基于３Ｓ技術(shù)的土壤采集信息處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：土壤采樣質(zhì)量的高低對精準農(nóng)業(yè)施肥決策制定正確與否有重要的影響，高效、優(yōu)化的土壤樣品采集方案和基于GPS的準確采樣是精準農(nóng)業(yè)的基本重要問題之一。運用系統(tǒng)工程的方法，初步構(gòu)建了土壤采集信息處理系統(tǒng)的通用設(shè)計和開發(fā)框架，并在此基礎(chǔ)上，利用組件技術(shù)開發(fā)了車載土壤采集信息處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了GIS、GPS和RS之間的邏輯鏈接，實現(xiàn)了基于GIS和GPS的土壤樣品采集方案優(yōu)化設(shè)計與取樣點導(dǎo)航定位功能；實現(xiàn)了采樣點坐標和土壤化驗結(jié)果的統(tǒng)一管理，與專用傳感器相連可實現(xiàn)土壤理化指標的實時快速分析。

關(guān)鍵詞：遙感技術(shù)系統(tǒng)；地理信息系統(tǒng)；全球定位系統(tǒng)；精準農(nóng)業(yè)；土壤采集

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)06-0236-03

農(nóng)藥及化肥的大規(guī)模使用，極大地提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，滿足了人類對糧食的需求，但過度、不合理的使用也對人們賴以生存的環(huán)境造成很大的威脅。為減小農(nóng)用化學(xué)品的使用對環(huán)境的影響及有效地控制生產(chǎn)成本，歐美等發(fā)達國家于20世紀90年代初在大面積機械化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上應(yīng)用全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS）發(fā)展出了基于環(huán)境資源的時空變異確定化肥或農(nóng)藥投入的精準農(nóng)業(yè)。其核心思想是按需實施、定位控制，即處方農(nóng)作［1，2］。處方農(nóng)作的關(guān)鍵是生成處方圖；獲得土壤肥力的變異情況是生成處方圖的關(guān)鍵。目前，獲得土壤肥力狀況的方法大致有三種，即實地取樣化驗、利用作物產(chǎn)量高低映射土壤肥力狀況和利用遙感影像反演土壤肥力。其中，只有第一種方法最直接、最準確。但傳統(tǒng)的人工取樣效率低、誤差大、規(guī)劃不足，難以滿足日益發(fā)展的精準農(nóng)業(yè)的需要。因此，迫切需要開發(fā)一種高效、準確、自動化程度較高的土壤采集信息系統(tǒng)。針對這一需要，本文作了一些初步的探討，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)出土壤采集信息處理系統(tǒng)。

1 GPS、精準農(nóng)業(yè)與土壤樣品采集

GPS是一種高精度、全天候、全球性的無線電導(dǎo)航、定位、定時系統(tǒng)。它包括24顆地球衛(wèi)星組成的空間部分、由地面控制站和一組地面監(jiān)測站組成的地面監(jiān)控部分以及用戶接收機三個主要部分組成。以精準農(nóng)業(yè)以GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)為基礎(chǔ)，連接農(nóng)業(yè)機械和電子信息系統(tǒng)，將農(nóng)田中產(chǎn)量分布、土壤養(yǎng)分分布、土壤水分分布與播種、施肥、灌溉、收獲機械結(jié)合起來，建立地域性概念，即根據(jù)土壤養(yǎng)分情況和產(chǎn)量要求以及成本核算決定該塊田的播種、施肥、灌溉和收獲情況［3］。

土壤肥力分布情況是精準農(nóng)業(yè)決策的一個非常重要的因素。如何正確有效地獲得土壤肥力變化情況，并以此為依據(jù)指導(dǎo)機械化變量施肥是目前精準農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究的重點和熱點。同時，由于種植規(guī)劃的需要，相關(guān)部門也需要掌握一個轄區(qū)內(nèi)土壤肥力狀況資料。大面積的土壤狀況調(diào)查需要相關(guān)硬件和軟件的支持。國內(nèi)外在土壤定位采樣方面作了大量的研究。德國的Lütticken等人利用GPS并通過控制水壓轉(zhuǎn)獲得帶定位信息的固定深度的土壤樣品［4］。浙江大學(xué)張淑娟等人應(yīng)用GARMIN GPS315型接收機進行土壤養(yǎng)分采樣點的確定［5］。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)孔祥斌等人通過帶有GPS信息的土壤采樣點生成了北京大興縣城鄉(xiāng)交錯帶土壤養(yǎng)分變化及格局情況［6］。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)高祥照等人利用美國Trimble公司DGPS給北京順義北方精準農(nóng)業(yè)示范區(qū)土壤采樣點定位［7］。

