基于北斗和RS技術農業施肥實時決策系統研究

李俊杰

【摘 要】中國北斗衛星導航系統是我國自行研制的全球衛星導航系統。本系統主要將北斗衛星技術的定位，短報文通信功能、RS技術對土壤肥力的監測以及對作物養分含量的監測三種功能綜合構建，能夠實時實地地監測土壤肥力，通過加以分析處理，達到能夠讓農業生產者實時了解自己土地的土壤肥力狀況，以及提供施肥決策，有助于國內農業生產中化肥科學合理地施放。

【關鍵詞】北斗衛星導航系統；遙感技術；土壤肥力；化肥施放

中國作為擁有幾十億人口的農業大國，近年來土壤質量問題嚴峻。究其原因：難以獲取土壤質量的信息，無法實時掌握土壤狀況，判讀其變化趨勢。當今國內不恰當的施肥，使得土壤中所含的有機質過多或過少，影響作物的生產量，造成土地貧瘠。因此，如何實時監測土壤的肥力情況，在正確時間增減施肥，從而實現既可以增加農作物生產，使農業生產者的利益最大化，又可以避免環境的污染，同時兼顧性能，系統成本，和實際使用等方面因素。所以，本決策系統將北斗衛星系統、RS技術技術聯系在一起，為農業生產者提供所測得及時的土壤狀況信息，方便合理控制化肥地施放。

1 系統總體方案設計

圖1主要是將北斗衛星技術的定位功能及短信通信功能、RS技術對土壤、作物養分的監測功能綜合構建，能夠實時實地地監測土壤肥力加以分析處理，最終得出施肥方案和生產布局建議。能夠讓農業生產者及時地了解自己土壤的狀況，在提高作物產量和保護環境方面都有著重要的影響。

1.1 北斗衛星應用模塊

北斗衛星導航系統由空間端、地面端和用戶端三部分組成。其在監測土壤肥力實時決策的應用體現如下：

1.1.1 高精度定位

在接收機對衛星觀測中，可得到衛星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置（X，Y，Z）。考慮到衛星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數，X、Y、Z和鐘差，再引入第4顆衛星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經緯度和高程。北斗系統根據這一功能可以確定監測土地具體位置信息，同時結合氣象衛星就可以了解耕地周邊地理信息，氣候條件如年降水，均溫，日照時間等，有助于決策系統提供正確的施肥方案。

1.2 構建地區土壤肥力指數系統模塊

下表是土壤養分分級標準：

土壤養分分級標準主要針對有機質、全氮、速效氮和速效鉀的含量進行分級，每種級別對不同的成分的含量不同。土壤有機質多，土壤水含量大時，土壤肥力則會增高；相反，土壤氧化鐵，二氧化硅含量多時，則土壤肥力會下降。在實時監測土壤化肥施用系統中是利用RS技術檢測土壤中的有機質，而有機質則是土壤肥力的標志性的物質，其含有豐富的植物所需的養分，是衡量土壤養分的指標。有機質的分級可作為土壤養分的分級。

其流程圖如下圖所示：

利用遙感技術監測，為了更精確監測土壤肥力指數，應選擇空間分辨率高的TM影像。

由表2可知，TM4 、TM5近紅外波段對土壤等地物的含水量很敏感，TM7波段對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，擴展圖像的動態范圍，結合影響土壤肥力因素，從而測定判斷土壤肥力指數。

獲取TM遙感影像，對圖像進行圖像增強，K-L變化，分類處理。

1.2.1 圖像增強

指的是利用圖像增強線性拉伸，使圖像細節特征表現得更加豐富。對原始圖像上每個像元亮度值逐一地用線性方程計算，并得出一幅反差擴大的數字圖像。

1.2.2 K-L變化

將TM4-5-7三個波段組成的彩色圖像進行K-L變化，能去除TM圖像噪聲，使可利用的信息量增多，利于圖像細節特征分析，適合土壤肥力監測。

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），對每一個像元進行亮度值計算。土壤有機質多，土壤水含量大時，則其反射率低，遙感圖像上該土壤像元色調偏暗；若土壤氧化鐵，二氧化硅含量多時，則其反射率大，遙感圖像上該土壤像元色調則會偏亮。利用亮度值劃分出來的肥力等級方法可以達到87%的吻合率。并利用GIS疊加分析功能，在北斗衛星地圖上疊加亮度值數據，構建曲面三維立體坐標模型，就可以很直觀地觀察出各個地區土壤肥力指數。再對標準土壤進行以上分析操作，即可確定出標準土壤肥力指數。從而可對肥力由低到高進行劃分，建立起土壤肥力指數系統。

1.3 構建作物養分信息模塊

作物葉片中的葉綠素與植物的光合作用密切相關，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。高光譜儀遙感檢測是一種非損傷性測定葉綠素光譜的方法，它通過測定綠色植物葉片的反射率、透射率和吸收率來測定葉綠素含量。

在作物葉片光譜波段特征中，1530nm和1720nm波段適合對作物水分的估算。國內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系是正相關，得出了利用光譜反射率可以定量測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測作物水分。通過高光譜儀分析葉片養分含量方法，間接知道土壤養分含量狀況，再比對健康葉片光譜分析結果，即健康作物養分含量狀況，就可以了解作物所缺養分，以及此時該施用何種化肥和施用數量。據此，構建作物養分光譜信息數據庫就可及時掌握作物養分含量狀況，所需土壤肥力、肥料狀況等重要農情，有助于指導用戶因地施肥。

2 建立決策系統

決策系統是結合北斗衛星定位系統，地區土壤肥力指數系統與作物光譜信息數據所得出的作物養分種類和含量三方面建立起的，同時利用遙感技術的實時信息，就可以得到土地肥力變化趨勢和作物長勢，及時調整施肥方案。決策系統通過結合以下幾個方面進行判斷：

2.1 土地地理信息

利用北斗衛星定位系統獲得耕地周圍地理信息如耕地地形坡度坡長，附近水體還有氣象變化等。耕地坡度坡長越大，則隨著降雨強度地增大，對土壤的淋溶、侵蝕也會加強，土壤養分流失速度也會增快。周圍水體的流向和分布也會影響土壤養分分布。

2.2 土壤肥力指數。

理論計算公式為：

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

土壤養分供應量（kg/ha）=土壤養分（肥力）測定值（mg/kg）*2.25*

土壤養分有效利用系數=空白地植株吸收養分量（kg/ha）/土壤養分（肥力）測定值（mg/kg）*2.25

2.3 作物養分含量

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

3 結果和分析

結合北斗衛星導航系統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，計算耕地的土壤肥力指數，土壤養分含量，然后據此制定出有效施肥方案。這種方法不僅能做到實時監測土壤的肥力情況，在正確時間增減施肥和使用正確化肥，從而實現在最有效地利用化肥的情況下，既可以增加農作物生產，使農業生產者的利益最大化，又可以避免環境的污染，這是一個經濟效益高，可靠性強的監測方法。

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[責任編輯：田吉捷]