7月23日至8月4日，我司组团赴美国开展精准农业考察，参加人员包括部农机试验鉴定总站、部农机开发推广总站和中国农业大学等单位的管理与科研人员共5人。考察期间，听取讲座9次、考察农场2个、公司3个、测试中心1个，走访了美国农业部总部、海外农业局、自然资源保护局、农业研究局旱地农业研究中心、马里科帕农业中心、约翰迪尔总部，较为系统地了解了美国精准农业最新进展。总体感到美国精准农业起步较早、已形成较为完备的技术体系，很多做法和经验值得我们学习和借鉴。现将有关情况报告如下。
图 1 考察团在美国农业部拜访海外农业局和自然资源保护局的领导
一、美国精准农业基本情况
（一）发展精准农业的起因
美国发展精准农业的思想源于20世纪80年代。当时，农场过渡依赖和施用化肥、农药，虽然提高了作物单产，但也导致土地退化、品质下降、资源浪费和环境污染等严峻问题。有关农学家发现农田内小区生长环境和作物产量存在明显的时空差异，提出“处方农作”，对作物栽培管理实施定位，按需变量投入化肥和农药等物资。随着机电液一体化、智能化监控和农田信息采集与处理等技术的发展，特别是GPS的民用化，极大地促进了精准农业的发展。作为高端技术和装备，精准农业之所以能够得到普遍认可、快速发展和广泛应用，根本原因在于其能够有效节约劳力、降低生产成本、提高产品质量、保护生态环境，能够极大提高农业的综合竞争力。美国在规模化和机械化的基础上，通过实施精准农业，确保了其农业始终处于世界领先地位。
（二）形成精准农业完备体系
经过三十余年发展，美国已基本形成较为完备的精准农业技术、装备和服务体系。在技术方面，围绕耕、种、管、收等作业环节，形成了完整的技术体系，并随着新技术的应用不断发展。其中，GPS增强技术是精准农业的核心支撑，政府提供分米级免费星基增强服务，企业提供厘米级商业地基和星基增强服务，二者相得益彰。在协作方面，也已形成研究、开发、检测、推广和服务体系。自然资源保护局持续关注应用需求，提供必要的技术和资金支持。农业研究局下属研究机构、大学相互协作，在基础研究、人才培养、技术推广等方面，发挥着重要的作用。农机主机与涉农导航企业，纷纷投入技术与装备研发，在极端气候地区建立试验和检测中心，把好产品质量关。有关经销商和企业也为农场主提供土壤取样、农业遥感、数据分析等技术咨询和服务。总而言之，美国的精准农业围绕农业生产实际，以需求为导向、政府为引导、市场为主体、社会化服务为补充，建立起了较为完备的技术、装备和服务体系。
（三）精准农业基本应用现状
从走访的公司和农场来看，农机精准导航与自动驾驶应用已呈普及之势，农田、作物及环境信息获取与处理技术日趋成熟，变量作业技术正在快速发展和推广之中，农业大数据平台已成为精准农业集成应用的抓手和市场竞争的热点。据美国普渡大学向209名经销商所做的调查表明，GPS自动驾驶导航和GPS驱动喷洒应用分别达到78%和73%。此外，经销商还向客户提供以下服务：GPS土壤取样（78%）、GPS农田测绘（75%）、产量监控数据分析（55%）、卫星影像（54%）、土壤电导率测绘（31%）、无人机（30%）、变量施肥（78%）、变量施用石灰（63%）、变量播种处方图（52%）、变量施药（16%）。
二、美国精准农业具体做法与经验
（一）精准导航与自动驾驶
农机自动驾驶导航技术实现一英寸精准作业，可以减轻劳动负荷、提高作业质量、延长作业时间、实现作业协同，在美国得到了普及应用。开发自动驾驶产品的企业主要有2类，一类是半球导航（Hemisphere GNSS）、天宝（Trimble）等导航企业，主要面向后装应用市场；另一类是约翰迪尔等实力较强的主机企业，自己拥有导航技术公司，通过前装和后装方式，为主机配置自动驾驶。凯斯纽荷兰等主机企业则与天宝等导航企业合作，为主机前装配置自动驾驶导航产品。
