（农业机械化工程专业论文）基于VMS系统的农田信息空间变异性研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 在进入以信息和生物技术为主的农业技术创新的时代，“精细农业”作为现 “i 代农业精细经营技术体系，其应用和发展能够使人类充分挖掘农田的潜力，合理 利用水肥资源，避免环境污染，大幅度提高农产品的质量，保证农业的可持续发 展。因此，精细农业代表了2 1 世纪世界农业发展的总趋势。 在精细农业的研究、试验与实施过程中涉及到大量关于农田环境与作物生长 情况的数据。由于这些数据一般都具有空问分布上的差异性，要分析与处理这些 数据，普通的关系型数据库已不能满足需要，因此需要开发一种田阃信息系统， 称之为农田地理信息系统，来对田问数据进行分析与处理。 本文根据精细农业发展的需要，在对农田空间信息处理技术研究的基础上， 进行了农田地理信息系统的设计与开发工作。文中详细介绍了一种带有g p s 接 收机的多媒体影像视频系统讧s 2 0 0 系统硬件组成以及软件功能，并运用该 系统建立了试验田电子边界地图，采集小麦长势图像，运用连续定位移动平 均的方法对边界地图进行了定位误差修复。 依据采集到的农田电子地图，运用规则栅格采样原则，测定了碱解氮、速效 磷、速效钾等土壤特性数据以及籽粒产量、千粒重等小麦产量数据。根据采样数 据对几种常用的空间插值方法进行均方差值比较，选择了一种适合的方法一克 里格插值法，对试验田田间信息的空间变异性进行深入的研究和分析，结合地统 计学方法，绘制了能够表达这些土壤特性和产量属性随机性和结构性的半方差图 和空间分布图，并结合小麦长势图像与这些分布图作了定性分析。在此基础上， 结合v i s u a lb a s i c 6 0 编程语言与g i s 组件m a p x 5 0 软件，开发了一个适用于农 田田问信息显示的农田地理信息系统f a r m g i s 。 通过建立f a r m g i s 系统，可以方便进行农田电子地图与田间信息的管理， 不仅能够完成地图的生成、编辑与显示等操作，而且能够对田问信息进行分析与 处理，为农田的精细管理和变量投入提供技术支持。 关键词：精细农业v m s 空间变异g i s 插值 江苏大学硕士学位论文 e n t e r i n g i n n o v a t i v ee r ao f a g r i c u l t u r a lt e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o n a n d d e v e l o p m e n to f ”p r e c i s i o na g r i c u l t u r e ”o fp r e c i s i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo fm o d e m a g r i c u l t u r ec a l le x c a v a t ea d e q u a t e l yp o t e n t i a lo ff i e l d , a n du t i l i z ea p p r o p r i a t e l y r e s o u r c eo fw a t e ra n df e r t i l i z e r , a n da v o i dp o l l u t i o no fe n v i r o n m e n t , a n da d v a n c e q u a u t yo fp r o d u c e ，a n d e k s u r ec o n t i n u a ld e v e l o p m e n to fa g r i 咖t u r e t h e r e f o r e , p r e c i s i o na g r i c u l t u r ei st r e n do fa g r i c u l t u r a ld e v e l o p m e n ti nt h ew o r l d f o rs i t e - s p e c i f i cc r o pm a n a g e m e n to fp r e c i s i o na g r i c u l t u r e ，i ti sn e e d e dt o m a n i p u l a t em a s sa n dv a r i o u sd a t ag a t h e r e df r o md i f f e r e n td a t as o u r c e s s i n c e c o m m o nm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m sa r en o ts u i t a b l et od e a lw i t ht h e s es p a t i a l d i s t r i b u t e dd a t a , i ti sn e e d e dt od e v e l o paf i e l dl e v e