北斗衛星導航系統在河南精準農業中的應用探討

朱懷汝,張新盈

(1.河南省測繪產品質量監督站,河南 鄭州 450003; 2.河南水利與環境職業學院,河南 鄭州 450003)

北斗衛星導航系統在河南精準農業中的應用探討

朱懷汝1,張新盈2

(1.河南省測繪產品質量監督站,河南 鄭州 450003; 2.河南水利與環境職業學院,河南 鄭州 450003)

精準農業是當今世界農業發展的新潮流,在精準農業生產中離不開定位信息,隨著我國北斗衛星導航系統的民用推廣,結合我省北斗衛星導航基準站建設的現狀,研究北斗衛星導航系統在我省精準農業上的應用和發展方向。

北斗衛星導航系統;定位;精準農業;信息采集;數據分析

0 引 言

精準農業是當今世界農業發展的新潮流,是由信息技術支持的,根據空間變異定位、定時、定量地實施一整套現代化農業操作技術與管理的系統,其基本涵義是根據農作物生長的土壤性狀,調節對農作物的投入,即一方面查清田塊內部的土壤性狀與生產力空間變異,另一方面確定農作物的生產目標,進行定位的“系統診斷、優化配方、技術組裝、科學管理”,調動土壤生產力,以最少的或最節省的投入達到同等收入或更高的收入,并改善環境,高效地利用各類農業資源,取得經濟效益和環境效益[1]。河南作為農業大省,在精準農業方面既有先進的技術支持,又有農業大省特有的實際需求。

精準農業由十個系統組成,即全球定位系統、農田信息采集系統、農田遙感監測系統、農田地理信息系統、農業專家系統、智能化農機具系統、環境監測系統、系統集成、網絡化管理系統和培訓系統。

衛星導航技術是精準農業技術的基本組成之一,是實現土壤及作物監測、農機定位與自動作業的基礎。隨著精準農業技術的不斷發展和應用,對衛星導航定位精度的要求不斷提高,依靠衛星導航實現分米級至厘米級的定位精度成為未來精準農業應用的基本保障。隨著我國北斗衛星導航系統的建設發展,北斗系統已提供可靠的無源定位服務,可滿足精準農業應用對高精度定位、低成本化等需求,具有良好的應用優勢和潛力,是未來我國精準農業技術發展的核心組成。

北斗定位終端單頻精度為10 m以內,雙頻精度為米級甚至分米級,在實際應用中,采用多基站差分定位技術可以提高導航和定位精度。使其能夠滿足河南精準農業的需要。

1 河南北斗基礎設施的建設

我省在北斗基礎設施建設上走在全國前列,2011年河南省全球導航衛星連續運行參考站綜合服務系統建成并正式對外提供服務,現今已在全省建成參考基點93個(包括國家基準站點6個),均勻分布在全省,平均站點間距控制在50 km內,實時精度達到厘米級,完全能夠滿足精準農業所需要的定位標準，如圖1所示。

圖1 河南省全球導航衛星連續運行參考站網圖

2 河南精準農業的應用需求

河南為農業大省,“十三五”時期,耕地保有量將保持在1.207 6億畝以上,基本農田面積不低于1.021 1億畝,地形以平原為主,適合大范圍農機作業。雖然我省擁有規模龐大的不同動力的農業機械,但目前我省農業機械信息化程度整體不高,衛星導航應用僅用于道路導航查詢和通訊聯系。隨著農機服務組織規模越來越大,管理的人員、機具、作業地塊越來越多,農機供需匹配不合理、調度方式粗放、農機作業質量無法保障等問題日益突出,尤其在“三夏”、“三秋”等關鍵農時和暴雨、洪澇、干旱期間,無法及時發揮農業機械搶農時、防災害、增效率的作用[2]。

目前的農機主要依賴人工調度,難以有效實現供需匹配,而且農機無法進行夜間作業,往往錯失最佳播種或收割時間,造成嚴重的損失。傳統的農機作業人員主要依靠經驗作業,受主觀因素影響較大,在人工成本不斷增加的壓力下,農機服務組織需要實時、準確、直觀的掌控機手的作業質量、作業進度、作業面積等狀況,并按照就近原則合理調配所需的農機具類型、數量,制定最佳作業方案,實現農機作業過程的優化配置,大幅提高作業效率與農機利用率。因此,衛星導航技術的應用潛力巨大。