图 2约翰迪尔自动驾驶拖拉机及导航终端
在约翰迪尔考察时，其智能解决方案团队（ISG）高管称，自动驾驶是他们做得最好的精准农业产品。十几年前，他们从变量作业介入精准农业领域，但未被农场主立即接受。后来选择自动驾驶为突破口，一举获得成功。自动驾驶易学易用、效果立竿见影，深受农场主的欢迎。目前，自动驾驶已成为其大马力拖拉机的标准配置。
在凯斯纽荷兰马里科帕试验场考察时，其员工也称，凯斯100马力以上拖拉机自动驾驶前装配置率达90%，140马力以上则已达95%。除拖拉机安装自动驾驶外，大型收割机也普遍安装，以提高作业效率、防止与运输车碰撞。
图 3 从左至右分别为卫星定位、视觉导航和平行跟踪传感器
除了卫星导航技术，多传感器融合导航应用也得到了发展和应用。在金佰利农场，约翰迪尔拖拉机针对作物不同生长期的导航需要和特点，安装了GPS定位系统、视觉定位系统和平行跟踪系统等三套原理各异的导航定位装置，集成在同一台田间计算机中，统一控制液压转向机构，实现拖拉机的自动行走控制。
（二）GPS卫星差分增强技术
GPS公开服务信号精度约5米，不能满足精准农业需求。土壤取样、产量监测、变量作业等应用要求分米级精度，自动驾驶等应用则要求厘米级精度。农业高精度导航定位离不开GPS差分增强设施。
自GPS民用化以来，针对航空、海洋、陆地等应用，美国政府和企业发展了系列GPS差分增强设施。美国联邦航空管理局（FAA）建设的广域增强系统（WAAS），其信号覆盖北美大陆，可为农业提供分米级免费信号服务。据普渡大学统计，近70%的农户在使用WAAS服务。针对厘米级更高精度的应用，主要有3种方式。一是农场自建基准站，通过电台向拖拉机播发RTK差分信号。二是企业建设的多基准站网络，通过移动通信链路提供网络RTK差分服务，部分基准站也通过电台提供服务。三是企业建设的星基增强系统，通过卫星通信链路提供服务，例如约翰迪尔StarFire、半球导航Altas和天宝OmniStar。这3种方式各有优缺点，单基准站精度高，一次性投资，但受传播距离和地形的影响；网络差分精度高，需缴纳通信费和使用费，依赖于移动通信网络；星基增强精度略低，初次定位速度慢（约需30分钟），收费较高，但链路的可靠性高，覆盖面积大。
亚利桑那森丹斯农场的4台拖拉机，即通过电台连接至7.8英里外的约翰迪尔基准站。在实际使用中，由于自动驾驶对定位精度和可靠性要求均极高，企业往往为农场提供2种以上的差分增强服务，互为备份，可实现快速切换。
（三）信息获取与变量作业
土壤、作物及环境信息获取是精准农业的重要内容，是实施肥、药等变量作业的决策依据，也一直是实施精准农业的瓶颈。近年来，随着航天和航空遥感技术的发展，基于作物长势进行养分管理成为研究的热点。
图 4 FieldScanalyzer高通量植物表型测量系统
农业研究局在马里科帕旱地农业研究中心建立了野外型高通量植物表型测量系统Field Scanalyzer。该系统全球仅2套，利用门式起重系统和3轴运动设计，定位精度达到毫米级，是一套能够在野外独立运行的全自动、高通量植物表型成像系统，能够捕获测量区域内任何植株全天24小时的表型数据。该系统的一个应用，就是建立作物光谱营养诊断模型，以利用无人机遥感系统获取作物长势制作养分管理处方图。
