機還具有噴灑農藥的功能，大大節省了人力物力，特別適用於大規模的農田或者農場。
單純通過傳感器來監測疾病還遠遠不夠，英國利茲大學電子與電氣工程學院的研究團隊結合物聯網與無人機技術開發了完整的作物健康監控解決系統。
該系統由兩個模塊組成，第一個模塊是通過無線傳感器將土壤的溼度、電導度以及空氣的溫度等參數傳遞到計算機服務器及雲端；第二個模塊是將多光譜相機安裝在無人機上，通過無人機的高空作業聯合繪製成多光譜圖像，通過分析農作物中的葉綠素含量，可以確定農田裡健康植物與不健康植物的比例。
▲▲小麥田的多光譜圖像如上圖所示，三個圖像從左到右分別是:(A)光學圖像、(B)光譜圖像、(3)NDVI映射圖像。
精準農業所面臨的主要困境有哪些呢？
任何事物的發展都有兩面性，精準農業也不例外。雖然精準農業科技含量高、精準度高、更加節能環保，但是在全球範圍內，尤其是發展中國家卻難以普及。總結起來，主要有以下5個方面的原因：
- 1.硬件成本高
精準農業依賴於科技含量很高的硬件設備，例如傳感器，無線節點，無人機，光譜相機等，這些硬件的結合可以實現多個參數的實時測定。但是這些傳感器也有很多侷限性，比如高昂的開發與維護成本。同樣是因為成本高，與無人機相結合的農作物健康監測系統一般只適用於大面積耕地，但同樣的設備用在分割的小塊田地上就顯得浪費了。
- 2.受天氣影響大
環境變化是影響傳感器收集數據準確性的主要因素之一。放置在農田的傳感器以及在農田上空作業的無人機對環境變化都比較敏感，例如雨水，溫度波動，風速，陽光等。另外，傳感器與雲端的數據傳輸可能會由於大氣干擾而中斷，這些設備獲取的圖像與數據還可能會受到天然氣溶膠汙染的影響。
▲▲無人機在陰雨天氣不適合在田間工作
- 3.數據處理難度大
精準農業中的傳感器每時每刻都在生成數據，而來自傳感器的讀數必須準確，以便在需要的時間和地點準確地採取適當的措施。農田裡的生物入侵者（不排除人類活動的可能）有可能破壞讀數，而錯誤的讀數可能會導致水分和肥料供應不足或過多。同時，精準農業產生的大量數據需要後臺軟件擁有強大的數據分析及處理能力，這一點也是不小的挑戰。
- 4.農民的素質普遍較低，不會操作高端設備
農民個人的科技素養是影響精準農業普及的重要因素。在文盲率較高的發展中國家，農民往往根據自己的經驗種植農作物。因此，有必要對農民進行教育培訓，否則精準農業就是用來觀賞的“樣本工程”，是沒有實際價值的“空中樓閣”。我國有3億農民，要集中展開教育任務是一項“艱鉅的任務”。
- 5.網絡連接性的不確定性
5G網絡的速度可以比4G網絡快100倍，使設備和服務器之間的通信更快。5G還可以承載比其他網絡更多的數據，這使其成為從遠程傳感器和無人機傳輸信息的理想技術。但目前我國的5G基站主要分佈在經濟發達的城區，而農田的5G信號並不理想。5G助力精準農業的時代必定會來臨，但就目前還需要一段時間。
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