美行漫記：體驗美國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用

● 文|中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 吳才聰

美行漫記：體驗美國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用

● 文|中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 吳才聰

編者按

筆者在調(diào)研美國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)應(yīng)用情況其間，實地走訪了多個農(nóng)場，考察農(nóng)場精準(zhǔn)服務(wù)應(yīng)用情況。本刊刊載筆者部分參觀手記，帶讀者親臨美國現(xiàn)代化農(nóng)場，體驗精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用情況。

農(nóng)民自建CORS

清晨出門，迎著細雨，乘風(fēng)破霧，來到愛荷華州迪比克市。愛荷華州在美國的中北部，地處黃金玉米帶，種植玉米、大豆和小麥等經(jīng)濟和糧食作物。

此行的目的是調(diào)研美國農(nóng)業(yè)CORS建設(shè)與應(yīng)用情況。國內(nèi)這幾年自動駕駛系統(tǒng)應(yīng)用推廣較快，市場前景廣闊，但高企的系統(tǒng)成本（如1+1模式）和滯后的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，也嚴(yán)重地制約著這一成熟技術(shù)的普及應(yīng)用。農(nóng)業(yè)是否需要CORS？如何建設(shè)低成本的CORS？怎么設(shè)計農(nóng)業(yè)CORS合作建設(shè)模式？帶著這一系列的問題，聽聞美國有農(nóng)民自建CORS，便興沖沖地踏上了調(diào)研之旅。

美國是衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)源地。按說，在美國，GPS的基礎(chǔ)設(shè)施無處不在。地上，有國家和州建設(shè)的能提供厘米級導(dǎo)航定位精度的CORS站；天上，則有可供免費使用精度達30cm的WAAS，還有能提供5～25cm定位精度的OmniSTAR和StarFire品牌接收機。那農(nóng)民為什么還要自己建CORS站網(wǎng)呢？

從莫林市機場前往迪比克的路上，CHC公司的Lance熱情地介紹著他們的客戶DigiFarm公司。該公司的創(chuàng)始人是David，他家有千余畝的農(nóng)場，10年前在拖拉機上開始使用RTK，一開始用州政府在當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)的免費RTK基準(zhǔn)站，通過無線電臺獲取差分信息。但由于政府的設(shè)施疏于管理，特別是每到搶收搶種的農(nóng)忙季節(jié)，時不時的故障，極大影響著他的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；不斷修建的房屋和起伏的農(nóng)田，也會阻斷無線電信號的傳播。為此，四五年前，他鐵心自建CORS站，真正實現(xiàn)差分信息自主可控。他的創(chuàng)舉，被鄰居們看在眼里，紛紛要分享他的基站信號，當(dāng)然都自愿掏腰包。隨著用戶越來越多，David發(fā)現(xiàn)了有利可圖的商機，便立即成立DigiFarm公司，短短的幾年時間，在愛荷華州、伊利諾伊州、內(nèi)布拉斯加州等地，擴建了百余個CORS站，并聯(lián)成網(wǎng)，通過移動通信網(wǎng)絡(luò)、無線電臺等提供實時RTK差分服務(wù)。

☆ 基站天線（埋石深度3m，天線高約4m，以防晃動和盜竊）

☆ 基站設(shè)備

如何建站？大部分的站，都是DigiFarm和當(dāng)?shù)剞r(nóng)場主合作建設(shè)。他們提供RTK基站、天線及有關(guān)設(shè)施，農(nóng)場提供房屋和無線網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備主要用CHC和NavCom公司生產(chǎn)的基站接收機，軟件則用德國的Geo++。雖然州政府的CORS站是免費的，但他們基本不用，只是用其中2個站進行CORS網(wǎng)的檢驗對比。

如何收費？建站農(nóng)場免費使用，對于本州客戶，每個注冊用戶每年收取750美金的費用，外州則收取900美金。目前大約有800余個用戶。相比之下，Trimble公司的VRS要收取1300美金。

