基于北斗的農(nóng)田處理采集系統(tǒng)及應(yīng)用

● 文| 61920部隊(duì) 紀(jì)婉玉 蔣超

基于北斗的農(nóng)田處理采集系統(tǒng)及應(yīng)用

● 文| 61920部隊(duì) 紀(jì)婉玉 蔣超

摘 要：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)集定位、授時(shí)、短報(bào)文通信功能于一體，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械作業(yè)動(dòng)態(tài)導(dǎo)航和信息采集樣點(diǎn)定位功能，在解決信息實(shí)時(shí)獲取這一關(guān)鍵問題上也發(fā)揮了極大的作用，使得精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)有了質(zhì)的提升。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

一、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展及瓶頸

1.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)簡(jiǎn)介

長(zhǎng)期以來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都是以田塊為基礎(chǔ)，把耕地看作是具有作物均勻生長(zhǎng)條件的對(duì)象進(jìn)行管理，利用統(tǒng)一的耕作播種、灌溉施肥、噴藥等農(nóng)藝措施，滿足于獲得農(nóng)場(chǎng)或田塊的平均產(chǎn)量。實(shí)際上，在同一農(nóng)田內(nèi)，有許多因素影響著作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量，存在著明顯的時(shí)空差異性。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是在全球人口逐漸增多、耕地逐年減少的大背景下，在人們追求最低的投入、對(duì)環(huán)境最小的危害、換取最大產(chǎn)量和最好品質(zhì)的意愿下，由農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)和信息技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來的，是社會(huì)需求和科技進(jìn)步的產(chǎn)物。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中涉及的主要技術(shù)包括遙感技術(shù)（RS）、地理信息技術(shù)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)（ES）,決策支持系統(tǒng)（DSS）、作物生長(zhǎng)模擬系統(tǒng)（SS）和變量投入技術(shù)（VRT）。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的核心指導(dǎo)思想就是要利用現(xiàn)代地球空間信息技術(shù)獲取農(nóng)田內(nèi)影響作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的各種因素的時(shí)空差異。避免因?qū)r(nóng)田的盲目投入所造成的浪費(fèi)和過量施肥施藥造成的環(huán)境污染。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)要求實(shí)時(shí)獲取地塊中每個(gè)小區(qū)(每平方米到每百平方米)土壤與作物信息，診斷作物長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量在空間上差異的原因，并按每個(gè)小區(qū)做出決策，準(zhǔn)確地在每個(gè)小區(qū)進(jìn)行灌溉、施肥、噴藥等，以求達(dá)到最大限度地提高水、肥、藥的利用效率。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)要求實(shí)現(xiàn)三個(gè)精確：定位的精確，精確地確定灌溉施肥、殺蟲的地點(diǎn)；定量的精確，精確地確定水、肥、殺蟲劑的施用量；定時(shí)的精確，精確地確定作業(yè)的時(shí)間。

2．精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在中國(guó)的發(fā)展

20世紀(jì)，農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)的發(fā)展奠定了機(jī)械化的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和物質(zhì)手段取得了長(zhǎng)足進(jìn)展和進(jìn)步。21世紀(jì)，隨著農(nóng)村大量勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，勞動(dòng)力成本的不斷提高，農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)向規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化快速發(fā)展。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的信息化、自動(dòng)化、智能化水平突飛猛進(jìn)，秉承資源節(jié)約、環(huán)境友好等可持續(xù)發(fā)展的理念和技術(shù)思想，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)體系正在確立，而其中的代表性技術(shù)就是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)低耗、高效、優(yōu)質(zhì)、安全的重要途徑，是全球農(nóng)業(yè)科技革命的方向，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的有效途徑。目前，我國(guó)在北京、上海、新疆及東北等地均有精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地，用“數(shù)字”說話的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更節(jié)約、更環(huán)保、更高產(chǎn)，其所帶來的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益已經(jīng)凸顯。

3．精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸

由于田間作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，地區(qū)差異性較大，目前信息獲取仍是制約精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。其中土壤墑情信息采集、作物病蟲草害信息的實(shí)時(shí)快速采集技術(shù)、作物生長(zhǎng)發(fā)育營(yíng)養(yǎng)信息的實(shí)時(shí)快速測(cè)量技術(shù)等仍是各國(guó)發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)亟待解決的難題。