图 5 Andrew French博士等基于无人机开展遥感应用
通过无人机挂载的数码相机、多光谱相机和近红外相机等传感器，可以快速获取农作物影像，测量植株高度、计算植被覆盖指数（NDVI）等，实现作物各生长阶段的长势监测。
图 6 变量施肥机和水肥一体化变量灌溉设施
在马里科帕农业研究中心，天宝公司的变量施肥机控制系统，既可以实现液态肥变量施用，也可以实现颗粒肥变量施用。在滴灌区域，通过远程控制器，也可以利用水肥一体化技术和管道实现变量施用水和肥。
（四）干旱地区变量灌溉技术
亚利桑那州地处美国西南，属于亚热带干旱半干旱地区，光照时间长，地表温度高，植物蒸腾强烈，水是农业生产的关键制约因子。
图 7 考察团听取节水学术报告和参观实验室
在旱地农业研究中心，听取了Kevin Bronson博士和Kelly Thorp博士等农业部科学家所做的变量灌溉等方面的学术报告，参观了实验室和试验农田，现场观看了系统演示。
图 8 变量灌溉机具及试验结果
在森丹斯农场主大卫沃尔茨先生的陪同下，还考察了亚利桑那滴灌系统公司和地下滴灌技术与装备。
图 9 大卫沃尔茨向考察团介绍地下滴灌技术及装置
森丹斯农场的老沃尔茨先生现已年逾九旬，早年大学毕业于亚利桑那大学农业与生物系统工程系，30余年前在其家庭农场开始研发、试验地下滴灌技术和铺设机具，将滴灌带埋在深度约30厘米的地下，取代漫灌和喷灌，实现节水约50%。技术成熟后，创办了亚利桑那滴灌系统公司。公司产品现已辐射至周边地区和加利福尼亚，得到了广泛的应用。在农场参观发现，当年老沃尔茨先生所铺设的滴灌带至今仍然可以正常使用，性价比极高。
（五）农业大数据平台应用
农业大数据平台是从农机信息化平台发展起来的，是当前精准农业领域竞相发展的热点。大数据平台不仅仅是管理农机、农田和农作的工具，也是未来智能农机具市场竞争的利器，具有战略制高点的意义。
约翰迪尔智能解决方案团队在导航系统、精准农作研发基础上，在拖拉机平台、收割机平台、作物植保平台间，发挥“内部平台”作用，从开始建设基于远程信息处理的协作系统（大数据平台）。该平台支持所有约翰迪尔的智能农机，可以为用户提供全套、现场、智能化的电子与信息技术解决方案，目前已管理2000余万英亩农田。
图 10 考察团与约翰迪尔ISG工作人员座谈
图 11 约翰迪尔播种之星车载终端和操作中心移动终端
约翰迪尔开放平台接口，鼓励农艺专家参与数据管理、决策分析和处方图制作。通过See（作业观测）、Collaborate（合作决策）和Direct（下达指令）等步骤，更有效地将土壤、养分、产量、电导率、遥感和其他数据转化为知识，指导种子、肥料和农药的精准施用，为农场主提供更加专业和增值的数据服务。
（六）极端环境农机检验检测
持续高温的气候、异常坚硬的土质，使得亚利桑那州成为众多主机企业来此设立测试场的重要因素。凯斯纽荷兰马里科帕测试场即担负着这种环境下的整机和部件检验检测工作，比如空调、发动机、变速箱、导航系统的测试。测试场具有完备的检测仪器，从用户使用的角度出发，通过采集测试数据，对农机的功能和性能进行全面评估。例如，利用激光发生器对导航系统的行走精度进行精准校验，确保其精度达到规格说明书的指标。凯斯纽荷兰在全球多个国家设置有测试场，开展持续高温、持续低温、高原等极端环境下的产品测试工作。亚利桑那州的测试场已有40余年的历史，1年半前迁至现址，有8名工程师，测试产品来自全球工厂。
三、体会和建议