目前土壤樣品采集多為實地選取采樣點采樣，同時記錄GPS信息。這種方法比較直觀，在面積較小的區(qū)域（如某個地塊）采樣時并沒有什么不妥。但對于較大范圍（如鄉(xiāng)鎮(zhèn)、地區(qū)等）土壤樣品的采集以及土壤狀況的普查，由于缺乏事先的規(guī)劃，采樣點選取比較隨意，容易造成某些地區(qū)采樣點過密，而有些地區(qū)采樣點不足，從而使得插值結(jié)果在缺乏控制點的地區(qū)與實際情況相去甚遠。從土壤普查的角度來看，目前在調(diào)查過程中都是根據(jù)區(qū)域的土壤特點和實際養(yǎng)分狀況確定土壤采樣點，因而多年后土壤養(yǎng)分的測定結(jié)果很容易發(fā)生位置上的混淆，影響普查結(jié)果的應(yīng)用范圍［8］。為解決這些問題，同時提高采樣效率，筆者開發(fā)了土壤采集GPS信息記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)歷史資料，利用GIS進行采樣點的預(yù)先選取和采樣路徑設(shè)計；利用GPS進行土壤采樣定位，將采樣點坐標和土壤化驗結(jié)果在微機上通過地理信息系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理，同時在系統(tǒng)中顯示和存儲相關(guān)采樣及化驗信息。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

土壤采集信息系統(tǒng)是土壤采樣輔助支持系統(tǒng)，它不僅用于獲取采樣點地理坐標及其他信息，同時也是一個采樣設(shè)計和管理的平臺。一個完整的土壤采集信息系統(tǒng)應(yīng)該包括采樣設(shè)計、采樣導(dǎo)航、取樣定位、數(shù)據(jù)分析和檢測分析等五個基本功能。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能

從結(jié)構(gòu)上來看，土壤信息采集系統(tǒng)包括外圍硬件設(shè)備和軟件兩部分。硬件主要包括GPS接收器和各種專用的感應(yīng)器。軟件部分則包括應(yīng)用處理程序和數(shù)據(jù)庫兩大部分。用戶通過人機對話子系統(tǒng)與各功能模塊發(fā)生聯(lián)系。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

人機對話子系統(tǒng)是用戶與系統(tǒng)進行交互的接口。通過人機對話子系統(tǒng)，用戶可以對下層的五個基本功能模塊進行管理和操作，也可以得到功能模塊反饋的信息。該層搭建了用戶與系統(tǒng)之間的橋梁。

3 系統(tǒng)功能

3.1 采樣設(shè)計模塊

該模塊主要功能是基于GIS和RS技術(shù)，利用電子地圖和配準后的遙感圖像，管理并設(shè)計土壤采樣點。該模塊實現(xiàn)電子地圖的讀取、顯示、縮放等，涵蓋了GIS軟件的基本功能。同時，通過與數(shù)據(jù)庫連接，再輔以遙感影像，可根據(jù)以往的資料和現(xiàn)實情況設(shè)計土壤采樣點。設(shè)計的原則是保證需要調(diào)查的地區(qū)包含足夠的控制點，以使做插值分析時不會因數(shù)據(jù)不足而使得插值結(jié)果與實際情況不相符合；同時控制控制點的數(shù)目，避免因控制點過多而加大工作量。采樣設(shè)計模塊的主要功能包括采樣點設(shè)計和采樣路徑設(shè)計兩方面。采樣點的確定應(yīng)考慮土壤類型、往年種植情況、地形地貌、取樣歷史資料等因素。同時，在采樣點多且分散的情況下，采樣路徑的優(yōu)化是提高采樣效率的重要環(huán)節(jié)。由于需要遍歷每一個采樣點且回到出發(fā)點，采樣路徑的設(shè)計實質(zhì)上是對旅行商問題（Travel Salesman Problem，TSP）的一個求解過程。目前，對于這類問題，常用的解法包括貪心法、各個擊破法、窮舉法以及模擬自然界的一些其他算法，如模擬退火算法、遺傳算法、彈性網(wǎng)絡(luò)算法等。

3.2 導(dǎo)航模塊

該模塊的主要功能是基于GIS和GPS技術(shù)，實時定位采樣機位置，并按照采樣設(shè)計模塊中規(guī)劃好的最優(yōu)路徑，引導(dǎo)采樣機到達預(yù)定采樣位置。

3.3 取樣定位模塊

該模塊的主要功能是獲得相應(yīng)取樣點的地理坐標。獲得取樣點地理坐標是土壤采集信息處理系統(tǒng)的重要功能之一。取得取樣點坐標有自動和人工兩種方式：①自動方式是當取樣機開始工作時自動打開串行口接收GPS信號；取樣結(jié)束時，串行口關(guān)閉并記錄地理坐標，記錄值為打開與關(guān)閉期間接收到的坐標的平均值。②手動方式為手動控制串行口的打開與關(guān)閉。