如何推廣？建站農(nóng)場起主導(dǎo)作用。建站農(nóng)場既是合作者、用戶，也是代理商。由于建站農(nóng)場與周邊農(nóng)場都是鄰居，熟門熟路，便于現(xiàn)身說法。每發(fā)展一個用戶，建站農(nóng)場分成40%，并負責(zé)接收機的接入、調(diào)試、培訓(xùn)和指導(dǎo)。據(jù)說DigiFarm只有數(shù)個員工，只負責(zé)CORS的維護。

☆ 州政府建設(shè)的GPS站

那為什么不用OmniSTAR和StarFire呢？其根本原因，除了價格因素（OmniSTAR大約1500美金），還是因為星基差分的精度遠不如RTK網(wǎng)絡(luò)差分。衛(wèi)星差分誤差加上機械操控誤差，總體誤差較大。例如，對于免耕（No-Till）播種作業(yè)，要求第二次播種帶不能與第一次播種帶重疊，需錯開一定的距離。在國內(nèi)考察，也發(fā)現(xiàn)有此要求。棉花災(zāi)后重播，既不能播在已播位置，也不能破壞旁邊的滴管帶，這種農(nóng)藝要求對精密播種作業(yè)提出了很高的導(dǎo)航定位要求。顯然，DigiFarm公司找準(zhǔn)了自己的技術(shù)和價格優(yōu)勢，才能夠在“天羅地網(wǎng)”中脫穎而出。

☆ AgLeader公司產(chǎn)量監(jiān)控器

百聞不如一見。下午，Lance驅(qū)車帶我去見David和Jerry。David正在田里收割玉米。他們?yōu)榱酥苯用摿?、粉碎秸稈，在玉米成熟后，仍要等待一段時間，使得玉米穗在田里風(fēng)干到一定程度。David見我們來了，跳下收割機，邀請我一起上到駕駛室，邊干活，邊介紹，非常淡定。David看起來很年輕，后來知道才34歲。在駕駛室里，他掛著一個AgLeader公司的產(chǎn)量監(jiān)控器，可以實時顯示產(chǎn)量、濕度等信息。據(jù)說，這個公司很善于貼牌，唯有這個產(chǎn)品是他們公司自主研發(fā)的產(chǎn)品，也是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)較早應(yīng)用的產(chǎn)品。產(chǎn)量圖可以較好地反應(yīng)土壤養(yǎng)分及水管理情況，為下一年度的農(nóng)田管理提供直接的信息。與我上周在堪薩斯州看到收割大豆用自動駕駛系統(tǒng)不同，David的聯(lián)合收割機這次沒有用自動駕駛，因為需要與家人開著卸糧食的拖拉機進行同步行進。他指著旁邊的拖拉機說，上面那個白色的就是GPS天線，其接收機直接接入他的CORS網(wǎng)絡(luò)，進行自動駕駛與精密播種和農(nóng)藥噴施導(dǎo)航。

☆ 卸糧拖拉機上安裝的GPS天線

☆ 基地GPS天線

Jerry是DigiFarm的合伙人，一個典型的美國“男孩”。他從小喜歡編程，大學(xué)只念了一年半就棄學(xué)了，認為那些課程一點用都沒有，純粹浪費時間。1993年他創(chuàng)立自己的第一個IT公司，2001年轉(zhuǎn)手賣掉了，想干點別的。2002年，他買下了當(dāng)?shù)乩鋺?zhàn)時期修建的SecureHosting中心，為相關(guān)企業(yè)提供災(zāi)難備份。這個中心不簡單，可以抵御核武器的攻擊，里面的設(shè)備全用彈簧隔震，連馬桶都用軟管連接。我很“幸運”，受邀參觀他的基地，因為他只允許一個人跟隨他參觀，同行的Lance都不能下去。下到地下，感覺不到絲毫的空氣渾濁，反而非常舒適。DigiFarm在地下只占了一個機柜，通過地面近50m高的鐵塔，與外部建立無線互聯(lián)網(wǎng)連接。他在基地儲備了大量的柴油和發(fā)電機，以備不時之需。

