农业工程数字化管理作业指导书

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农业工程数字化管理作业指导书
第 1 章 绪论.................................................................................................................................. 4
1 农业工程数字化管理概述............................................................................................. 4
2 数字化管理在农业工程中的应用................................................................................. 4
2.1 农业生产数据采集与分析......................................................................................... 4
2.2 智能化决策支持......................................................................................................... 4
2.3 农业资源管理............................................................................................................. 4
2.4 农业机械自动化......................................................................................................... 4
2.5 农产品质量追溯......................................................................................................... 4
2.6 农业信息服务............................................................................................................. 5
2.7 农业生态环境监测..................................................................................................... 5
第 2 章 农业数据采集与管理....................................................................................................... 5
1 数据采集技术................................................................................................................ 5
1.1 传感器技术................................................................................................................ 5
1.2 遥感技术.................................................................................................................... 5
1.3 无人机技术................................................................................................................ 5
2 数据传输与存储............................................................................................................. 5
2.1 数据传输技术............................................................................................................. 5
2.2 数据存储技术............................................................................................................. 5
3 数据预处理方法............................................................................................................. 6
3.1 数据清洗.................................................................................................................... 6
3.2 数据集成.................................................................................................................... 6
3.3 数据规范化................................................................................................................ 6
3.4 数据降维.................................................................................................................... 6
3.5 特征提取.................................................................................................................... 6
第 3 章 农田信息监测技术........................................................................................................... 6
1 土壤参数监测................................................................................................................ 6
1.1 监测内容.................................................................................................................... 6
1.2 监测方法.................................................................................................................... 6
1.3 数据处理与分析......................................................................................................... 7
2 气象信息监测................................................................................................................ 7
2.1 监测内容.................................................................................................................... 7
2.2 监测方法.................................................................................................................... 7
2.3 数据处理与分析......................................................................................................... 7
3 植物生长状态监测......................................................................................................... 7
3.1 监测内容.................................................................................................................... 7
3.2 监测方法.................................................................................................................... 7
3.3 数据处理与分析......................................................................................................... 7
第 4 章 智能控制系统................................................................................................................... 8
1 自动控制原理................................................................................................................ 8
1.1 开环控制.................................................................................................................... 8

1.2 闭环控制.................................................................................................................... 8
2 智能控制器设计............................................................................................................. 8
2.1 硬件设计.................................................................................................................... 8
2.2 软件设计.................................................................................................................... 8
3 农业设施控制系统应用................................................................................................. 8
3.1 温室控制系统............................................................................................................. 8
3.2 自动灌溉系统............................................................................................................. 9
3.3 育苗床控制系统......................................................................................................... 9
3.4 农业控制系统............................................................................................................. 9
3.5 智能监测与预警系统................................................................................................. 9
第 5 章 农业无人机技术............................................................................................................... 9
1 无人机概述.................................................................................................................... 9
2 无人机在农业工程中的应用......................................................................................... 9
2.1 农田信息监测............................................................................................................. 9
2.2 精准农业.................................................................................................................... 9
2.3 农田植保.................................................................................................................... 9
2.4 农产品物流.............................................................................................................. 10
3 无人机飞行控制系统................................................................................................... 10
3.1 飞行控制系统架构................................................................................................... 10
3.2 飞行控制算法........................................................................................................... 10
3.3 飞行控制系统硬件................................................................................................... 10
3.4 飞行控制系统软件................................................................................................... 10
3.5 无人机飞行安全与法规........................................................................................... 10
第 6 章 农业物联网技术............................................................................................................. 10
1 物联网基础理论........................................................................................................... 10
1.1 物联网定义.............................................................................................................. 10
1.2 物联网核心技术....................................................................................................... 11
1.3 物联网在农业领域的应用优势............................................................................... 11
2 农业物联网架构与关键技术....................................................................................... 11
2.1 农业物联网架构....................................................................................................... 11
2.2 关键技术.................................................................................................................. 11
3 农业物联网应用案例................................................................................................... 11
3.1 智能温室.................................................................................................................. 11
3.2 精准农业.................................................................................................................. 12
3.3 农业机械化.............................................................................................................. 12
3.4 农产品质量安全追溯............................................................................................... 12
3.5 农业电子商务........................................................................................................... 12
第 7 章 智能农业机械设备......................................................................................................... 12
1 智能农业机械概述....................................................................................................... 12
2 自动导航与定位技术................................................................................................... 12
2.1 GPS 定位技术：全球定位系统（Global Positioning System，GPS）在农业机
械中的应用，包括差分 GPS 技术、实时动态差分技术等。.............................................12
2.2 地磁导航技术：地磁导航技术利用地球磁场进行导航，具有抗干扰能力强、定
位精度高等特点。.............................................................................................................. 12

