北斗/GNSS衛星定位系統在農田精準化平整中的應用

摘要：我國是農業大國，農業發展對于促進我國經濟和社會的發展具有至關重要的作用;但是我國的人口數量眾多，且依然面臨著環境惡化和資源緊缺的問題，而農田土地的精細化平整是農業作業過程中至關重要的環節，農田土地精細平整是精細灌溉以及田間管理的重要基礎，能提高農田灌溉以及肥料均勻度，改良土壤水肥分布，控制雜草、節水、節肥、節藥;從而達到節本增效的效果。近年來，隨著我國北斗/GNSS在各個行業的深入應用，北斗/GNSS在農田土地精細化平整中的應用已經逐步替代激光技術。北斗/GNSS衛星平地系統與激光平地系統相比作業時不受地塊高低地勢差限制，高程信號持續有效;不受大風、霧霾、沙塵等惡劣天氣的影響。本文主要對北斗/GNSS衛星定位技術在農田土地精細化平整中的應用進行分析。

關鍵詞：北斗/GNSS;農田土地;精細化平整;應用

一、概述

農田表面平整度差、田間灌溉工程規格不合理、灌溉管理粗放等是導致中國地面灌溉田間水利用率較低，水資源浪費嚴重的關鍵因素[1]。農田土地的精細化整平可以有效增加農田土地的耕地面積、方便機械化作業、改善農田土地土質;同時農田土地精細化整平后還有以下多重效益：

提高產量收益：通過使用北斗/GNSS衛星系統對土地進行精準整平相較于傳統刮平技術可提高產量15%-30%，是未刮平土地的30%-50%;

節約灌溉用水：土地整平后能夠使灌溉用水得到充分的利用，可以使水均勻的分布在土地各處，不至于水流的不均勻灌溉導致灌溉用水成本增加;

節省測量成本：使用北斗/GNSS衛星定位的平地系統后，無需專門測量土地標高，只需幾分鐘的培訓，操作人員能準確快速地測量出土地的標高;

減少肥料流失：土地經過精準整平后，不僅水能得到精確的利用，化肥還能被保存在植物的根部，灌溉排水時可減少化肥的流失;

控制高處土壤：高處地面被精準整平后可獲得均勻的高度，從而減少了水對高處土壤的沖刷，防止了高處的土壤往低處匯集。

早在上世紀90年代，我國不同地區就開始引進國外激光平地系統，經過多年的推廣與發展，使用激光平地系統精準整平作業已經被更多人認可，精準整平后的土地高低差可控制在±2.5厘米內;但是激光控制平地系統易受外界環境的影響，在作業時容易受到塵土、大霧、大風、雨水等多種因素影響，從而導致基準站發射器和移動終端接收器受到較大干擾，難以正常工作，同時由于激光接收器的范圍限制，導致激光平地系統的工作半徑小，不適合地勢高差大農田土地的整平工作。

基于北斗/GNSS衛星定位的平地控制系統定位速度快、精度可達厘米級完全滿足作業需求，同時具備不受地塊高低地勢差限制，高程信號持續有效，不受大風、霧霾、沙塵等惡劣天氣影響;可更加高效、快速的進行農田土地平整作業。

二、系統概述

1、系統組成

整個系統由北斗/GNSS高精度定位模塊、定位天線、可視化顯示終端、獨立控制模塊、地面基準站、農田土地整平機具（適配普通平地鏟、鏟運機、推土機、平地機等整平機械）等組成。

2、系統原理

作業終端通過電臺或者網絡等無線技術接收基準站數據，通過實時解算（載波相位差分技術又稱為RTK技術（Real Time Kinematic）[2]，是建立在實時處理兩個測站的載波相位觀測值的基礎上，將基準站釆集的載波相位觀測值發播給用戶站，然后進行組差解算坐標，實時提供觀測點的三維坐標）獲取厘米級高精度數據。

平地鏟的齒輪泵連接到拖拉機的后動力輸出軸為系統提供液壓動力[3]，電控系統通過控制電磁換向閥來控制平地鏟的支撐液壓缸[4]，從而控制平地鏟的升降。在農田土地整平的應用中主要通過獲取其實時動態高程信息;通過實時的高程信息與系統所設定的基準高程信息進行對比計算。當鏟體位置較參考基準海拔高時，系統控制輸出信號使限位油缸自動縮短，鏟體下降，鏟體進行刮土并帶動土壤前行;當鏟體較參考基準海拔低時，系統控制輸出信號使限位油缸自動伸長，鏟體上升，鏟體內的土壤填補到地勢較低的地面。在進行平地作業時，限位油缸根據地勢高低不斷伸縮，鏟體對土壤不斷進行刮土卸土的過程，作業一段時間后，土地能夠在同一地勢上形成一個平面，實現精準整平目的。