2.1 開溝作業

在我省,土地開溝的耕作技術由來已久,早在商朝時,上古先民已經掌握,土地開溝重在排水,防洪防漬,降低田間濕度,從而改善土壤通氣狀況和理化性質,并提高土溫和土壤供肥能力。相對于傳統的開溝作業,基于北斗的開溝作業將以高效率、高精度的特點展現在人們面前,保證農田作業的質量。

2.2 深松監控

在農業生產中,要想獲得豐產豐收,不僅需要優良的種子,足夠的肥料,充足的陽光,控制病蟲害的方法和手段,還需要有先進實用的機械化技術為支撐,比如深松技術。相比于傳統的深松作業,駕駛員不在單一的依靠陷深輪來控制深度,而是依靠深松監控系統終端實時的監控作業深度,更精確的控制深松質量。系統通過安裝光靶或顯示器隨時告知駕駛人員深松機工作深度。以便駕駛人員可以知道自己的工作質量。

2.3 變量噴藥

變量噴藥控制技術應用于農作物的播種、施肥、灌溉等環節。以作物、土壤和病蟲害的空間和時間變化為基礎,利用北斗定位技術結合變量作業的設施,實現最大限度的優化使用各項農業投入,以獲取最高產量和最大的經濟效益。同時減少化學物質的使用,保護農業生態環境,保護土地等農業資源。

3 國內外精準農業發展概況

美國20世紀80年代提出精準農業的概念和設想,90年代初進入生產實際應用,部分技術和設備已經成熟和成型。美國約翰.迪爾公司推出的“綠色之星”系統,美國凱斯公司的“先進農業”系統,英國福格森公司的“田地之星”系統等都可對收獲、播種、施肥及撒藥進行測量及田間作業,裝有衛星接收系統的收割機可以實測出產量,并將數據存儲,經計算機處理后生成產量國。播種機、施肥機可根據執行圖上的信息進行播種施肥,真正做到了測產施肥,合理密植,增加效率。除此,在英國、德國、荷蘭、法國、加拿大、澳大利亞、巴西、日本等國家都有開展精準農業研究和應用的報道。但精準農業除了美國和加拿大進入商業用途,其他地區甚至歐洲還沒有真正推廣[3]。

我國于21世紀初開始精準農業的研究,精準農業系統技術仍處于研究示范實驗過程中,隨著北斗衛星導航系統的快速發展,現已開始進行應用。2014年由黑龍江農墾總局牽頭的哈爾濱精準農業綜合服務示范項目,研制支持50萬終端接入能力的精準農業綜合服務平臺,研制生產農機智能終端,解決農田信息采集、農機作業自動化過程管理和物流交易中信息不對稱等現實問題,提升農業信息化水平。通過建立哈爾濱市一體化農業綜合服務門戶,提供農業生產全程監管、大田作業管理、農情監測、決策支持等服務。2015年由新疆科技技術廳牽頭實施的北斗系統精準農業重大應用示范工程項目,主要建設北斗農業地基增強服務、北斗農業導航與位置服務、拖拉機自動駕駛導航、北斗三農手機終端服務、農機管理調度等系統。同年由湖北省測繪地理信息局牽頭的湖北省北斗導航應用示范項目(現代農業應用示范),確定通過農機信息化智能調度系統和農機自動駕駛精細耕種系統示范,制定北斗現代農業應用產品標準,實現30萬臺大型聯合收割機及拖拉機精準監控調度。2016內蒙古、江蘇、浙江等省也相繼開展了北斗衛星導航系統在精準農業中的應用示范。

4 北斗在現代農業的應用分析

借助國家大力發展衛星導航產業發展的重大機遇,以北斗高精度定位為特色,搭建公共位置信息服務平臺,可建設基于衛星定位、網絡地理信息系統、衛星遙感和移動通信等技術的農機信息化作業智能調度系統和農機自動駕駛系統,把精耕細作應用于播種、施肥、灌溉、噴藥、收割等一系列的農業生產中。

4.1 基于北斗的農機信息化平臺

農機信息化作業智能調度平臺是基于衛星定位、網絡地理信息系統、衛星遙感和移動通信等技術的農機移動監控與調度管理系統,由管理服務平臺、信息資源平臺及應用支撐平臺組成,建立C-P-T (計算機-移動指揮終端-移動定位終端)農機移動監控與指揮模式,旨在實現農機資源的合理配置和有效調度、管理,可滿足不同規模機組、農機服務組織對農機監控與調度管理的需要[4],如圖2所示。

