基于3S 技術(shù)高精度自動化灌溉系統(tǒng)信息化平臺設(shè)計

柳智鑫　王曉娟

摘 要：運(yùn)用3S技術(shù)和計算機(jī)控制系統(tǒng)，實時獲取農(nóng)用小區(qū)作物生長實際需求的信息，同時結(jié)合試驗田的土壤和作物的水分?jǐn)?shù)據(jù)，通過信息處理與分析，按需給作物進(jìn)行施水的技術(shù)。應(yīng)用GPS定位功能，在控制平臺上還能精確的顯示出每個灌溉設(shè)備的工作狀態(tài)，是否做好了作業(yè)的準(zhǔn)備。同時，利用傳感器技術(shù)把灌溉設(shè)備的工作數(shù)據(jù)實時的傳送到數(shù)據(jù)平臺，為工作人員的維修提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：3S 噴灌系統(tǒng) 信息化

Design of Information Platform for High-precision Automatic Irrigation System Based on 3S Technology

Liu Zhixin，Wang Xiaojuan

Abstract：Through information processing and analysis， the article studies the use of 3S technology and computer control system to obtain real-time information on the actual needs of crop growth in agricultural plots， combining with the soil and crop moisture data in the test field， the technology of watering crops on demand. Using GPS positioning function， the control platform can also accurately display the working status of each irrigation equipment and whether it is ready for operation. At the same time， sensor technology is used to transmit the working data of irrigation equipment to the data platform in real time to provide data support for the maintenance of the staff.

Key words：3S sprinkler irrigation system， informatization

隨著我國城鎮(zhèn)化速度的加快，越來越多的農(nóng)村人口涌入城市，農(nóng)村中的剩余勞動力變少，這就要求我國加快農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化水平。本課題針對我國的北方地區(qū)普遍所采用手動開關(guān)控制的噴灌設(shè)備，其控制核心為低壓電氣觸點開關(guān)。它的缺點為控制的精度和準(zhǔn)確度不高，設(shè)備在行走過程中軌道過寬，而且容易出現(xiàn)控制失靈的等問題如：多個行走電機(jī)速度不同就會導(dǎo)致設(shè)備翻車、對農(nóng)作物造成碾壓損害，還會導(dǎo)致噴灌水量的不均勻，從而導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量低、質(zhì)量差，噴灌設(shè)備易損壞維修費(fèi)用高等。如何實現(xiàn)高精度自動噴灌成為農(nóng)業(yè)自動化的一個難題。針對此難題本課題采用3S技術(shù)的精細(xì)灌溉技術(shù)。運(yùn)用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）和地理信息系統(tǒng)（GIS），遙感技術(shù)（RS）和計算機(jī)控制系統(tǒng)，實時獲取農(nóng)用小區(qū)作物生長實際需求的信息，通過信息處理與分析，按需給作物進(jìn)行施水的技術(shù)，可以最大限度提高水資源的利用率和土地的產(chǎn)業(yè)率。利用PLC和變頻技術(shù)為核心的自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r響應(yīng)信息化平臺發(fā)出的指令，高效率、高精度的完成噴灌任務(wù)。

1 3S技術(shù)

3S技術(shù)是結(jié)合空間、傳感器、衛(wèi)星定位與導(dǎo)航、計算機(jī)等多學(xué)科技術(shù)集成的對地球表面的空間信息進(jìn)行采集、處理、管理、分析、表達(dá)、傳播和應(yīng)用的現(xiàn)代信息技術(shù)[1]。在現(xiàn)今科技水平飛躍發(fā)展的時代，我國的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的弊端已經(jīng)顯露，人均占有耕地面積減少、水土流失嚴(yán)重、水體污染等問題制約著我國農(nóng)業(yè)及其經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展[1]。而結(jié)合3S技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)廣泛地運(yùn)用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。本文將介紹利用3S技術(shù)在高精度自動化灌溉系統(tǒng)中信息化平臺設(shè)計。

2 遙感（RS）在高精度自動化灌溉系統(tǒng)中信息化平臺設(shè)計應(yīng)用

2.1 RS

遙感（RS）。即遙遠(yuǎn)的感知，是運(yùn)用在不同平臺上的傳感器對遠(yuǎn)距離目標(biāo)或自然現(xiàn)象進(jìn)行探測，利用不同地物的反射率不同的特性來獲取地表信息[2]。

2.2 RS在作物長勢監(jiān)測與作物估產(chǎn)中的應(yīng)用

作物長勢監(jiān)測與作物估產(chǎn)即利用遙感技術(shù)對作物生長情況、趨勢進(jìn)行觀測，以此估計作物量與品質(zhì)[2]。目前作物長勢監(jiān)測最常見的就是運(yùn)用NDVI、新發(fā)展的EVI指數(shù)等來估算生物量、作物產(chǎn)量等反映作物生長特征因子的直接觀測法。

2.3 RS 在農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)控的應(yīng)用

在干旱監(jiān)測中，針對遙感數(shù)據(jù)不同波段構(gòu)建土壤水分指數(shù)運(yùn)用廣泛。如通過地表溫度LST和NDVI指數(shù)之間的關(guān)系，建立溫度植被干旱指數(shù)TVDI干旱監(jiān)測模型，并且進(jìn)行干旱等級劃分，并對內(nèi)蒙古地區(qū)進(jìn)行旱情監(jiān)測[5]。旱情監(jiān)控為較為典型的一種農(nóng)業(yè)災(zāi)害應(yīng)用，除此以外在應(yīng)對洪澇、冷凍等災(zāi)害也常利用遙感技術(shù)監(jiān)測。光學(xué)遙感數(shù)據(jù)如TM和SPOT等，一般可對農(nóng)業(yè)受損進(jìn)行評估[6]。利用作物關(guān)鍵生育時期的Landsat8OLI高清影像進(jìn)行監(jiān)督分類，提取作物種植面積分布。

