GNSS平地機(jī)研究現(xiàn)狀及趨勢展望＊

陳 正 ， 莊衛(wèi)東

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000）

0 引言

精細(xì)平整的水田可以保證農(nóng)田水層深淺一致，節(jié)省農(nóng)業(yè)用水；可以提高農(nóng)藥、化肥和除草劑的使用效率，減少農(nóng)藥、化肥和除草劑的使用量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。水稻生產(chǎn)過程中，水田精細(xì)平地技術(shù)是保證水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要措施，在水稻生產(chǎn)中運用水田平地技術(shù)對于節(jié)約灌溉用水、抑制雜草生長、提高水稻產(chǎn)量、減少生產(chǎn)成本等具有重要的社會意義和應(yīng)用前景[2]。

土地平整方法通常分為常規(guī)平地和精細(xì)平地兩種。常規(guī)平地主要采用推土機(jī)、鏟運機(jī)和刮平機(jī)在地面起伏大、平整度較差的田面粗平，平整精度較低，平整后的土地仍不能滿足灌溉要求。

激光平地機(jī)的組成部分含激光發(fā)射器和接收器、控制器和電控液壓系統(tǒng)。工作時激光發(fā)射器發(fā)射激光束，把平地鏟放在地面的標(biāo)高位置上，調(diào)整激光接收器的高度，使刮土鏟刃到接收器的高度與激光平面到地面的高度相等，接收器檢測到激光信號后不停地給控制器發(fā)送高度差的信號，控制器通過分析處理后，發(fā)出電信號控制相應(yīng)電磁換向閥開啟，控制液壓系統(tǒng)油缸的進(jìn)油、回油，實現(xiàn)刮土鏟升降。當(dāng)平地鏟高度大于平整設(shè)定高度時，接收器發(fā)送高度差信號給控制器，使控制器通過液壓系統(tǒng)控制平地鏟下降至設(shè)定高度，平地鏟下降，當(dāng)平地鏟的高度小于平整設(shè)定高度時，控制器通過液壓系統(tǒng)控制平地鏟抬升，從而鏟刀在凸處推移的土壤進(jìn)行卸載，填埋洼地，完成土地平整工作。激光平地機(jī)的平地精確程度與人工操作平地的精確程度成倍數(shù)關(guān)系，前者是后者的10倍～50倍[3]。激光平地機(jī)工作時對環(huán)境條件要求較高，在強(qiáng)光大風(fēng)等天氣影響下難以正常工作，適用的工作范圍小，不適合平整大面積、坡度大的土地。

GNSS平地控制設(shè)備工作流程如下：在作業(yè)區(qū)域設(shè)立基站，將發(fā)送RTK差分信號的天線置于三角架上，由安裝在拖拉機(jī)上的天線即GNSS移動站實時接受信息。再通過軟件對接收到的信號進(jìn)行解譯，得到高程、姿態(tài)角和經(jīng)緯度信息等，將控制信號傳遞給控制器，通過電磁換向閥的通電和斷電，使液壓油缸上下動作，調(diào)節(jié)平地鏟姿態(tài)來進(jìn)行平地工作。

GNSS精細(xì)平地技術(shù)對比激光控制平地技術(shù)特點突出，優(yōu)勢明顯：工作范圍廣、定位精度可達(dá)到厘米級別、工作室不易受環(huán)境因素制約，在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)有一定程度的推廣應(yīng)用，對比其他發(fā)達(dá)國家，我國在相關(guān)研究上啟動較晚，與之有一定的差距。同時由于早期GNSS設(shè)備的價格居高不下，也成為制約GNSS平地技術(shù)大規(guī)模推廣的主要因素之一。

隨著中國BD2代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全面建成及設(shè)備價格的逐步降低，精度更高、效率更高且符合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求的GNSS精細(xì)平地控制系統(tǒng)必將實現(xiàn)大規(guī)模的推廣應(yīng)用[4]。