lg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m , i n o r d e rt om e e tt h ei w e ：c 1 8o ff i e l dd a t ap r o c e s s i n g d r i v e nb yt h en e e d sf o rc a r r y i n go u tp r e c i s i o na g r i c u l t u r er e s e a r c h , af i e l d - l e v e l g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，b a s e d0 1 1t h es t u d yo f s p a t i a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n i q u e s i nt h ep a p e ran e wk i n do fv i d e om a p p e r s y s t e mw i t hr e c e i v e ro fg p sw a si n t r o d u c e di nd e t a i l ，c a l l e dv m s 2 0 0 ，i t sh a r d w a r e a n ds o f t w a r ew e r eb o t hr e f e r r e d ，m a n a g e dt oc o l l e c tb o u n d a r ym a po ft h ef i e l da n d i m a g e so fw h e a t , t h ee l r o ro fi tw a sr e s t o r e db yu s i n gt h em e t h o do fs e q u e n t i a l o r i e n t a t i o nt oa v e r a g e t h em e t h o do fs y s t e m a t i cs a m p l i n gw a su s e dt od e t e r m i n et h ec e n t e n t so f a v a i l a b l en ，a v a i l a b l ep ，a v a i l a b l eka n ds e e dy i e l d , 1 0 0 0 一s e e dw e i g h to fw h e a t , a c c o r d i n gt ot h ed i g i t a lm a p s o m ep r e v a l e n tm e t h o d so fs p a t i a li n t e r p o l a t i o n sw e r e c o m p a r e db ym e a ns q u a r ee s t i m a t i o n ( m s b ) ，a n dk r i g i n gm e t h o dw a sc h o s e n t h e n t h ed i v e r s i t i e so fs o i lp r o p e r t i e sa n dy i e l da t t r i b u t ew i t h i nt h et e s tf i e l dw e r ea n a l y z e d b yu s i n gg e e - s t a t i s t i c s t h es o i lp r o p e r t ya n dy i e l da t t r i b u t ew e r es t u d i e du s i n gs p a t i a l d i s t r i b u t i o nm a p sa n ds e m i - v a r i o g r a mg r a p h st h a tc a ne x p l i c i t i ye x p r e s st h er a n d o m a n ds t r u c t u r eo ft h e m t h ei m a g e so fw h e a tw e r ec o m b i n e dw i t ht h e s e s p a t i a l d i s t r i b u t i o nm a p st or e s e a r c hb r i e f l yi nt h ep a p e r i nt h ee n d , af i e l d - l e v e lg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m0 7 a r m o l s ) w a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e db a s e do nv i s u a lb a s i c 6 0 a n dc o m g i s - m a p x