2.3 视觉导航技术：视觉导航技术通过摄像头获取农田图像信息，实现对农业机械
的定位和导航。.................................................................................................................. 12
3 农业机械自动化作业控制........................................................................................... 12
3.1 自动化作业控制系统：介绍农业机械自动化作业控制系统的组成、功能及其工
作原理。.............................................................................................................................. 13
3.2 作业参数监测与调整：通过传感器实时监测农田土壤、作物等作业环境参数，
自动调整农业机械的作业速度、深度等参数。................................................................ 13
3.3 作业质量评价与优化：根据农田作业质量评价指标，对农业机械的作业效果进
行评价，并通过控制系统对作业过程进行优化。............................................................ 13
3.4 作业数据管理与决策支持：收集农田作业数据，进行数据分析和处理，为农业
生产决策提供支持。........................................................................................................... 13
第 8 章 农业信息化平台建设..................................................................................................... 13
1 农业信息化平台架构................................................................................................... 13
1.1 平台概述.................................................................................................................. 13
1.2 架构设计.................................................................................................................. 13
2 数据分析与决策支持................................................................................................... 14
2.1 数据分析.................................................................................................................. 14
2.2 决策支持.................................................................................................................. 14
3 农业电子商务.............................................................................................................. 14
3.1 电子商务概述........................................................................................................... 14
3.2 电子商务平台功能................................................................................................... 14
第 9 章 农业数字化管理案例分析............................................................................................. 15
1 精准农业管理案例....................................................................................................... 15
1.1 案例一：基于 GIS 的农田土壤肥力管理................................................................15
1.2 案例二：农业无人机在精准农业中的应用............................................................ 15
2 农业物联网应用案例................................................................................................... 15
2.1 案例一：智能温室物联网控制系统........................................................................ 15
2.2 案例二：农业水肥一体化物联网系统.................................................................... 15
3 农业智能化管理案例................................................................................................... 15
3.1 案例一：基于大数据的农业气象服务.................................................................... 15
3.2 案例二：智能农机作业调度系统........................................................................... 16
3.3 案例三：农业产业链数字化管理平台.................................................................... 16
第 10 章 农业工程数字化管理发展趋势与展望........................................................................ 16
1 发展趋势.................................................................................................................... 16
1.1 数据驱动的决策支持............................................................................................. 16
1.2 智能化技术的应用................................................................................................. 16
1.3 网络化协同作业..................................................................................................... 16
1.4 绿色可持续发展..................................................................................................... 16
2 技术挑战与解决方案................................................................................................. 16
2.1 数据采集与处理..................................................................................................... 16
2.2 智能化技术融合..................................................................................................... 17
2.3 网络安全与隐私保护............................................................................................. 17
3 未来展望与应用前景................................................................................................. 17
3.1 农业生产智能化..................................................................................................... 17

10.3.2 农业产业链整合..................................................................................................... 17

10.3.3 农业绿色发展......................................................................................................... 17

10.3.4 农业社会化服务..................................................................................................... 17