在考察的路上，路過一個代理商。其廠房內(nèi)外，擺放了各型農(nóng)業(yè)機械。其中，有些大型拖拉機，已經(jīng)安裝GPS RTK接收機。據(jù)Lance介紹，拖拉機廠進行前裝的情況不多見，大部分的前裝都由代理商進行。代理商有很高的積極性。據(jù)說，目前1500英畝（9000畝）以上的農(nóng)場，基本安裝了GPS RTK系統(tǒng)。自動駕駛系統(tǒng)的使用，可以減少無聊的方向盤操縱，使駕駛員更好地關(guān)注作業(yè)質(zhì)量，并且多少也有助于提高“農(nóng)民”種地的積極性。因為現(xiàn)在美國的農(nóng)村勞動力狀況持續(xù)惡化，很多農(nóng)民都年近七旬了。誰來種地呢？一方面農(nóng)場主的孩子們進城工作，另一方面農(nóng)場太貴，農(nóng)場難以易主。按1英畝1萬美金計，1000英畝的土地要價1000萬美金。Jerry說，有那么多錢，投資農(nóng)場干什么？并開玩笑說：買農(nóng)場意味著死亡！

下午的參觀完畢后，感慨良多。在國內(nèi)，CORS是什么？豈不是只有測繪部門的專業(yè)人士才能玩？但在美國，一個“普通”農(nóng)民，非專業(yè)人士，竟然建起了橫跨數(shù)州的農(nóng)業(yè)專用CORS，竟然與響當(dāng)當(dāng)?shù)腡rimble玩起了雞蛋碰石頭的游戲。一天的調(diào)研，也印證了自己的一些設(shè)想，就是我們也可以嘗試走出一條合作建站的模式，建設(shè)低成本、高質(zhì)量的農(nóng)業(yè)CORS。這兩天，欣聞有上海和北京企業(yè)擬合作在華東建設(shè)農(nóng)業(yè)CORS網(wǎng)，但愿他們?nèi)〉贸晒Α?/p>

RTK新應(yīng)用

離開迪比克市之前，還有小半天時間。Lance說要給我講講RTK在圓形噴灌機中的應(yīng)用。

Lance打開谷歌地球，漫游到內(nèi)布拉斯加州密蘇里河兩岸廣袤的平原上，只見網(wǎng)狀的線條間，呈現(xiàn)出無數(shù)或方、或圓的綠色圖案。原來，網(wǎng)狀的線條是農(nóng)場至市場道路，或方、或圓的圖案是農(nóng)田，圓形的圖案是圓形灌溉農(nóng)田。

☆ 圓形灌溉農(nóng)田

在我的印象中，圓形噴灌機不過是一段段機械部件，在電機、電磁閥的驅(qū)動與控制下，邊走邊噴，進行澆灌、施肥和噴藥。即使有同事找我，想結(jié)合北斗做些研究和應(yīng)用，我也沒有想到高精度的RTK，在這種大型機械作業(yè)中有何特別的用途。但聽Lance一番介紹，深感自己孤陋寡聞和主觀臆斷。

☆ 噴灌機與農(nóng)田

圓形噴灌方式的一個顯著問題是農(nóng)田四角存在噴灑盲區(qū)。如圖所示，農(nóng)田面積約940畝地，噴灌機的有效作業(yè)面積約810畝地（半徑約410m）。也就是說，大約有130畝地被浪費了，占比14%。130畝的農(nóng)田價值約130萬元人民幣，可謂不小的損失。

☆ 圓形噴灌農(nóng)田

☆ 被“遺忘”的角落

針對這一問題，農(nóng)民也在想對策。有的農(nóng)場有四塊或多塊土地，就在四塊農(nóng)田之間，再加裝一個小半徑的圓形噴灌機，但四個角和農(nóng)田間的結(jié)合部依然存在浪費。