圖2 農機信息化作業智能調度系統

其中,移動定位終端獲得自身位置信息,通過移動網絡上報服務器。移動監控與指揮終端在上報自身位置信息的同時,還可以通過移動網絡對移動定位終端進行位置監控,向指定農機發送調度命令、導航路徑等。固定監控與指揮終端除了對終端進行監控指揮外,可管理農機、農田、訂單信息,還可對作業面積、里程等進行統計分析。

農機信息化作業智能調度系統一般包括農機綜合信息平臺、政務信息綜合平臺以及其他與農機服務相關的平臺。

根據需求,農機綜合信息平臺可包含農機位置信息管理、農機廠家用戶信息管理、農機服務站點用戶管理、農機油料服務計量管理、農機生產項目信息管理、農機車輛信息管理等幾方面。通過該模塊,各級系統平臺可以隨時了解農機車輛的具體位置、行駛速度、行駛方向、行駛軌跡回放和報警車輛監控。可對用戶使用的農機運行參數進行遠程實時了解,為維修服務、改進和提高農機的產品質量提供信息數據。對進站農機車輛的維護、維修信息、農機銷售信息、三包服務信息進行自動匯總,建立電子檔案,為農機補貼管理提供準確數據信息。對農機的加油數量信息進行實時采集,掌握農機每畝機收耗油情況,為油料補貼管理提供準確數據信息。對農機作業面積的數據信息進行實時采集,自動統計和分析,為農機科學合理調度提供科學依據。可以查詢農機車輛的全部信息,為農機維修、事故處理提供即時信息依據。

通過使用農業信息化平臺,管理人員能夠了解和監控作業機械的位置和狀態,實時指揮作業,同時防止違規操作;可以合理調配農機資源,使之發揮最大的效益;方便準確統計作業面積,合理分配作業時間;直接記錄在農業信息化平臺上;方便統計機械化率,為決策提供依據。

4.2 基于北斗的農機自動駕駛精細耕種系統

農機自動駕駛精細耕種系統是集衛星接收、定位控制于一體的綜合性系統,主要由GNSS天線、高精度GNSS接收機、顯示器、控制器、液壓閥 、角度傳感器等部分組成[5]。作業過程中,輔助駕駛系統自動控制轉向,農機按照設計好的路線進行精細作業生產。并將輔助駕駛精細耕種系統的位置數據和業務數據上傳到農機信息化智能調度系統中統一管理,可自動生成準確的作業分析和決策方案,列出作業清單,調度和組織相關農業機械和人員,在規定的時間和區域內高效的完成作業目標,如圖3所示。

圖3 農機自動駕駛精細耕種系統

農機自動駕駛精細耕種系統一般包括農業機械精準控制系統、指示作業系統、北斗高精度定位系統三個大的部分。基于北斗的農機自動駕駛精細耕種系統依賴于北斗衛星導航系統提供高精度位置信息,保證農機高精度精細耕種作業。北斗高精度定位系統包括基準站和流動站。流動站安裝在農機上為農機提供位置服務,基準站可以直接接入全球導航衛星連續運行參考站綜合服務系統獲得流動站的高精度定位數據。

農機自動駕駛精細耕種可以實現進一步的智能化作業,包括產量監測、流量控制、精細播種控制、變量施肥等;農機信息化作業智能調度系統可通過傳感器采集實時的作業數據,對作業情況進行統計、分析,實現變量播種、施肥、無人機植保以及自動烘干倉儲等精細作業方案生成,指導輔助精細耕種具體作業[6]。

4.3 北斗手持終端在精準農業中的應用

利用北斗技術,配合遙感技術(RS)和地理信息系統(GIS),能夠做到監測農作物產量分布、 土壤成分和性質分布、做到合理施肥、播種和噴灑農藥,節約費用、降低成本、達到增加產量提高效益 的目的。利用北都手持終端,差分北斗技術可以做到:

1) 土壤養分分布調查

在播種之前,可用一種適用于在農田中運行的采樣車輛按一定的要求在農田中采集土壤樣品。車輛上配置有 北斗接收機和計算機,計算機中配置地理信息系統軟件。采集樣品時,北斗接收機把樣品采集 點的位置精確地測定出來,將其輸入計算機,計算機依據地理信息系統將采樣點標定,繪出 一幅土壤樣品點位分布圖。