3.4 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析是土壤信息獲取的重要步驟，土壤取樣分析獲得的只是取樣點的信息，但精準農(nóng)業(yè)作業(yè)需要的是整個土地的土壤肥力資料。因此，必須根據(jù)已知取樣點的數(shù)據(jù)利用空間插值方法估算整塊地的土壤肥力數(shù)據(jù)。常用的空間插值方法包括趨勢面分析、反距離權(quán)重插值、薄板樣條函數(shù)和克里金法等?？死锝鸱榭臻g插值提供了一種優(yōu)化策略，即在插值過程中根據(jù)某種優(yōu)化準則函數(shù)動態(tài)地決定變量的數(shù)值，不僅考慮了各已知數(shù)據(jù)點的空間相關(guān)性，而且在給出待估計點數(shù)值的同時，還能給出表示估計精度的方差。同時，經(jīng)過多年的發(fā)展完善，克里金方法已經(jīng)有了好幾個變種，如普通克里金法、泛克里金法、析取克里金法、對數(shù)正態(tài)克里金法、協(xié)同克里金法、因子克里金法等。因此，相對其他方法而言，克里金法應(yīng)用較為廣泛。

3.5 檢測分析模塊

傳統(tǒng)的土壤樣品分析是在實驗室中運用化學(xué)分析的方法獲得土壤中有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、pH值等指標的含量。傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法分析精度高，但耗費時間長、成本高。受實驗條件和技術(shù)的限制，只有專業(yè)的技術(shù)部門才能完成這樣的分析。因此，簡便易行地利用物理方法進行土壤養(yǎng)分快速測定日益受到重視。美國俄亥俄州大學(xué)的Ehsani和加利福尼亞的Upadhyaya應(yīng)用中紅外技術(shù)對土壤中硝酸鹽的含量進行分析，證明其吸光度與硝酸鹽含量之間存在很高的相關(guān)性［9］。日本東京農(nóng)業(yè)與技術(shù)大學(xué)的Shibusawa研究成功了應(yīng)用近紅外反射技術(shù)的土壤水分、有機質(zhì)、pH值和硝態(tài)氮的快速測量方法［10］?？偟膩碚f，土壤養(yǎng)分的快速測量一直是精準農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)的難題，但同時也是今后土壤養(yǎng)分測定的發(fā)展方向。利用檢測分析模塊截取土壤養(yǎng)分快速測量感應(yīng)器信號，通過解碼、分析，實時記錄和分析土壤養(yǎng)分含量是土壤采集信息處理系統(tǒng)未來重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與應(yīng)用

根據(jù)土壤采集信息處理系統(tǒng)的總體架構(gòu)和設(shè)計思路，采用組件式開發(fā)方法，本文設(shè)計和實現(xiàn)了基于3S技術(shù)的土壤采集信息處理系統(tǒng)。

4.1 軟件開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)采用目前流行的組件式地理信息系統(tǒng)開發(fā)。組件式地理信息系統(tǒng)使用靈活、二次開發(fā)方便，是當今GIS發(fā)展的潮流。目前，比較流行的分別有美國環(huán)境系統(tǒng)研究所（ESRI）、MapInfo公司、Intergraph公司推出的MapObjects、MapX、Geomedia。其中MapObjects是ESRI開發(fā)的一種符合微軟ActiveX OLE/COM規(guī)范的GIS對象組件，包括近五十個可編程ActiveX自動化對象；MapObjects可以被嵌入到Visual C++、Visual Basic、Delphi、PowerBuilder等許多標準的Windows開發(fā)環(huán)境中。本系統(tǒng)采用Visual C++ MapObjects方式，開發(fā)平臺為Windows 2000。

4.2 采樣路徑設(shè)計

采樣路徑設(shè)計是土壤采集信息處理系統(tǒng)實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，優(yōu)化的采樣路徑是提高采樣效率的關(guān)鍵因素之一。由于采樣設(shè)計中采樣點遍歷、不重復(fù)以及需要回到出發(fā)位置的特征，使其很自然地被歸入數(shù)學(xué)領(lǐng)域很有名的旅行商問題中。這個問題通常被這樣描述：假設(shè)一個旅行商人要拜訪n個城市，他必須選擇所要走過的路徑，路徑的限制是每個城市只能拜訪一次，而且需要回到原來的城市。路徑的選擇目標是所有可能的拜訪方式中總長度最短的一條路徑。隨著n值的增長，拜訪方式呈指數(shù)增長。當n=42時，則有（42-1）！/2=1.67×1049種拜訪方式，使得人工海選，甚至計算機的窮舉均成為不可能。