第 1 章绪论

1.1 农业工程数字化管理概述

农业工程数字化管理是指运用计算机技术、通信技术、物联网技术、大数据

技术等现代信息技术手段，对农业生产的各个环节进行智能化、精确化、高效化

的管理与控制。其核心目标是通过数字化手段提高农业生产效率、降低生产成本

提升农产品质量和农业可持续发展能力。农业工程数字化管理涉及作物生长模拟

农业资源管理、农业生产过程监控、农产品质量追溯等多个方面。

1.2 数字化管理在农业工程中的应用

1.2.1 农业生产数据采集与分析

数字化管理在农业生产过程中，首先需要对生产数据进行实时采集。通过传

感器、无人机、卫星遥感等技术手段，收集土壤、气候、作物长势等数据。然后利

用数据分析方法，对数据进行分析处理，为农业生产提供科学依据。

1.2.2 智能化决策支持

基于农业生产数据分析，数字化管理可以为农民提供精准施肥、灌溉、病虫

害防治等决策支持。通过智能化决策支持系统，实现对农业生产过程的实时监控

和自动化调控，提高农业生产效益。

1.2.3 农业资源管理

数字化管理可以对农业资源进行高效配置，如水资源、土地资源、肥料等。

通过对资源的合理调配，实现农业生产的可持续发展。同时数字化管理有助于监

测农业资源使用状况，为政策制定提供依据。

1.2.4 农业机械自动化

数字化管理推动农业机械向自动化、智能化方向发展。通过将传感器、控制

器、执行器等设备应用于农业机械，实现机械的精准作业，降低劳动强度，提高

作业效率。

1.2.5 农产品质量追溯

在农产品流通环节，数字化管理可以实现对农产品质量的有效监管。通过建

立农产品质量追溯体系，消费者可以了解农产品从田间到餐桌的整个生产过程，

提高消费者对农产品的信任度。

1.2.6 农业信息服务

数字化管理为农业信息服务提供了便捷途径。通过农业信息平台，农民可以

获取政策法规、市场行情、技术指导等信息，提高农业生产决策的科学性。

1.2.7 农业生态环境监测

数字化管理技术还可以用于农业生态环境监测，如土壤污染、水体污染、空

气污染等。通过实时监测和预警，为农业生态环境保护提供技术支持。

数字化管理在农业工程中的应用具有广泛前景，有助于提高农业生产水平，

促进农业可持续发展。

第 2 章农业数据采集与管理

2.1 数据采集技术

2.1.1 传感器技术

在农业工程数字化管理中，传感器技术是实现数据采集的核心。本章首先介

绍各类农业传感器的工作原理、功能参数及其在农业数据采集中的应用。主要包

括温度、湿度、光照、土壤养分、病虫害等传感器的选用与配置。

2.1.2 遥感技术

遥感技术通过获取地物反射、辐射、散射等信息，实现大范围、快速、动态的

农业数据监测。本章主要介绍遥感平台、传感器、数据处理与分析等关键技术，

以及在我国农业数据采集中的应用案例。

2.1.3 无人机技术

无人机技术具有灵活、高效、低成本等特点，已广泛应用于农业数据采集。

本章主要介绍无人机类型、飞行控制系统、载荷设备以及农业数据采集应用。

2.2 数据传输与存储

2.2.1 数据传输技术

数据传输技术是保证农业数据实时、高效传输的关键。本章介绍有线和无线

传输技术，如光纤、移动通信、卫星通信等，并分析各种传输技术的优缺点及适

用场景。

2.2.2 数据存储技术

针对农业数据量大、类型复杂的特点，本章介绍数据存储技术，包括传统的

关系型数据库、非关系型数据库、分布式存储和云存储等。同时分析各种存储技

术在农业数据管理中的应用与优化策略。

2.3 数据预处理方法

2.3.1 数据清洗

数据清洗是保证数据质量的基础。本章介绍农业数据中常见的数据质量问题

如缺失值、异常值、重复值等，并提出相应的清洗方法。

2.3.2 数据集成

农业数据来源于不同的传感器和平台，数据格式和结构存在差异。本章介绍

数据集成方法，包括数据融合、数据对齐和数据转换等，以实现多源数据的一致

性。

2.3.3 数据规范化

为便于数据分析，需要对农业数据进行规范化处理。本章介绍数据规范化方

法，如归一化、标准化、离散化等，并分析其在农业数据预处理中的应用。

2.3.4 数据降维

农业数据维度较高，可能导致数据分析效率低下。本章介绍数据降维方法，

如主成分分析、线性判别分析等，以实现农业数据的有效降维。