这次考察，我们实地目睹和感受了美国精准农业的最新进展，学习了他们推进精准农业的成功经验。精准农业是一项复杂的系统工程，从提出设想到全面实施，有一个漫长、渐进的过程，需要产学研用管的通力协作。我国当前农业用工难且贵，肥药过渡施用，环境污染严重，农业综合效益低下。与美国等发达国家相比，无论是技术先进性，还是综合竞争力，差距非常显著。实施精准农业，提高我国农业综合竞争力，已到了刻不容缓的时候。结合今年中央1号文件提出的“推行绿色生产方式，增强农业可持续发展能力”，以及我国前期在精准农业方面的探索，在考察过程中和结束后，引发了很多思考和体会。
（一）转变理念，以系统工程思想规划精准农业
美国的精准农业是在规模化、机械化和自动化等基础上结合信息化、精准化、智能化等技术发展起来的，将感知、传输、分析、决策和执行，有机地集成和融合在一起。以变量施肥为例，综合利用了土壤取样、无人机遥感、光谱营养诊断、大数据分析、地理处方图制作、化肥施用变量控制以及高精度导航等技术，已远远超出传统农机化范畴。再从宏观层面而言，精准农业涉及基础研究、技术开发、产品制造、检验检测、技术服务等方方面面，是一项复杂的系统工程。
我国在精准农业领域已开展二十余年的跟踪引进、消化吸收、自主创新和示范应用，目前主要在大中型拖拉机自动驾驶方面取得了初步的应用推广，尚未建立起完备的精准农业技术、装备和服务体系。为尽快提高农业综合竞争力，缩小与发达国家的差距，发展绿色生产，我们应以需求驱动、政府引导、市场主体为原则，以更为广阔的视野，做好精准农业的统筹规划和顶层设计，用组合拳建设精准农业综合体系。
（二）因地制宜，找准精准农业发展的突破口
探索精准农业发展模式。在美国精准农业体系中，既有适宜全国推广应用的技术，如自动驾驶、差分增强和大数据平台，也有因地制宜发展起来的技术，如地下灌溉，以及因不同作物而建立的数据模型和决策模型。因此，我们应继续推进数字农业建设试点，积极探索精准农业发展模式。
精准农业优先发展领域。分步发展自动驾驶、变量作业和大数据管理，重点支持北斗农机前装应用，率先发展农机化大数据平台。依托北斗卫星导航系统，发展农用北斗差分增强设施，重点支持单基准站和星基增强系统建设。发挥无人机制造和高分辨率对地观测优势，发展农业遥感。重点支持东北、西北以及经济发达地区开展精准农业建设试点。
（三）发挥行业协会的桥梁作用，促进精准农业发展
推进精准农业装备社会化鉴定。针对精准农业技术与装备，美国农业部门并未制订鉴定标准和实行强制鉴定，而是由行业协会约定基本的技术接口和规范，由企业自己为产品质量把关，由市场来评价产品的质量，这与我国由政府部门直接对产品进行鉴定和颁发推广证书存在根本差别。当前我国精准农业领域的检验鉴定基本空白，应鼓励行业协会积极向发达国家学习、紧跟国际标准，制订适宜我国的技术标准和规范，建立社会化产品检验鉴定机构，为精准农业产品质量的提升和国家扶持政策制订，打下扎实的基础。
推进行业大数据平台建设。大数据利用是当今社会各行业发展的热点。美国的约翰迪尔、凯斯纽荷兰、天宝、拓普康以及德国的克拉斯等知名农机和导航企业，纷纷在智能农机的基础上发展远程信息处理技术，通过互联网平台向用户提供大数据服务。美国农场习惯于购买一家企业的全套农机具，往往可以避免使用多套数据平台的麻烦。而我国的农场与合作社的农机往往五花八门，一套平台无法管理所有农机具。因此，为节约成本、减少浪费、便于补贴，我国宜发挥行业协会的协调与引领作用，制定适合我国的精准农业技术标准和规范，建设全国统一的农机大数据平台。
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