1 國外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代初，發(fā)達(dá)國家開始加大關(guān)注農(nóng)業(yè)中的生產(chǎn)效率，通過解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力與資源環(huán)境的協(xié)調(diào)問題，實現(xiàn)提高農(nóng)產(chǎn)品競爭力和減輕污染環(huán)境等目標(biāo)，以應(yīng)對全球糧食危機(jī)[5]。由于GNSS技術(shù)向民間領(lǐng)域逐步開放，且隨著電子信息技術(shù)和設(shè)備的快速發(fā)展，GNSS技術(shù)與農(nóng)機(jī)裝備和農(nóng)學(xué)農(nóng)藝的結(jié)合愈發(fā)緊密，推動了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

2005—2007年，部分發(fā)達(dá)國家開展了將GNSS技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田平整作業(yè)的研究。目前GNSS平地控制系統(tǒng)水平最高的外國設(shè)備生產(chǎn)商以美國天寶（Trimble）公司、日本拓普康（Topcon）公司為代表。其生產(chǎn)的Trimble FieldLevelⅡ、Topcon System 310等系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中得到了良好應(yīng)用。

圖1所示為美國天寶公司開發(fā)的Trimble FieldLevel II平地控制系統(tǒng)，采用載波相位差分進(jìn)行定位，采集農(nóng)田地形信息完成地形測量工作。根據(jù)配套的決策支持軟件生成農(nóng)田地形圖、挖填土方，GNSS精平機(jī)平地鏟姿態(tài)調(diào)整技術(shù)研究大量信息，向用戶提供合理的土地平整方案，通過閥控模塊驅(qū)動液壓系統(tǒng)完成土地精細(xì)平整工作。

在國外GNSS精細(xì)平地技術(shù)的應(yīng)用時間長，技術(shù)發(fā)展成熟，由于其作業(yè)精度高，作業(yè)區(qū)域廣，受天氣、環(huán)境等因素影響小，且能結(jié)合其他相關(guān)設(shè)備提高農(nóng)田作業(yè)信息化和自動化程度，對比激光平地技術(shù)優(yōu)勢明顯，已有較大的使用面積。

圖1 Trimble FieldLevel II平地控制系統(tǒng)

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)作為我國的基礎(chǔ)行業(yè)，一直受到政府和全國人民的高度重視。引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)并將其應(yīng)用于我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，是推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化和現(xiàn)代化的重要舉措；同時GNSS平地技術(shù)在國外的廣泛應(yīng)用，證明該技術(shù)具有較高的推廣價值，在國家的政策引導(dǎo)和支持下，從2007年開始，我國的科研工作者依托于各科研單位，陸續(xù)開展了GNSS平地控制系統(tǒng)的相關(guān)研究，以期自主研發(fā)出符合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求的配套設(shè)備，以滿足我國廣大農(nóng)民的迫切需求。

2009年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)進(jìn)行了基于RTK（載波相位差分）技術(shù)結(jié)合GNSS相關(guān)的精細(xì)平地技術(shù)研究，設(shè)計了一套能對地塊進(jìn)行測量，并且能實現(xiàn)對土地平整的平地控制系統(tǒng)。平整度在20cm左右。

在2010年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)趙祚喜等以GNSS控制技術(shù)為基礎(chǔ)研發(fā)了土地平整系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理為以車載計算機(jī)為上位機(jī)和GNSS接收機(jī)為下位機(jī)，并將上位機(jī)決策和下位機(jī)控制相結(jié)合來獲取農(nóng)田三維地形位置數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明，平地精度可以控制在7cm～8cm，滿足精準(zhǔn)平地工作的精度要求[6]。

2015年華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院進(jìn)行了基于GNSS技術(shù)的自動平地控制系統(tǒng)的相關(guān)試驗，針對高程數(shù)據(jù)采用了一種算法（限幅加權(quán)遞推平均濾波算法），采用PD控制算法控制平地鏟運動，土地表面相對高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差值下降約10cm[7]。

2017年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)提出一種GNSS定位數(shù)據(jù)分析處理方法。將基于聯(lián)合濾波算法的處理方法應(yīng)用于農(nóng)田定位，對比試驗得出結(jié)論：高程定位精度明顯提高，平地工作中，GNSS定位實際高度波動范圍縮小20%[8-9]。