s 0 t h ei n f o r m a t i o no ff i e l d 啪d i s p l a yt h o r o u g h l yi nt h e 江苏大学硕士学位论文 s y s t e m t h es y s t e mo ff a r m g i sc a nm a n a g eb o u n d a r ym a pa n di n f o r m a t i o no ff i e l d e x p e d i e n t l y i tc a nn o to n l yp r o d u c e ，e d i ta n ds h o wt h em a p ，b u ta l s oa n a l y z ea n d d i s p o s et h ei n f o r m a t i o ni ni t , a n dm a k eh e l pf o r t h ea c c u r a t em a n a g e m e n ta n dv a r i a b l e d e v o t i o nt o 丘e l d k e yw o r d s ：p r e c i s i o na g r i c u l t u r e , v m s ，s p a t i a lv a r i a b i l i t y ，g i s ，i n t e r p o l a t i o n h i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密函。 学位论文作者签名： 岬年；月f 7 日 沫云前 指导教师签名：陧圳么 2 哆年6 月垆日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 。1 ，、佤 日 文骨 侈 轹 月 签 荐 年 作 刁 炸 神 论 ： i 业 妇 ，1+上， 学 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 精细农业技术思想 第一章绪论 在过去的半个多世纪里，为解决人民的温饱问题，一直沿用传统的农业生产 模式，为片面追求粮食高产，加大化肥、农药的投入，增加机械动力和矿物质能 源的消耗，导致农业生态环境日益恶化，农业生产资源匮乏，农产品品质下降等 一系列问题。所有这些说明传统的农业生产管理方式，已不再适应当今社会发展 的要求。中国是世界上最主要的农业国家，以实际耕地面积0 0 9 3 0 1 3 3 x 1 0 8 h m 2 计算，目前人均耕地仅有0 0 0 8 0 o l l h m 2 。随着人口增长和土地资源减少的矛 盾不可逆转，为了满足经济发展和人民生活水平的日益提高的要求，必须改变粗 放式的农业经营模式，发展集约农业，走农业科技化和产业化的持续发展之路。 因此，“精细农业”的概念和技术便应运而生。 1 1 1 精细农业技术的基本概念 “精细农业”一词，译自国外近几年来趋于统一的“p r e c i s i o nf a r m i n g 或 “p r e c i s i o na g r i c u l t u r e ”。国内一些学者曾将其译作“精确农业”、“精准农业”、 “精致农业”、“精细农业”等，本文采用“精细农业”一词。 精细农业的早期研究与实践，在发达国家始于八十年代初期。首先，从事作 物栽培、土壤肥力与作物病虫草害管理的农学家在进行农业专家系统的应用研究 中，发现农田内米级尺度为单位的小区作物产量和生长环境存在着明显的时空差 异性，并提出要求对作物栽培实施定位管理，按需变量投入。在农业工程领域， 微电子技术迅速实用化，推动了农业机械装备机电一体化、监控智能化和农田信 息采集与处理技术的快速发展。在农业经营中，发达国家开始重视兼顾农业生产 力、资源、环境等问题，有效控制农业投入、节约成本、提高利润、提高农产品 市场竞争力【1 1 。 精细农业基本思想示意如图1 1 所示。 1 1 2 精细农业主要支持技术 “精细农作”是基于田间小区作物生长条件的空间差异性，为优化作物生产 系统的目标而提出的，因此，精细农业技术必须能随时空变化采集数据，绘制电 子地图，并加工、处理，形成管理设计( 或作业执行电子图) ，精确控制田间作业 江苏大学硕士学位论文 并对精细农业的农业效果、经济效益及生态效益进行评估。实现这些的关键技术 是：全球卫星定位系统、地理信息系统、遥感系统、农田生物信息采集技术、决 策支持系统、变量作业智能农业机械、系统集成技术、基因工程技术以及计算机 网络技术、自动化控制技术等闭。 l 丝鲨墨壅i| 望熊里壅ii 堑塑墨壅l 趣f i 主! 苎些墨茎卜ir 苎曼堕璺墨堡i 图匦匦丑j ll 一龋詈嚣墓i 广_ 蟹* 口盎蓟臣曼圈豳塞圃 图1 1 精细农业基本思想 f i g 1 1e l e m e n t a r yf l a m eo f p r e c i s i o na g r i c u l t u r e 1 ) 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，缩写g p s ) 是一种高精度、全 天候、全球性的无线电导航、定位、定时系统。