2) 監測作物產量

在聯合收割機上配置計算機、產量監視器和北斗接收機,就構成了作物產量監視系統。對 不同的農作物需配備不同的監視器。例如監視玉米產量的監視器,當收割玉米時,監視器 記錄下玉米所接穗數和產量,同時北斗接收機記錄下收割該株玉米所處位置,通過計算機最終繪制出 一幅關于每塊土地產量的產量分布圖。通過和土壤養分含量分布圖的綜合分析,可以找出 影響作物產量的相關因素,從而進行具體的田間施肥等管理工作。

3) 合理施肥,精確農業管理

依據農田土壤養分含量分布圖,設置有北斗接收機的“受控應用”的噴施器,在北斗的控制下, 依據土壤養分含量分布圖,能夠精確地給田地的各點施肥,施用的化肥種類和數量由計算機根據養分含量 分布圖控制。

在作物生長期的管理中,利用遙感圖象并結合北斗可繪出作物色彩變化圖。利用北斗定位采集一定數量 的土壤及作物樣品進行分析,可以繪制出作物生長的不同時期的土壤含量的系列分布圖。 這樣可以做到精確地對作物生長進行管理。

利用飛機進行播種、施肥、除草等工作,作業費用昂貴。合理地布設航線和準確地引導飛機,將大大節省飛機作業的費用。據國外介紹,利用差分北斗對飛機精密導航,估計會使投資降低50%。具體應用中,利用北斗差分定位技術可以使飛機在噴灑化肥和除草劑時減少橫向重疊,節省化肥和除草劑用量,避免過多的用量影響農作物生長。還可以減少轉彎重疊,避免浪費,節省資源。對于在夜間噴施,更有其優越性。因為夜間蒸發和漂移損失小,另外夜間植物氣孔是張開的,更容易吸收除草劑和肥料,提高除草和施肥效率。依靠差分北斗進行精密導航,引導農機具進行夜間噴施和田間作業,可以節省大量的農藥和化肥。

5 結束語

圍繞“三農”經濟需求,結合北斗導航技術,開展精準農業綜合服務,解決了農田信息采集、農機作業自動化過程管理和物流交易中信息不對稱等現實問題,提升農業信息化水平。極大地提高了農田作業精度,不受天氣和早晚的影響,節省了時間和燃料,增加了作業效率節約了成本。同時減少駕駛員的勞動強度,降低優秀駕駛員的依賴度,節省人力成本。可提供農業生產全程監管、大田作業管理、農情監測、決策支持等服務。

北斗衛星導航技術及產品在農業領域具有良好的應用推廣能力,對精準農業的發展和應用具有重要意義。北斗技術在農業領域中的應用不僅是大面積種植,在小面積的農田,特別是在格網種植的小面積內,應用小型自動化設備,配合差分北斗導航設備、電子監測和控制電路,能夠適應科學種田的需要,作到精確管理。

[1] 沈傳青,沈傳敏.淺論精準農業技術在全球范圍內的普及應用[J].中國農業信息,2013(11)：217.

[2] 李小龍,李治國,陳華,等.北京市農機作業調度管理與精準作業系統[J].農業工程,2013(S2)：44-48.

[3] 徐臣善.國內外精準農業研究進展[J].德州學院學報,2013,(29)：53-65.

[4] 王壯,陳立平,劉永生,等.農機監控調度系統的設計與實現[J].計算機工程,2010(11)：232-234.

[5] 吳才聰,苑嚴偉,韓云霞,等.北斗在農業生產過程中的應用[M],北京:電子工業出版社,2016.

[6] 趙晶.農機作業輔助調度與精確監測方法研究[D].長沙:中國農業大學,2015.

The Application of BeiDou Satellite Navigation System in Precision Agriculture of Henan

ZHU Huairu1,ZHANG Xinying2

(1.GeographicInformationBureauofHenanProvince,Zhengzhou450003,China; 2.HenanVocationalCollegeofWaterConservancyandEnvironment,Zhengzhou450003,China)

Precision agriculture is the new trend in agricultural development in the world, It can not leave the location information in precision agriculture production, along with our country civil popularizing the BeiDou satellite navigation system, combined with the present situation of the BeiDou satellite navigation base station construction in our province, the BeiDou satellite navigation system in the direction of the application and development on precision agriculture in our province.

BeiDou navigation satellite system; positioning; precision agriculture; information collection; data analysis

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.020

2016-12-15

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0094-05

朱懷汝 (1979-),男,工程師,主要從事4D測繪成果質量檢驗及測繪質量管理、新技術新標準應用推廣工作。

張新盈 (1977-),男,講師,注冊測繪師,主要從事測繪教學科研工作。

聯系人: 朱懷汝E-mail:65780645@qq.com