三、系統優勢

（1）相對傳統的精準化平地系統擁有更加簡單的安裝、校準方式，可通過進行手動、自動模式對平地機進行控制，同時可視化界面實時顯示基準面的信息以及實時顯示距離基準面的高度信息;

（2）具備作業信息存儲、上傳功能，可在可視化終端以及后臺（PC端/手機端）實時的查看相關信息（作業人員、作業機車、作業面積、作業地塊、作業位置、作業速度、作業功耗等信息）;

（3）不同顏色表示地勢高低信息（相對于基準高程的絕對值差），相對于傳統的農田精細化作業極大提高了作業效率，將農田地塊平整信息實時的展現在可視化終端上，作業中可以準確的判斷，從而能夠提高30%以上的工作效率，節省時間與成本;

（4）支持平面以及斜坡模式作業、可24小時不間斷作業，不受白天強光與夜間露水、大霧等影響;可連接地基增強系統實現20公里范圍內的作業，具備較強的拓展性（可與北斗/GNSS農機自動駕駛系統、變量噴霧系統共享作業）。

四、實際應用

北斗/GNSS衛星定位系統在標準化農田改造、農田土地開荒、農田土地澆灌排鹽堿等農田土地平整作業中得到廣泛的應用。

4.1 北斗/GNSS衛星定位系統在旱平免提漿作業的應用

傳統水田種植農田整地主要分成三步走：第一步：秋季收割完進行深平翻，第二步：來年春季進行旱旋耕耕地，第三步：旋耕耕地完再進行泡田后攪漿整地。

該技術存在的問題主要有：第一：需要長時間、大量水進行泡田，導致水資源浪費嚴重;第二：要把握好時間、技術要求高;如若執行不到位，容易導致插秧質量差、秧苗損失率高;第三：該種作業方式容易導致漿層厚度大，土壤漿層含氧量低，從而導致水稻根系生長受阻;并且整個作業過程復雜，成本較高。

為了解決傳統水田種植農田整地問題，北斗/GNSS衛星定位系統在旱地免提漿[5]作業中發揮了至關重要的作用，使用北斗/GNSS衛星定位系統在秋季翻地后進行農田土地的整平作業，在農田土地整平后進行灌溉作業。通過使用該系統整平后的農田土壤可節省大量的灌溉水資源、節省灌溉時間、減少了肥水流失、節約泡田時間，從而給來年春季生產工作節約了大量的時間，同時避免因攪漿整地先后時間差，有利于土壤疏松以及土壤漿層含氧量的提高，適合水稻根系生長，利于早生根早返青，早生分蘗成大穗，增產效果明顯[5]。

4.2 北斗/GNSS衛星定位系統鹽堿地灌溉排鹽堿作業中的應用

重度鹽堿地對于很多農作物來說是禁區，種下去可能不出苗、無生長從而導致顆粒無收，土地鹽堿化制約了農作作物產量，造成了作物出苗難、保苗難，苗期發育遲緩，產量低，經濟效益差等后果。通過灌溉的方式排鹽堿、降低農田土地鹽堿度的重要方式。

通過灌溉排鹽堿的過程中，農田土地整平是必不可少的重要作業環節：通過北斗/GNSS衛星定位系統精細化作業整平后的土地可實現農田灌溉均勻、排除鹽堿效率高、排除鹽堿均勻、節省灌溉水量、后期水肥均勻分布等優勢。保障了作物后期的受水肥均勻，增加作物產量。

五、總結

基于北斗/GNSS衛星定位系統在農田精準化平整中擁有較大的優勢;只要有衛星信號就可以全天候工作;相對傳統模式下的精細化整平作業具備不受天氣、地塊影響、多模式作業等更多的優勢以及可拓展性;可更加高效、更加靈活應用在農田土地精細化整平作業中。該技術在使用的過程也需注意周邊遮擋環境、基準站與作業終端數據傳輸、基準站與作業終端基線距離等因素對于高程精度的影響。

參考文獻

[1].羅小全 .衛星平地控制系統介紹.農業工程技術[J]，2018，38（18）： 70-71.

[2].徐周，GPS差分定位技術及實現方法的研究：[D].：解放軍信息工程大學，2006

[3].許奕， 與輪式拖拉機配套的轉動鏟式水田激光平地機設計與試驗[D]， 2016， 華南農業大學.

[4].胡煉， 林潮興， 羅錫文， et al. 農機具自動調平控制系統設計與試驗[J]. 農業工程學報，? 2015， 31（8）：15-20.

[5].徐祥龍 暴勇 于興龍，《農民致富之友》2019年第13期

作者簡介：季剛 ，1989年02月12日 ， 男 ， 陜西西安（現籍貫? 原籍貫是江西撫州） ， 本科 ， （無），上海市青浦區（上海聯適導航技術股份有限公司），201799、北斗/GNSS定位系統在農業中的應用

上海聯適導航技術股份有限公司 上海市 青浦區 201799