系统的空问部分由2 4 颗地球轨 道卫星组成，这些卫星离地面高度约2 万公里，分布在等间隔、近似圆形的六个 轨道平面上，可以保证在任何时间、地球上的任何地点都能观测到4 颗以上的卫 星【3 l 。地面接收机接收到卫星发出的连续、实时、高精度的测距信号和精确原子 钟授时等信号，经过接收机进行数据处理和计算，即可获得接收机所在位置的经 度、纬度和海拔高度等定位信息和定时信息。 精细农业实践中，为了提高g p s 接收机的定位精度，需要采用差分g p s ( d g p s ) 系统，以便能满足定位精度要求。d g p s 是实践精细农业的基础，其 作用主要表现在定位和导航两个方面：d g p s 的定位功能主要用于绘制农田边界 和产量分布图，农田管理调查、土壤采样等；d g p s 的导航功能主要用于农业机 械田间作业和管理的导航，引导农业机械定位变量投入。 2 ) 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，缩写g i s ) 是一个用于输入、 存储、检索、分析、处理和表达地理空间数据的计算机软件平台。它以带有地理 坐标特征的地理空日j 数据库为基础 4 1 ，将同一坐标位置的数值相互关联在一起。 在精细农业实践中，g i s 主要用于建立农田土地管理、土壤数据、自然条件、 2 江苏大学硕士学位论文 生产条件、作物苗情、病虫草害发生发展趋势、作物产量等的空间信息数据库和 进行空间信息的地理统计处理、图形转换与表达等，为分析差异性和实施调控提 供处方决策方案。 3 ) 遥感技术( r e m o t es e n s i n g ) 遥感技术( r e m o t es e n s i n g ，缩写r s ) 利用高分辨率传感器，在不同的作物 生长期，实施全面监测，根据光谱信息，进行空间定性、定位分析，为定位处方 农作提供大量的田间时空变化信息【5 】。精细农业实践中，r s 虽不能直接测量土 壤水分、植物冠层营养水平、籽粒与生物产量等信息，但可通过多光谱测量推断 出结果。通常r s 数据图形可以是g i s 的一个图层，作为补充实地采集的土壤肥 力、杂草、虫害等数据层，同时作些补充处理以使得r s 图层与其它数据层的地 理位置相一致。 i t s 是精细农业实践中支持大面积快速获得田白j 数据的重要工具。目前应用 热红外遥感、多光谱遥感、微波遥感对土壤水分的监测，已经进入示范推广阶段。 4 ) 农田生物信息采集技术( f a r m i n g d a t a a c q u i r e d t e c h n o l o g y ) 快速、有效采集和处理农田空间分布信息，是实践精细农业的重要基础。优 先考虑的是土壤水分、土壤养分、土壤压实、耕作层深度和作物病虫草害及作物 苗情分布信息采集与处理等。目前田间信息快速采集技术的研究仍大大落后于支 持精细农业的其它技术发展，已成为国际上众多单位攻关研究的重要课题。现有 的土壤信息采集方法是基于定点采样与实验室分析相结合，耗资费时、空间尺度 大、难于较精细地描述这些信息的空间变异性【6 】。 农田空间分布信息采集技术创新的方向是研究开发可快速操作，有利于提高 采样密度，测量精度能满足实际生产要求的新型传感技术。部分农田信息将可采 用扫描的方式，通过安装于作业机械上的传感器连续采集，能够自动生成空间信 息分布图，此项研究具有良好开发前景。 5 ) 作物生产管理决策支持系统( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m s ) 在农业生产中，决策支持系统( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m s ，缩写i ) s s ) 用来提 供战术的、战略的及方针目标的决策支持。d s s 是在管理信息系统和运筹学的基 础上发展起来的计算机科学分支，实现了由计算机自动组织和协调多模型的运 行、以及对数据库中数据的存取与处理，从而达到更高层次的辅助决策能力。决 策支持系统包括模型库、数据库、知识库、方法库及其管理系统等，同时融合了 良好的人机接口，使得模型运算、数据处理、专家知识以及在决策者的参与下建 立起模型库、数据库与领域专家的有机联系m 。近几年来，人工智能技术的最新 成果，被引入决策支持系统，使系统的决策水平和决策自动化程度得到了提高。 3 江苏大学硕士学位论文 精细农业实践中，d s s 根据作物生长、作物栽培、经济分析、空问分析、时间序 列分析、统计分析、趋势分析以及预测分析等模型，综合土壤、气候、资源、农 用物资及作物生长有关的数据进行决策，结合农业专家知识，对不同的决策目标 分别给出最优方案，用以指导田间操作降】唧。 6 ) 变量作业智能化农业机械( i n t e l l i g e n t f a r mm a c h i n e r y ) 用于支持精细农作的智能化农业机械带有田间定位系统、各种传感器以及执 行元件，能够进行信息采集或根据决策处方图自动进行定位及变量田间操作 1 1 0 1 1 1 1 l 。目前，自动控制的精密播种机、施肥机、施药机以及能生成作物产量分 布图的联合收割机已有商品化产品【1 2 1 。