后來，有聰明的農(nóng)民和工程師，想到在噴灌機上安裝RTK接收機，精確設(shè)定噴灌機最外一節(jié)管道的收回與打開時機，不可謂不巧妙呀。當(dāng)噴灌機轉(zhuǎn)到角上時，可以停下來或慢慢行走，通過控制相鄰電機間的相對運動速度，“打開”最外一節(jié)管道，使之掃過原來夠不著的角落。等噴灌機轉(zhuǎn)到邊上時，如法炮制，又可以通過控制電機“收回”外面的管道，呈“7”字形地通過“狹窄路段”。就這樣，一開一收之間，近百畝的農(nóng)田就“無縫覆蓋”了。

☆ 增加小半徑圓形噴灌機

☆ 安裝RTK后的噴施效果

☆ 避免噴灑到農(nóng)場外面

農(nóng)田中常有溝渠和建筑物，是噴灌機作業(yè)的主要障礙。這又該如何應(yīng)對呢？RTK有辦法！噴灌機公司拿著手持RTK終端，先行精確測繪農(nóng)田輪廓，確定噴灌機的圓心坐標(biāo)，計算噴灌機每節(jié)管道的長度，通過簡單的圖形作業(yè)，就可以準(zhǔn)確地劃定噴灌機輪子行進的道路。針對障礙物，利用手持RTK終端進行標(biāo)繪，然后逢山開路、遇水疊橋。

☆ 田間障礙物　

☆ 跨過障礙物

☆ 精確修橋跨過蓄水池

在內(nèi)布拉斯加州及周邊，我預(yù)估圓形噴灌農(nóng)田有幾萬塊，如果每一部圓形噴灌機都安裝一臺或數(shù)臺RTK終端，那么就有數(shù)萬臺RTK終端的銷量，昨天拜訪的DigiFarm公司又可以增加大量的用戶。只可惜因經(jīng)費和時間原因，不能去現(xiàn)場實地調(diào)研。

我原想，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，RTK的重要應(yīng)用是自動駕駛和變量控制?，F(xiàn)在看來，應(yīng)該換個思路，琢磨哪些勞動生產(chǎn)率、土地利用率、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量或農(nóng)機管理效率還有待提高？從問題和需求入手，進行創(chuàng)新探索和實踐。

在我國，人們往往談農(nóng)色變，以為農(nóng)業(yè)是低下、落后的代名詞。但據(jù)說在美國，盡管只有不到2%的農(nóng)民，卻有約20%的人從事農(nóng)業(yè)相關(guān)的科研、制造和服務(wù)工作?，F(xiàn)在眾多的公立大學(xué)，很多是在152年前，在林肯總統(tǒng)批準(zhǔn)的“土地撥贈法案”（賈斯汀·摩利爾參議員提出）推動建立起來的。每個州立大學(xué)獲得本州約30000畝的土地，可用、可賣，但要求開設(shè)農(nóng)業(yè)、機械和軍事相關(guān)的學(xué)科，為國家和地方培養(yǎng)人才。正所謂十年樹木、百年樹人！

在回莫林市機場的路上，Lance常給我介紹路邊看到的東西。比如，縱橫交錯的鄉(xiāng)間道路，是由地方政府出資建設(shè)的“農(nóng)場至市場道路”，遠比洲際公路里程要長，而且等級比城市道路更高；大大小小的卡車，很多是用來運輸農(nóng)產(chǎn)品的；田邊的那條綠地，是美國農(nóng)業(yè)部指導(dǎo)種植的，以防化學(xué)品流入河流；那臺正在農(nóng)田中進行水利施工的工程機械，它的作業(yè)方案也是由農(nóng)業(yè)部指導(dǎo)和實施測繪的，以防水土流失和澇災(zāi)。最后，Lance還不忘驕傲地對我說，他的RTK產(chǎn)品，一半以上也是賣給了農(nóng)場主。

☆ 田邊綠草帶阻止化學(xué)品流入河流

衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用取決于人類的想象力！我們該主動探索，還是守株待兔？