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精准农业和灌溉——当前美国观点
精准农业与灌溉 – 美国当前观点 Steven R. Evett，美国农业部农业研究局自然资源与可持续农业系统代理副局长，steve.evett@ars.usda.gov Susan A. O’Shaughnessy，美国农业部农业研究局农业研究工程师，P.O.抽屉 10，2300 Experimental Station Road，Bushland，TX 79102，美国，Susan.O’Shaughnessy@ars.usda.gov Manuel A. Andrade，美国农业部农业研究局赞助的橡树岭科学与教育研究所农业研究工程师，P.O.抽屉 10，2300 Experimental Station Road，Bushland，TX 79102，美国，Alejandro.Andrade@ars.usda.gov 摘要。精准农业 (PA) 作为农业经营的概念框架，满足了管理农场、流域、区域和国际范围内田间和田间变异的需求。自 20 世纪 80 年代美国现代 PA 诞生以来，PA 的使用方式、所涉及的目标以及支持它的技术发生了巨大变化。全球定位系统 (GPS) 可供公众使用。结合最初为卫星图像开发的地理信息系统 (GIS) 计算机技术，PA 成为农民规划特定地点农业经营的主流工具，早期包括施肥，其次是播种率、种子品种、农药喷洒，现在是特定地点灌溉。配备 GPS 转向和位置感知监督控制系统的设备允许将预先确定的场地特定处方图下载到设备中，并用于关闭喷洒系统，例如，当喷洒系统经过水道时。支持 GPS 的收割设备生成的产量图是用于场地特定管理的第一批数据之一，由于缺乏共变现场数据和基于土壤时空特性如何影响植物发育的充分决策支持系统 (DSS)，结果往往令人困惑。然而，这种被动和间接的 PA 已经发展到提供更强大的解决方案，例如，根据地理参考土壤采样提供可变速率施肥，从而生成肥料需求处方图。或者另一个例子，基于多卫星传感器融合的 30 米分辨率作物用水图进行空间可变灌溉管理。许多较为成功的 PA 技术都涉及机载传感器系统，该系统将数据提供给嵌入式计算平台，从而对设备进行实时调整。此类主动和直接 PA 系统使用现代技术，例如，在有杂草时打开喷洒设备，否则关闭，或者在非生物胁迫传感器指示作物缺水时打开可变速率灌溉喷嘴。此类监控和数据采集 (SCADA) 系统依赖于基于对生物物理学和生物系统的复杂理解的算法。如今，计算能力、数据采集和管理基础设施、新建模范式和空间决策支持系统的融合为 PA 带来了新的可能性。PA 服务的提供者现在包括从国家到地方各级的政府机构、私人提供者（通常使用来自政府地面、空中和卫星传感系统的公开数据）、大学推广系统和农民合作社。数据来源范围从公共领域到农民或第三方持有的私人数据。有关数据标准、数据共享、数据所有权以及公共和私人权利的问题进一步增加了现代 PA 的复杂性，但公共和私人机构都在积极解决这些问题。
精准农业和灌溉——当前美国观点
精准农业与灌溉 — — 美国当前观点 Steven R. Evett，美国农业部农业研究局自然资源与可持续农业系统代理副局长，steve.evett@ars.usda.gov Susan A. O'Shaughnessy，美国农业部农业研究局农业研究工程师，邮政信箱 10，2300 Experimental Station Road，Bushland，TX 79102，美国，Susan.O'Shaughnessy@ars.usda.gov Manuel A. Andrade，美国农业部农业研究局赞助的橡树岭科学与教育研究所农业研究工程师，邮政信箱 10，2300 Experimental Station Road，Bushland，TX 79102，美国，Alejandro.Andrade@ars.usda.gov 摘要精准农业 (PA) 作为农业经营的概念框架，满足了管理农场、流域、区域和国际田间和田间差异的需求。自 20 世纪 80 年代美国全球定位系统 (GPS) 向公众开放以来，PA 的使用方式、所涉及的目标以及支持它的技术发生了巨大变化。结合最初为卫星图像开发的地理信息系统 (GIS) 计算机技术，PA 成为农民规划特定地点农业作业的主流工具，早期包括施肥，随后是播种率、种子品种、农药喷洒，现在是特定地点灌溉。配备 GPS 转向和位置感知监控系统的设备允许将预先确定的特定地点处方图下载到设备中，并用于例如在喷洒系统经过水道时关闭喷洒系统。支持 GPS 的收割设备生成的产量图是用于特定地点管理的第一批数据之一，由于缺乏共变田间数据和基于土壤时空特性如何影响植物发育的充分决策支持系统 (DSS)，结果往往令人困惑。然而，这种被动和间接的 PA 已经发展到可以提供更强大的解决方案，例如，根据地理参考土壤采样提供可变速率的肥料施用，从而生成肥料需求处方图。或者再举一个例子，基于多卫星传感器融合的 30 米分辨率作物用水地图进行空间可变灌溉管理。许多更成功的 PA 技术涉及机载传感器系统，该系统将数据提供给嵌入式计算平台，从而对设备进行实时调整。这种主动和直接的 PA 系统使用现代技术，例如，在有杂草时打开喷洒设备，否则关闭，或者在非生物胁迫传感器指示作物缺水时打开可变速率灌溉喷嘴。此类监控和数据采集 (SCADA) 系统依赖于基于对生物物理学和生物系统的复杂理解的算法。如今，计算能力、数据采集和管理基础设施、新建模范式和空间决策支持系统的融合为 PA 带来了新的可能性。PA 服务的提供者现在包括从国家到地方各级的政府机构、私人提供者（通常使用来自政府地面、空中和卫星传感系统的公开数据）、大学推广系统和农民合作社。数据来源范围从公共领域到农民或第三方持有的私人数据。有关数据标准、数据共享、数据所有权以及公共和私人权利的问题进一步增加了现代 PA 的复杂性，但公共和私人机构都在积极解决这些问题。
和多波束声纳后向散射图像
(https://maps.ccom.unh.edu/portal/apps/webappviewer/index.html?id=28df035fe82c423cb3517295d9 bbc24c#. 2021 年 12 月 10 日) ........................................................................................................................... 20 图 19：R/V Gulf Surveyor (http://ccom.unh.edu/facilities/research-vessels/rv-gulf-surveyor)。 .......... 21 图 20：RVGS 图，其中包含关键位置和拖曳点相对于船舶参考点的偏移（未按比例绘制）。 ............................................................................................................................. 21 图 21：安装了拖缆的 R/V Gulf Surveyor 甲板上的 Klein 4K-SVY 侧扫。 ............................................................................................. 23 图 22：具有声学阴影、距离尺度、第一次回波和水柱的典型 SSS 数据示例。 ........................................................................................................................................................... 24 图 23：带有集成表面声速探头的 Kongsberg EM2040P MBES。 (https://www.kongsberg.com/maritime/products/ocean-science/mapping-systems/multibeam-echo- sounders/em-2040p-mkii-multibeam-echosounder-max.-550-m/) ........................................................................... 25 图 24：安装在 R/V Gulf Surveyor 中心支柱上的 EM2040P（照片：NOAA 的 Patrick Debroisse 中尉）。 ........................................................................................................................................... 26 图 25：在 50m 范围内布置用于位置置信度检查的 SSS 线。 ........................................................................... 27 图 26：相对于 MBES 目标位置（红色）的 SSS 接触位置（蓝色）。 ......................... 28 图 27：地理参考框架和船舶参考框架中的接触位置误差。接触位置主要位于 MBES 位置的东面。 ......................................................................... 28 图 28：应用地图校正后的 SSS 接触位置。 ......................................................................... 29 图 29：应用地图校正后，在地理和船舶参考框架中看到的 SSS 接触位置 ............................................................................................................................. 29 图 30：测量区域，其中 60m 和 80m 线路平面图以红色显示。 ........................................................................... 30 图 31：掩盖马赛克（左）隐藏接触，透过马赛克（右）显示接触。 ...... 32 图 32：使用自动所有数据，显示应用增益和定位校正之前的所有线路的 SSS 马赛克。覆盖在 RNC 13283 上。...................................................................................................... 33 图 33：使用 Auto-All 数据可视化应用地图校正和 EGN 后的 SSS。....... 34 图 34：DTM（顶部）显示折射伪影，与 ping 数据（底部）中看到的伪影相同。...................................................................................................................................................................... 35 图 35：EM2040P MBES 数据的全覆盖 DTM............................................................................................................. 36 图 36：EM2040P 数据从天底滤波到 45º 后的 DTM。............................................................................. 37 图 37：EM2040P 以 300 kHz 和 50cm 分辨率收集的 MBAB。西北采集点在左侧，东南采集点在右侧。后向散射强度以分贝表示，默认比例为 10 到 -70dB。 ........................................................................................................................... 38 图 38：调整后的 NW MBES 数据可视范围为 -4 至 -28db.................................... 39 图 39：SSS 接触位置（左）和 MBES 假定的“真实”位置（右）。........................................ 40 图 40：应用地图校正后的 SSS 接触位置。原始 SSS 位置以绿色标记标注。............................................................................................................. 41 图 41：地图校正前（左）和地图校正后（右）的另一个示例，最初显示两条独立的龙虾笼线。............................................................................................. 41 图 42：应用地图校正后，两条 SSS 线之间的差异约为 7.5 米。红色框突出显示了沙波应重叠的区域。............................................................................. 42 图 43：NW 采集站点：叠加之前的 MBES（顶部）、SSS（中）和 MBES 后向散射（底部）。 ........................................................................................................................................................... 44 图 44：SE 采集点：叠加前的 MBES（顶部）、SSS（中间）和 MBES 背向散射（底部）。 ........................................................................................................................................... 45左侧为西北方向采集点，右侧为东南方向采集点。后向散射强度以分贝表示，默认范围为 10 至 -70dB。 ........................................................................................................................... 38 图 38：调整后的西北方向 MBES 数据可视范围为 -4 至 -28db........................................ 39 图 39：SSS 接触位置（左）和 MBES 假定的“真实”位置（右）。............................................................. 40 图 40：应用地图校正后的 SSS 接触位置。原始 SSS 位置以绿色标记标注。 .................................................................................................................... 41 图 41：地图校正前（左）和地图校正后（右）的另一个示例，最初显示两条独立的龙虾笼线。 .................................................................................................................... 41 图 42：应用地图校正后，两条 SSS 线之间的差异约为 7.5 米。红框突出显示了沙波应该重叠的区域。 ........................................................................... 42 图 43：NW 采集点：MBES（顶部）、SSS（中间）和 MBES 背向散射（底部）在叠加之前。 ............................................................................................................................................................. 44 图 44：SE 采集点：MBES（顶部）、SSS（中间）和 MBES 背向散射（底部）在叠加之前。 ............................................................................................................................................................. 45左侧为西北方向采集点，右侧为东南方向采集点。后向散射强度以分贝表示，默认范围为 10 至 -70dB。 ........................................................................................................................... 38 图 38：调整后的西北方向 MBES 数据可视范围为 -4 至 -28db........................................ 39 图 39：SSS 接触位置（左）和 MBES 假定的“真实”位置（右）。............................................................. 40 图 40：应用地图校正后的 SSS 接触位置。原始 SSS 位置以绿色标记标注。 .................................................................................................................... 41 图 41：地图校正前（左）和地图校正后（右）的另一个示例，最初显示两条独立的龙虾笼线。 .................................................................................................................... 41 图 42：应用地图校正后，两条 SSS 线之间的差异约为 7.5 米。红框突出显示了沙波应该重叠的区域。 ........................................................................... 42 图 43：NW 采集点：MBES（顶部）、SSS（中间）和 MBES 背向散射（底部）在叠加之前。 ............................................................................................................................................................. 44 图 44：SE 采集点：MBES（顶部）、SSS（中间）和 MBES 背向散射（底部）在叠加之前。 ............................................................................................................................................................. 45........... 42 图 43：NW 采集点：MBES（顶部）、SSS（中间）和 MBES 背向散射（底部）在叠加之前。 ............................................................................................................................................................. 44 图 44：SE 采集点：MBES（顶部）、SSS（中间）和 MBES 背向散射（底部）在叠加之前。 ............................................................................................................................................................. 45........... 42 图 43：NW 采集点：MBES（顶部）、SSS（中间）和 MBES 背向散射（底部）在叠加之前。 ............................................................................................................................................................. 44 图 44：SE 采集点：MBES（顶部）、SSS（中间）和 MBES 背向散射（底部）在叠加之前。 ............................................................................................................................................................. 45