2.4 遙感技術(shù)在精準(zhǔn)化灌溉的應(yīng)用

精準(zhǔn)化施肥與灌溉是可以幫助農(nóng)業(yè)技術(shù)人員精準(zhǔn)施肥、灌溉，獲取最大收益。如將 GeoEye-1高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)與氮肥優(yōu)化算法（NFOA）相結(jié)合，開展了冬小麥氮肥推薦應(yīng)用研究[9]。宋文龍等基于GF-1較高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過光譜匹配方法像元尺度用，并引入OTSU自適應(yīng)閾值算法，構(gòu)建了高分辨率灌溉面積遙感。

3 地理信息系統(tǒng)（GIS）在精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 GIS

GIS是在計算機(jī)硬件與軟件的支持下，運(yùn)用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供對規(guī)劃、管理、決策和研究所需信息的空間系統(tǒng)[11]。

3.2 GIS在灌溉系統(tǒng)資源信息管理中的應(yīng)用

GIS 能將人們從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或相關(guān)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)活動所利用的各種資源緊密聯(lián)系并使各自都發(fā)揮出最大作用。建立的基本農(nóng)田灌溉數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[12]與寧方志建立的土地利用現(xiàn)狀調(diào)查管理系統(tǒng)[13]都屬于利用GIS的空間管理優(yōu)勢將自然資源聯(lián)系管理。

3.3 GIS在農(nóng)業(yè)災(zāi)害防治中的應(yīng)用

GIS通過提取各個威脅因子實現(xiàn)對災(zāi)害區(qū)的孕災(zāi)條件信息量化，可以進(jìn)行災(zāi)情預(yù)警、災(zāi)害程度與損失狀況評估等應(yīng)用，以及時減少人民財產(chǎn)損失。如楊志捷等利春小麥抽穗至成熟期間氣象觀測資料、春小麥品種試驗的發(fā)育期觀測資料以及春小麥播種面積、產(chǎn)量和單產(chǎn)資料等，利用GIS技術(shù)開展內(nèi)蒙古春小麥干熱風(fēng)風(fēng)險精細(xì)化區(qū)劃與評估[14]。

GIS在病蟲災(zāi)害主要作用包括探尋分析病蟲成因與規(guī)律、評估災(zāi)害發(fā)生時適宜因子、預(yù)測災(zāi)害演變趨勢，從而建立農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害科學(xué)數(shù)據(jù)庫和農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害信息系統(tǒng)[11]。我國已成功將GIS應(yīng)用到了棉蚜蟲、松毛蟲等害蟲防治工作上。如蔣杰賢等運(yùn)用地統(tǒng)計學(xué)方法GIS分析了桃樹桃蚜和草間鉆頭蛛種群的空間結(jié)構(gòu)，并模擬了其種群空間分布格局[15]與周文杰等建立的棉蚜蟲害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[16]。

4 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

隨著中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）建設(shè)發(fā)展，美國全球定位系統(tǒng)（GPS）不再是GNSS的代名詞。但現(xiàn)目前GPS仍是運(yùn)用最廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

4.1 GPS

GPS是由美國國防部研制建立的一種具有全方位、全天候、全時段、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時等導(dǎo)航信息[1]。

4.2 GPS 在智能農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)中的應(yīng)用

智能化農(nóng)業(yè)動態(tài)定位根據(jù)管理信息系統(tǒng)發(fā)出的指令，實現(xiàn)田間耕作、施肥、灌溉、噴藥等精確定位操作[17]?，F(xiàn)國內(nèi)的研究基于前人的基礎(chǔ)更加深入，如魏少東為解決單一的導(dǎo)航系統(tǒng)不能滿足現(xiàn)在化農(nóng)業(yè)機(jī)械的導(dǎo)航定位的精度要求，將GPS技術(shù)與慣性導(dǎo)航組合導(dǎo)航系統(tǒng)，研究了一套果園機(jī)械自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)實現(xiàn)果園機(jī)械自動化作業(yè)[17]。

4.3 GPS 在農(nóng)田信息采集中的應(yīng)用

GPS的準(zhǔn)確定位功能為農(nóng)業(yè)技術(shù)人員統(tǒng)計各個地理位置的農(nóng)作物狀態(tài)提供了便捷。近些年已有不少學(xué)者針對農(nóng)作物生長狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集研究。如陳宏等研制的基于GPS 的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)既能實現(xiàn)農(nóng)田信息的準(zhǔn)確采集，還可以在手機(jī)客戶端進(jìn)行實時監(jiān)測，又能實現(xiàn)采集地點的實時定位功能[18]。對提高農(nóng)作物產(chǎn)量，降低勞動力成本具有重要意義。

5 結(jié)語

在全面建成小康社會的緊要關(guān)頭，為了滿足經(jīng)濟(jì)與人類發(fā)展需求，必須促進(jìn)農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的出現(xiàn)協(xié)調(diào)了矛盾。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是3S技術(shù)與自動化技術(shù)的綜合應(yīng)用，結(jié)合田間最小單元的具體條件，最優(yōu)化配置耕地資源與勞動力投入，定量化精準(zhǔn)田間管理，以提高農(nóng)作物產(chǎn)量與質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，減小農(nóng)業(yè)活動為周邊環(huán)境帶來的污染及其他不利影響。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的施行將我國農(nóng)業(yè)發(fā)展代入一個新的臺階，不僅極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，也在自然資源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)管理等方面具有重要作用與意義。

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項目，編號：NJZC17476;內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項目，編號：NJZY17475。

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