基于北斗和RS技術(shù)農(nóng)業(yè)施肥實(shí)時(shí)決策系統(tǒng)研究

李俊杰

【摘 要】中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要將北斗衛(wèi)星技術(shù)的定位，短報(bào)文通信功能、RS技術(shù)對(duì)土壤肥力的監(jiān)測(cè)以及對(duì)作物養(yǎng)分含量的監(jiān)測(cè)三種功能綜合構(gòu)建，能夠?qū)崟r(shí)實(shí)地地監(jiān)測(cè)土壤肥力，通過加以分析處理，達(dá)到能夠讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者實(shí)時(shí)了解自己土地的土壤肥力狀況，以及提供施肥決策，有助于國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥科學(xué)合理地施放。

【關(guān)鍵詞】北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；遙感技術(shù)；土壤肥力；化肥施放

中國(guó)作為擁有幾十億人口的農(nóng)業(yè)大國(guó)，近年來土壤質(zhì)量問題嚴(yán)峻。究其原因：難以獲取土壤質(zhì)量的信息，無法實(shí)時(shí)掌握土壤狀況，判讀其變化趨勢(shì)。當(dāng)今國(guó)內(nèi)不恰當(dāng)?shù)氖┓?，使得土壤中所含的有機(jī)質(zhì)過多或過少，影響作物的生產(chǎn)量，造成土地貧瘠。因此，如何實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤的肥力情況，在正確時(shí)間增減施肥，從而實(shí)現(xiàn)既可以增加農(nóng)作物生產(chǎn)，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的利益最大化，又可以避免環(huán)境的污染，同時(shí)兼顧性能，系統(tǒng)成本，和實(shí)際使用等方面因素。所以，本決策系統(tǒng)將北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、RS技術(shù)技術(shù)聯(lián)系在一起，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者提供所測(cè)得及時(shí)的土壤狀況信息，方便合理控制化肥地施放。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖1主要是將北斗衛(wèi)星技術(shù)的定位功能及短信通信功能、RS技術(shù)對(duì)土壤、作物養(yǎng)分的監(jiān)測(cè)功能綜合構(gòu)建，能夠?qū)崟r(shí)實(shí)地地監(jiān)測(cè)土壤肥力加以分析處理，最終得出施肥方案和生產(chǎn)布局建議。能夠讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者及時(shí)地了解自己土壤的狀況，在提高作物產(chǎn)量和保護(hù)環(huán)境方面都有著重要的影響。

1.1 北斗衛(wèi)星應(yīng)用模塊

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端三部分組成。其在監(jiān)測(cè)土壤肥力實(shí)時(shí)決策的應(yīng)用體現(xiàn)如下：

1.1.1 高精度定位

在接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)中，可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個(gè)方程式，解出觀測(cè)點(diǎn)的位置（X，Y，Z）?？紤]到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有4個(gè)未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，再引入第4顆衛(wèi)星，形成4個(gè)方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。北斗系統(tǒng)根據(jù)這一功能可以確定監(jiān)測(cè)土地具體位置信息，同時(shí)結(jié)合氣象衛(wèi)星就可以了解耕地周邊地理信息，氣候條件如年降水，均溫，日照時(shí)間等，有助于決策系統(tǒng)提供正確的施肥方案。

1.2 構(gòu)建地區(qū)土壤肥力指數(shù)系統(tǒng)模塊

下表是土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：

土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮和速效鉀的含量進(jìn)行分級(jí)，每種級(jí)別對(duì)不同的成分的含量不同。土壤有機(jī)質(zhì)多，土壤水含量大時(shí)，土壤肥力則會(huì)增高；相反，土壤氧化鐵，二氧化硅含量多時(shí)，則土壤肥力會(huì)下降。在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤化肥施用系統(tǒng)中是利用RS技術(shù)檢測(cè)土壤中的有機(jī)質(zhì)，而有機(jī)質(zhì)則是土壤肥力的標(biāo)志性的物質(zhì)，其含有豐富的植物所需的養(yǎng)分，是衡量土壤養(yǎng)分的指標(biāo)。有機(jī)質(zhì)的分級(jí)可作為土壤養(yǎng)分的分級(jí)。

其流程圖如下圖所示：

利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)，為了更精確監(jiān)測(cè)土壤肥力指數(shù)，應(yīng)選擇空間分辨率高的TM影像。

由表2可知，TM4 、TM5近紅外波段對(duì)土壤等地物的含水量很敏感，TM7波段對(duì)巖石礦物類較為敏感。所以選擇TM4-5-7波段組合能有效利用不同波段的特性，擴(kuò)展圖像的動(dòng)態(tài)范圍，結(jié)合影響土壤肥力因素，從而測(cè)定判斷土壤肥力指數(shù)。

獲取TM遙感影像，對(duì)圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)，K-L變化，分類處理。

1.2.1 圖像增強(qiáng)

指的是利用圖像增強(qiáng)線性拉伸，使圖像細(xì)節(jié)特征表現(xiàn)得更加豐富。對(duì)原始圖像上每個(gè)像元亮度值逐一地用線性方程計(jì)算，并得出一幅反差擴(kuò)大的數(shù)字圖像。

1.2.2 K-L變化

將TM4-5-7三個(gè)波段組成的彩色圖像進(jìn)行K-L變化，能去除TM圖像噪聲，使可利用的信息量增多，利于圖像細(xì)節(jié)特征分析，適合土壤肥力監(jiān)測(cè)。