GNSS精細(xì)平地技術(shù)在我國起步較晚，但隨著科研工作者的不斷努力，GNSS精細(xì)平地技術(shù)在國家政策扶持正蓬勃發(fā)展。同時隨著BD2代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的不斷發(fā)展，設(shè)備價格方面的制約逐漸減少，國內(nèi)的諸多生產(chǎn)廠商也將目光投入到GNSS精細(xì)平地技術(shù)上，在多方的共同努力下，GNSS平地機(jī)的使用規(guī)模會進(jìn)一步擴(kuò)大。

3 發(fā)展趨勢與展望

3.1 發(fā)展趨勢

GNSS精細(xì)平地技術(shù)對比激光精細(xì)平地技術(shù)優(yōu)點明顯，易于進(jìn)行大規(guī)模農(nóng)田作業(yè)。GNSS平地機(jī)的發(fā)展趨勢如下：

3.1.1 通過對自動控制部分的優(yōu)化提高平地機(jī)作業(yè)精度

目前，GNSS平地控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)趨于成熟，在機(jī)件結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)組成上無革新性改變，國內(nèi)外各大廠家生產(chǎn)的設(shè)備在性能上無明顯差異，所以要提高GNSS平地機(jī)在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作業(yè)精度，要從系統(tǒng)的自動控制部分入手，對控制算法進(jìn)行優(yōu)化，也可以通過與陀螺儀等設(shè)備結(jié)合，獲取平地機(jī)工作時姿態(tài)角信息，結(jié)合高程信息進(jìn)行運算，以保證平地機(jī)在實際工作中的穩(wěn)定性和作業(yè)精度。

3.1.2 發(fā)展GNSS平地機(jī)外延功能，提升GNSS平地機(jī)性價比

隨著GNSS技術(shù)的不斷發(fā)展和我國自主研發(fā)的BD2代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善，GNSS設(shè)備價格進(jìn)一步降低，GNSS設(shè)備在我國的推廣規(guī)模進(jìn)一步增大，規(guī)模較大的農(nóng)場拖拉機(jī)基本都配備有GNSS接收機(jī)等設(shè)備。這為GNSS精細(xì)平地技術(shù)的推廣打下了堅實的基礎(chǔ)。但目前RTK-GNSS接收機(jī)的價格對于廣大農(nóng)民來說，還無法達(dá)到全面普及的程度，所以發(fā)展平地機(jī)如地形測量、信息監(jiān)測等外延功能，完善相關(guān)配套設(shè)施，提高GNSS平地機(jī)的性價比，是實現(xiàn)GNSS精細(xì)平地技術(shù)大規(guī)模推廣的關(guān)鍵，也是科研人員要為之努力的方向，能實現(xiàn)一機(jī)多用，讓這項技術(shù)能從農(nóng)場應(yīng)用到農(nóng)村，讓農(nóng)業(yè)發(fā)展真正造福到農(nóng)民。

3.2 展望

GNSS技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中已有了廣泛應(yīng)用，比如監(jiān)測農(nóng)作物產(chǎn)量，作業(yè)路徑規(guī)劃等，能有效節(jié)約勞動成本，提高效益。如果能將多種功能結(jié)合到一起，例如在平地作業(yè)期間實現(xiàn)自動導(dǎo)航功能，就能進(jìn)一步提高勞動生產(chǎn)率，為農(nóng)民帶來更大的效益。

GNSS精細(xì)平地技術(shù)對比常規(guī)平地和激光平地技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，因此提高平地機(jī)的工作性能，通過自主研發(fā)設(shè)備降低平地機(jī)價格，是推廣這項技術(shù)的重點發(fā)展方向。目前GNSS技術(shù)發(fā)展迅速，與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的結(jié)合也更加多元化。在國家的政策支持下，各高校和科研機(jī)構(gòu)向相關(guān)領(lǐng)域輸送更多的人才，也正促進(jìn)著符合我國的GNSS精細(xì)平地技術(shù)的不斷發(fā)展。