以土壤養(yǎng)分信息采集為例，一種間接測(cè)量方法是根據(jù)作物的生長(zhǎng)情況來判斷土壤的肥力，但是作物的生長(zhǎng)狀況是水分、肥力、種子以及病蟲草害等多種因素的綜合反映，想要判斷準(zhǔn)確非常難。目前土壤養(yǎng)分的直接檢測(cè)方法是在田間劃分網(wǎng)格進(jìn)行土壤取樣，化驗(yàn)分析，這種方法土壤取樣數(shù)較多，成本比較高，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所獲得的信息時(shí)效性極差，不太具備指導(dǎo)意義。

二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的作用

1．衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速度、高精度、低成本、簡(jiǎn)單操作等特點(diǎn)，能快速準(zhǔn)確地獲取研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)資源的空間位置信息，提供大量其他常規(guī)手段難以得到的資源信息。總結(jié)起來，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中主要應(yīng)用于3個(gè)方面：

1）智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的動(dòng)態(tài)定位，即根據(jù)管理信息系統(tǒng)發(fā)出的指令，實(shí)施田間播種、施肥、灌溉、排水、噴藥和收獲的精確定位。

2）農(nóng)業(yè)信息采集樣點(diǎn)定位，即在農(nóng)田設(shè)置的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)、自動(dòng)或人工數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)均需衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，以便形成數(shù)字信息存貯與共享。

3）遙感信息衛(wèi)星導(dǎo)航定位，即對(duì)遙感信息中的特征點(diǎn)用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)采集定位數(shù)據(jù)，以便于與GIS配套應(yīng)用。

2．北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)

衛(wèi)星定位系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供了基本的條件。北斗系統(tǒng)作為我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)上具有十分有利的優(yōu)勢(shì)：

1）精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)需要獲取兩種信息：一是土壤信息，包括土壤含水率、pH值、有機(jī)質(zhì)含量、電導(dǎo)率等；二是環(huán)境信息，包括環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、光照強(qiáng)度、作物病蟲害信息等。這些信息的時(shí)效性非常重要，需要做到實(shí)時(shí)傳輸，北斗系統(tǒng)的短報(bào)文通信傳輸時(shí)延基本不超過1s，有效保證了用戶定位請(qǐng)求和通信請(qǐng)求等業(yè)務(wù)傳輸、處理的時(shí)效性。

2）北斗系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、快速、全天候測(cè)量農(nóng)田位置信息與對(duì)應(yīng)的時(shí)間，受外界環(huán)境影響較??；直接接收衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行三維定位，測(cè)量點(diǎn)之間相互獨(dú)立，不存在誤差積累的問題；擺脫了傳統(tǒng)測(cè)量中必須先布置控制網(wǎng)的約束，可直接對(duì)小范圍進(jìn)行測(cè)量，減少了中間環(huán)節(jié)。

3）北斗系統(tǒng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)完全為中國(guó)所有，系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)全部由中國(guó)控制，且具有加密功能，具有安全可靠、采集數(shù)據(jù)不出境的優(yōu)點(diǎn)。

三、基于北斗的農(nóng)田信息采集處理系統(tǒng)

1．系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該系統(tǒng)綜合采用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)、GPS導(dǎo)航定位技術(shù)、北斗衛(wèi)星定位通信技術(shù)、GIS地理信息技術(shù)和衛(wèi)星遙感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了土壤含水量、溫濕度和地理位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、旱情綜合分析、土地面積和距離丈量等多種農(nóng)田信息的綜合采集，利用GIS系統(tǒng)強(qiáng)大的圖形圖像管理功能和疊加顯示分析功能，為工作人員和決策者提供可視化的操作和決策平臺(tái)，為土壤墑情及地理位置等多維動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集及綜合應(yīng)用提供全面和先進(jìn)的解決方案。

2．系統(tǒng)功能

1）農(nóng)田土壤、位置、環(huán)境等信息的采集；

2）前端傳感器采集各類數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行?，再由信息中心整理后傳輸給農(nóng)戶；

3）利用地理空間數(shù)據(jù)庫對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理；

4）以網(wǎng)頁的形式為廣大農(nóng)戶提供數(shù)據(jù)平臺(tái)服務(wù)；

5）結(jié)合農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，根據(jù)產(chǎn)量的空間差異性，分析原因做出診斷，提出科學(xué)處方，指導(dǎo)科學(xué)的調(diào)控操作，為用戶提供決策支持服務(wù)。