2.3.5 特征提取

特征提取是农业数据预处理的关键环节。本章介绍基于统计、机器学习等方

法的特征提取技术，以及农业数据中常用的特征工程方法。

第 3 章农田信息监测技术

3.1 土壤参数监测

3.1.1 监测内容

土壤参数监测主要包括土壤湿度、土壤温度、土壤 pH 值、土壤电导率、土壤

养分含量等参数的测定。

3.1.2 监测方法

（1）土壤湿度：采用频率域反射仪（FDR）、时域反射仪（TDR）等技术进

行实时监测。

（2）土壤温度：利用温度传感器进行监测。

（3）土壤 pH 值和电导率：采用原位电极法进行测定。

（4）土壤养分含量：采用近红外光谱技术、X 射线荧光光谱技术等方法进

行监测。

3.1.3 数据处理与分析

对监测数据进行预处理，包括数据清洗、数据插补等，然后进行数据分析和

可视化，为农田灌溉、施肥等提供依据。

3.2 气象信息监测

3.2.1 监测内容

气象信息监测主要包括温度、湿度、风速、风向、降水量、太阳辐射等参数的

测定。

3.2.2 监测方法

（1）温度和湿度：采用温湿度传感器进行监测。

（2）风速和风向：利用风速风向传感器进行监测。

（3）降水量：采用雨量计进行测定。

（4）太阳辐射：采用太阳辐射传感器进行监测。

3.2.3 数据处理与分析

对气象监测数据进行实时采集、存储、传输和处理，为作物生长模拟、病虫

害防治等提供数据支持。

3.3 植物生长状态监测

3.3.1 监测内容

植物生长状态监测主要包括叶面积指数（L）、植被覆盖率、作物长势、生物

量等参数的测定。

3.3.2 监测方法

（1）叶面积指数（L）：采用激光雷达、光学仪器等方法进行测定。

（2）植被覆盖率：利用遥感技术、无人机摄影测量等方法进行监测。

（3）作物长势：采用多光谱、高光谱遥感技术进行监测。

（4）生物量：通过遥感数据与地面实测数据相结合，建立生物量估算模型

进行监测。

3.3.3 数据处理与分析

对植物生长状态监测数据进行处理和分析，为农田管理、作物估产等提供科

学依据。

第 4 章智能控制系统

4.1 自动控制原理

自动控制技术是农业工程数字化管理的关键技术之一。本节主要介绍自动控

制原理及其在农业工程中的应用。自动控制原理包括开环控制和闭环控制两大类

开环控制是指控制系统的输出不对输入产生反馈作用，而闭环控制则是控制系

统的输出会对输入产生反馈作用，形成闭合的控制回路。

4.1.1 开环控制

开环控制适用于简单的农业工程场景，其特点是结构简单、成本低、易于实

现。但开环控制无法自动调整输出以适应外部环境变化，因此在复杂多变的农业

环境中，其控制效果受到一定限制。

4.1.2 闭环控制

闭环控制具有较高的控制精度和适应性，能够根据外部环境和系统内部状

态自动调整控制参数。闭环控制主要包括比例（P）、积分（I）、微分（D）控制

以及先进的控制算法如模糊控制、神经网络控制等。

4.2 智能控制器设计

智能控制器是农业工程数字化管理的核心，其设计目标是实现对农业设施

的自动化、智能化控制。本节将从硬件和软件两个方面介绍智能控制器的设计方

法。

4.2.1 硬件设计

智能控制器硬件设计主要包括处理单元（CPU）、输入/输出接口、通信接口、

传感器接口等部分。在设计过程中，要充分考虑系统的可靠性、实时性、功耗等

要求。

4.2.2 软件设计

智能控制器软件设计主要包括控制算法的实现、用户界面设计、数据存储与

处理等。软件设计应遵循模块化、层次化的原则，便于维护和升级。

4.3 农业设施控制系统应用

本节将结合实际农业设施，介绍智能控制系统在农业工程中的应用。

4.3.1 温室控制系统

温室控制系统通过监测环境参数（如温度、湿度、光照等），自动调节温室

内的通风、灌溉、遮阳等设备，为作物生长提供适宜的环境。

4.3.2 自动灌溉系统

自动灌溉系统根据土壤湿度、作物需水量等参数，自动控制灌溉设备的启停

实现节水、高效灌溉。

4.3.3 育苗床控制系统

育苗床控制系统通过智能控制器对育苗床的温度、湿度、养分供应等进行调

控，提高育苗成活率。

4.3.4 农业控制系统

农业控制系统利用智能控制器实现对的导航、定位、作业控制等功能，提高