1.2.3 分類處理

在TM4-5-7波段組合圖像中，每一像元都有一定亮度值（0～255），對(duì)每一個(gè)像元進(jìn)行亮度值計(jì)算。土壤有機(jī)質(zhì)多，土壤水含量大時(shí)，則其反射率低，遙感圖像上該土壤像元色調(diào)偏暗；若土壤氧化鐵，二氧化硅含量多時(shí)，則其反射率大，遙感圖像上該土壤像元色調(diào)則會(huì)偏亮。利用亮度值劃分出來的肥力等級(jí)方法可以達(dá)到87%的吻合率。并利用GIS疊加分析功能，在北斗衛(wèi)星地圖上疊加亮度值數(shù)據(jù)，構(gòu)建曲面三維立體坐標(biāo)模型，就可以很直觀地觀察出各個(gè)地區(qū)土壤肥力指數(shù)。再對(duì)標(biāo)準(zhǔn)土壤進(jìn)行以上分析操作，即可確定出標(biāo)準(zhǔn)土壤肥力指數(shù)。從而可對(duì)肥力由低到高進(jìn)行劃分，建立起土壤肥力指數(shù)系統(tǒng)。

1.3 構(gòu)建作物養(yǎng)分信息模塊

作物葉片中的葉綠素與植物的光合作用密切相關(guān)，通過分析葉片的光譜特征信息，從中了解作物含水量，氮、磷、鉀含量，就能間接地了解作物的健康狀況。高光譜儀遙感檢測(cè)是一種非損傷性測(cè)定葉綠素光譜的方法，它通過測(cè)定綠色植物葉片的反射率、透射率和吸收率來測(cè)定葉綠素含量。

在作物葉片光譜波段特征中，1530nm和1720nm波段適合對(duì)作物水分的估算。國(guó)內(nèi)田慶久等研究了小麥葉片水分含量與光譜反射率在1450nm附近水的特征吸收峰深度和面積之間的關(guān)系是正相關(guān)，得出了利用光譜反射率可以定量測(cè)定作物含水量和診斷小麥缺水狀況。因此，可利用此方法是可以監(jiān)測(cè)作物水分。通過高光譜儀分析葉片養(yǎng)分含量方法，間接知道土壤養(yǎng)分含量狀況，再比對(duì)健康葉片光譜分析結(jié)果，即健康作物養(yǎng)分含量狀況，就可以了解作物所缺養(yǎng)分，以及此時(shí)該施用何種化肥和施用數(shù)量。據(jù)此，構(gòu)建作物養(yǎng)分光譜信息數(shù)據(jù)庫(kù)就可及時(shí)掌握作物養(yǎng)分含量狀況，所需土壤肥力、肥料狀況等重要農(nóng)情，有助于指導(dǎo)用戶因地施肥。

2 建立決策系統(tǒng)

決策系統(tǒng)是結(jié)合北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，地區(qū)土壤肥力指數(shù)系統(tǒng)與作物光譜信息數(shù)據(jù)所得出的作物養(yǎng)分種類和含量三方面建立起的，同時(shí)利用遙感技術(shù)的實(shí)時(shí)信息，就可以得到土地肥力變化趨勢(shì)和作物長(zhǎng)勢(shì)，及時(shí)調(diào)整施肥方案。決策系統(tǒng)通過結(jié)合以下幾個(gè)方面進(jìn)行判斷：

2.1 土地地理信息

利用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲得耕地周圍地理信息如耕地地形坡度坡長(zhǎng)，附近水體還有氣象變化等。耕地坡度坡長(zhǎng)越大，則隨著降雨強(qiáng)度地增大，對(duì)土壤的淋溶、侵蝕也會(huì)加強(qiáng)，土壤養(yǎng)分流失速度也會(huì)增快。周圍水體的流向和分布也會(huì)影響土壤養(yǎng)分分布。

2.2 土壤肥力指數(shù)。

理論計(jì)算公式為：

肥料需要量=（一季作物的總吸收量-土壤養(yǎng)分供應(yīng)量）/（肥料中該養(yǎng)分含量*肥料當(dāng)季利用率）

土壤養(yǎng)分供應(yīng)量（kg/ha）=土壤養(yǎng)分（肥力）測(cè)定值（mg/kg）*2.25*

土壤養(yǎng)分有效利用系數(shù)=空白地植株吸收養(yǎng)分量（kg/ha）/土壤養(yǎng)分（肥力）測(cè)定值（mg/kg）*2.25

2.3 作物養(yǎng)分含量

作物生長(zhǎng)表現(xiàn)特征在很大程度上體現(xiàn)了土壤養(yǎng)分狀況。通過獲取作物養(yǎng)分含量信息，可以判斷土壤養(yǎng)分缺失或過多等情況，利用這些情報(bào)，就可以科學(xué)合理地制定正確施肥種類方案，如氮肥，磷肥，鉀肥等化肥。

3 結(jié)果和分析

結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和高空間分辨率遙感影像，獲取耕地附近水體，氣候條件等地理信息，計(jì)算耕地的土壤肥力指數(shù)，土壤養(yǎng)分含量，然后據(jù)此制定出有效施肥方案。這種方法不僅能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤的肥力情況，在正確時(shí)間增減施肥和使用正確化肥，從而實(shí)現(xiàn)在最有效地利用化肥的情況下，既可以增加農(nóng)作物生產(chǎn)，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的利益最大化，又可以避免環(huán)境的污染，這是一個(gè)經(jīng)濟(jì)效益高，可靠性強(qiáng)的監(jiān)測(cè)方法。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]