3．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于北斗的農(nóng)田信息采集處理系統(tǒng)主要由前端監(jiān)測(cè)點(diǎn)、應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)、用戶端三個(gè)部分組成，如圖1所示。其中前端監(jiān)測(cè)點(diǎn)將所需信息實(shí)時(shí)采集，通過通信鏈路發(fā)送至應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，為用戶提供各種服務(wù)，用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問平臺(tái)。

圖1 農(nóng)田信息采集處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4．實(shí)現(xiàn)方案

（1）前端監(jiān)測(cè)點(diǎn)

如圖1所示，前端監(jiān)測(cè)點(diǎn)由傳感器和北斗用戶機(jī)組成，既可以作為便攜式設(shè)備使用，又可以固定在田間組成數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，通過無線傳輸?shù)男问脚c控制中心進(jìn)行聯(lián)系。傳感器測(cè)出的土壤含水量、pH值等物理量送至數(shù)據(jù)采集終端，通信模塊的控制電路從終端設(shè)備串行數(shù)據(jù)中讀取設(shè)備識(shí)別號(hào)、采集時(shí)間、采集數(shù)據(jù)等相關(guān)物理量，并將數(shù)據(jù)打包后發(fā)送。

前端傳感器采集到的各類數(shù)據(jù)通過有線和無線兩種方式傳輸?shù)娇刂浦行?，其中無線網(wǎng)絡(luò)又分為GSM網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)兩種，北斗用戶機(jī)兼有衛(wèi)星定位和衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸功能，配置在地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不能覆蓋的采集點(diǎn)，可保證網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)暢通。

（2）應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)

平臺(tái)接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行整理，將這些數(shù)據(jù)錄入本地的專題數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)被地理信息系統(tǒng)所調(diào)用，提供各種可視化的數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用分析，結(jié)合農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，根據(jù)產(chǎn)量的空間差異性，分析原因做出診斷，提出科學(xué)處方，指導(dǎo)科學(xué)的調(diào)控操作。避免了過量施用農(nóng)藥和化肥造成的生產(chǎn)成本增長(zhǎng)和污染農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和價(jià)值下降的嚴(yán)重后果；利用GIS系統(tǒng)強(qiáng)大的圖形圖像管理功能和疊加顯示分析功能，為工作人員和決策者提供可視化的操作和決策平臺(tái)。

（3）用戶端

各類用戶也可以通過互聯(lián)網(wǎng)或VPN虛擬專網(wǎng)對(duì)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行訪問，以獲取所需的各種服務(wù)，提供的服務(wù)主要有如下幾種：

1）全天不間斷數(shù)據(jù)在線服務(wù)；

2）數(shù)據(jù)托管服務(wù)，即在用戶不在線時(shí)由監(jiān)控服務(wù)中心儲(chǔ)存采集來的數(shù)據(jù)，用戶一上線，立即將這些數(shù)據(jù)下載到用戶本地；

3）接受用戶請(qǐng)求，實(shí)施對(duì)前端傳感器的遙控；

4）為用戶提供遠(yuǎn)程軟件在線升級(jí)服務(wù)；

5）在得到用戶和系統(tǒng)許可的情況下，與其他用戶共享數(shù)據(jù)等。

四、展望

我國(guó)是世界大國(guó)，人口多耕地少的基本國(guó)情決定了解決糧食問題的根本出路在于發(fā)展現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)必將成為新世紀(jì)高新技術(shù)的熱門課題。

我國(guó)各地的自然條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件差異明顯，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平差距較大，農(nóng)業(yè)集約化總體水平較低，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益，從而使得精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)踐得到迅速的推廣。現(xiàn)在兩者的結(jié)合只是初步的涉及到精準(zhǔn)施肥、灌溉、防治病蟲害和機(jī)械耕作等方面，對(duì)于更精細(xì)更高要求的農(nóng)業(yè)來說，還要提高衛(wèi)星定位農(nóng)業(yè)應(yīng)用的精度要求，例如在制作農(nóng)田電子地圖、土壤采樣、變量噴灑和鋪設(shè)灌溉管道方面的精確定位等方面還需要多試驗(yàn)應(yīng)用。在設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展較快的地區(qū)使用精準(zhǔn)設(shè)施農(nóng)業(yè)可增加農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，節(jié)約水、肥資源，保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1]史國(guó)濱.GPS和GIS技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（5）：1948-1950.

[2]吳才聰.衛(wèi)星定位技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].全球定位系統(tǒng)，2004（1）：35-41.

[3]張陰東.淺議精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)及其應(yīng)用[J].農(nóng)林科學(xué)，2010（10）：152-154.