农业生产效率。

4.3.5 智能监测与预警系统

智能监测与预警系统通过收集农业设施内外的环境数据，实现对设施农业

风险的实时监测和预警，为农业生产提供决策支持。

第 5 章农业无人机技术

5.1 无人机概述

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一种不需要载人即可远程或

自主控制飞行的航空器。它具有轻便、灵活、成本低、操作简便等特点，广泛应用

于军事、民用和商业领域。农业无人机作为无人机在农业领域的应用，正逐渐改

变着传统农业生产方式，为农业工程提供了一种新型的技术手段。

5.2 无人机在农业工程中的应用

5.2.1 农田信息监测

农业无人机搭载高清摄像头、多光谱相机和热像仪等传感器，可实时获取农

田土壤、作物生长状况、病虫害等信息，为农业生产提供决策支持。

5.2.2 精准农业

利用无人机进行农田地形扫描和作物生长监测，结合地理信息系统（GIS）

和全球定位系统（GPS），实现农田的精准施肥、喷药和灌溉。

5.2.3 农田植保

农业无人机可搭载喷洒设备，对农田进行病虫害防治、施肥等植保作业，具

有高效、环保、减少劳动力成本等优点。

5.2.4 农产品物流

无人机可用于农产品运输，提高农产品物流效率，降低运输成本，尤其适

用于偏远山区和交通不便的地区。

5.3 无人机飞行控制系统

5.3.1 飞行控制系统架构

无人机飞行控制系统主要包括地面控制站、飞行器和通信链路三个部分。地

面控制站负责飞行任务的规划、监控和调度；飞行器完成具体的飞行任务；通信

链路实现地面控制站与飞行器之间的信息传输。

5.3.2 飞行控制算法

无人机飞行控制算法主要包括姿态控制、轨迹跟踪和路径规划等。这些算法

根据无人机的动力学模型、传感器数据和飞行任务要求，实现对无人机飞行轨迹

的精确控制。

5.3.3 飞行控制系统硬件

飞行控制系统硬件主要包括飞控计算机、传感器、执行器等。飞控计算机负

责处理传感器数据、执行控制算法和输出控制信号；传感器包括陀螺仪、加速度

计、磁罗盘等，用于感知无人机状态；执行器包括电机、舵机等，用于控制无人

机飞行。

5.3.4 飞行控制系统软件

飞行控制系统软件主要包括飞行控制算法、数据融合处理、通信协议等模块

软件通过实现飞行控制算法，实现对无人机的稳定飞行和任务执行。

5.3.5 无人机飞行安全与法规

为保证无人机飞行安全，我国已制定相关法规，对无人机飞行活动进行规

范。主要包括无人机飞行空域、飞行高度、飞行速度、飞行时间等方面的限制。同

时无人机飞行前需进行严格的安全检查，保证飞行器、通信系统和飞行操作符合

规定要求。

第 6 章农业物联网技术

6.1 物联网基础理论

6.1.1 物联网定义

物联网是指通过感知设备、网络传输和数据处理技术，将各种实体物体与网

络相连接，实现智能化管理和控制的技术。

6.1.2 物联网核心技术

（1）感知技术：包括传感器、标签、识别技术等，实现对农业环境、生物体

设备等信息的实时监测。

（2）网络传输技术：包括有线和无线通信技术，为农业物联网提供稳定、

高效的数据传输通道。

（3）数据处理技术：包括数据存储、处理和分析技术，为农业决策提供支

持。

6.1.3 物联网在农业领域的应用优势

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农业工程数字化管理作业指导书第1章绪论..................................................................................................................................41.1农业工程数字化管理概述.............................................................................................41.2数字化管理在农业工程中的应用............................

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