彈性網(wǎng)絡(luò)（Elastic Net）是在1987年由Durbin和Willshaw首先提出［11］。它可以被認為是幾何神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種，與Hopfield－Tank的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以及其他神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法有著密切的聯(lián)系。但與它們相比，彈性網(wǎng)絡(luò)算法的結(jié)果更準確、收斂速度更快［12］。而且，彈性網(wǎng)絡(luò)總能產(chǎn)生一個有效解，產(chǎn)生的路徑也不會交叉，因此系統(tǒng)選擇彈性網(wǎng)絡(luò)算法作為路徑設(shè)計的方法。其基本思路及算法介紹如下：

彈性網(wǎng)絡(luò)是由m個點所構(gòu)成的圓圈表示的（m大于城市數(shù)目n）。如果把彈性網(wǎng)絡(luò)想象成橡皮筋，則它會自然收斂到最小張力的狀態(tài)；如果把城市當成具有吸引力的節(jié)點，則它會吸引彈性網(wǎng)絡(luò)上的點，如圖3所示。

如果用向量xi表示城市i的坐標，向量yj表示彈性網(wǎng)絡(luò)上點j的坐標，則彈性網(wǎng)絡(luò)算法可用一組方程表示為

4.3 串口通信和信息提取

軟件通過微軟VC++ 6.0自帶的MSComm控件對象打開并獨占與GPS相連接的串行口，然后捕獲串口事件。軟件采用事件驅(qū)動的方式從端口獲取數(shù)據(jù)，即有事件（如接收到數(shù)據(jù)）時通知程序。

采用通用的NMEA-0183數(shù)據(jù)格式來獲取GPS信息。具體的做法是：在處理緩存數(shù)據(jù)時通過搜尋ASCII碼“S”來判斷是否是幀頭；對幀頭的類別進行識別后找出GPRMC數(shù)據(jù)幀；再通過對所經(jīng)歷逗號個數(shù)的計數(shù)來判斷出當前正在處理的是哪一種定位導(dǎo)航參數(shù)，并作出相應(yīng)的處理。根據(jù)需要，提取了狀態(tài)及經(jīng)緯度坐標。由于MG_30R/U/P型便攜式GPS接收器每隔一秒鐘更新一次數(shù)據(jù)，將從打開串口到關(guān)閉串口時間段內(nèi)的經(jīng)緯度坐標求平均后作為經(jīng)緯度坐標輸出。這樣做的目的是為了減小誤差，同時也是基于取樣時車輛在田間靜止不動來考慮的。

4.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫包括地理坐標數(shù)據(jù)庫和分析結(jié)果數(shù)據(jù)庫。地理坐標數(shù)據(jù)庫用于存儲取樣點地理位置坐標及相關(guān)數(shù)據(jù)，包括WGS-84經(jīng)緯度坐標及北京-54平面坐標數(shù)據(jù)、取樣點所屬行政區(qū)劃、土地戶主、取樣日期、取樣當?shù)貢r間、格林尼治時間、取樣時天氣狀況等信息。分析結(jié)果數(shù)據(jù)庫存儲反映土壤理化性質(zhì)的數(shù)據(jù)，包括土壤類型、耕作層厚度、容重、pH值、田間持水量、飽和含水量以及有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀、硼等土壤養(yǎng)分狀況。

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)的土壤取樣化驗方法費時、費力、高成本的問題，本文采用系統(tǒng)工程的方法，構(gòu)建了土壤采集信息系統(tǒng)的通用設(shè)計和開發(fā)框架。完整的框架包括取樣設(shè)計、導(dǎo)航、定位、數(shù)據(jù)分析和快速檢測五大部分，并設(shè)計了五大功能模塊。在通用框架的基礎(chǔ)上，本文運用Microsoft的組件技術(shù)、GPS導(dǎo)航技術(shù)，設(shè)計和實現(xiàn)了車載土壤采集GPS信息處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)為土壤樣品采集的事前設(shè)計和事后分析提供了整合的平臺，解決了手持式GPS接收機和差分GPS數(shù)據(jù)記錄不方便的缺點；能參照歷史資料和現(xiàn)實情況進行合理的采樣設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上利用彈性網(wǎng)絡(luò)算法自動優(yōu)化取樣路徑。利用本系統(tǒng)可方便地進行采樣點的導(dǎo)航和定位，并自動記錄和處理GPS定位信息。該系統(tǒng)應(yīng)用到國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)中心研制的車載土壤自動采集機上，效果良好。

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