其中，m a s s e yf e r g u s o n 、c a s e 与j o h n d e e r e 等公司生产的联合收割机都能够以约1 5 m 2 左右的空间分辨率绘制田间产 量分布图，其标称精度可以达到3 【埘。 1 2 农田地理信息系统的作用及国内外相关研究发展现状 1 2 1 农田地理信息系统的作用 在精细农业的研究、试验与实施过程中，需要涉及到大量关于农田环境与作 物生长情况的空间分布数据。所以信息技术，特别是田间数据存储、分析与处理 技术在精细农业技术体系中占有重要地位，精细农业技术实践的成功与否，也很 大程度上取决于是否能够正确分析与处理所掌握的大量数据。 在较早时期，农业中所使用田间数据主要为数字类型或文本类型，数据的存 储与管理一般使用关系型数据库系统，即若干个相互关联的二维数据表格，而数 据的查询和检索则需要根据不同表格中相互关联的关键字段来进行。但是在精细 农业中涉及到的数据不仅有作物产量数据、作物苗情长势数据、土壤养分数据、 土壤含水率数据、土壤类型数据等，还包括反映上述这些数据在农田中分布与变 化情况的空自j 数据。这样，一般的关系型数据库就不能满足使用要求了，而既能 够存储和分析属性数据，又能够处理相应空自j 数据的地理信息系统在精细农业中 得到了广泛的应用【1 4 1 。农田地理信息系统就是指针对精细农业应用而开发的专用 地理信息系纠1 5 1 。 1 2 2 国内外相关研究发展现状 目前国内外主要的农用地理信息系统有：美国堪萨斯大学生物与农业工程系 开发的农田地理信息系统( f i s ) ，t r i m b l e 公司开发的a g i s 系统，中国农业大 学精细农业研究中心与河北农业大学人工智能研究中心合作开发的v r f i s d s s 系统等。 4 江苏大学硕士学位论文 1 ) f i s 系统 图1 2 f i s 系统界面 f i g 1 2 t h e w i n d o w o f f i s 彤s i 栅 f i s 是基于栅格数据的农田地理信息系统，其界面如图1 2 所示 1 6 j 。f i s 系 统是使用c + + 语言在w m d o w s 环境下开发的，目前最高版本为7 0 2 版，系统的 主要功能包括：( 1 ) 农田边界生成功能；( 2 ) 输入输出功能；( 3 ) 插值功能；( 4 ) 统计 功能；( 5 ) 缓冲区分析功能； 逻辑与数值查询功能；空间模式分析功能等。 f i s 系统在遥感图像的处理方面功能较强，并且提供了插值、统计、查询、 缓冲区分析与空间模式分析等多方面的功能，是一个比较完善的农田地理信息系 统，但这一系统不能够支持矢量格式的图形数据，基本农田信息管理方面的功能 比较薄弱。 2 ) a g i s 系统 a g i s 系统是使用v c + + 编程语言开发的农业应用系统，其界面如图1 3 所 示1 1 7 1 。系统能够处理y l d 、l o g 与t x t 格式的产量数据；具有插值分析和统 计分析功能；能够生成变量作业处方图；具有矢量与栅格图形转换功能；支持 s h a p e f i l e 、d x f 、t i f f 等多种图形格式的输入与输出等功能。a g i s 能够支持地理 信息系统普遍使用的s h a p e f i l e 与d x f 格式，这给不同系统之间的数据共享带来 了方便。但是系统中除了插值分析功能以外，其它的数据处理与分析功能较少。 图1 3 a g i s 系统界面 f i g 1 3 t h e w i n d o w o f a g i ss y s t e m 5 江苏大学硕士学位论文 3 ) v r f - i s d s s 系统 图1 4v r f - i s d s s 系统界面 f i g 1 4t h ew i n d o wo f v r f - i s d s ss y s t e m v r f - i s d s s 系统是在通用地理信息系统平台a r c g i s 的基础上通过二次开发 完成的，其界面如图1 4 所示【堋。此系统可运行于w i n d o w s 9 5 或更新版本的 w m d o w s 操作系统，能够直接调用a r c g i s 所提供的地图数字化、坐标文件导入、 电子地图编辑、图形显示方式设定、属性数据管理、数值查询与逻辑查询、插值 分析、统计分析、缓冲分析、矢量与栅格文件转换等全部功能，可以十分方便的 管理田间数据。 上面介绍的这些系统中虽然有许多值得借鉴的功能，但是在作物生产管理的 方法与习惯方面，中外农户有较大差别。上述这些系统中的功能主要针对国外农 户设计，这样必然会给国内用户的使用带来不便。另外，系统的英文界面以及较 高的价格也会给这些系统在国内推广与应用带来较大困难。 1 3 本课题研究的主要内容 综上所述，笔者认为有必要针对我国农业生产与发展精细农业的需要，以较 小的开发成本在较短的开发周期内，开发一种功能适当、界面友好，并且符合用 户操作习惯与作物生产管理方式的农田管理信息系统，用来分析与处理田间数 据，管理农田信息，为开展精细农业提供支持。 农田地理信息系统与a r c g i s 、m a p i n f o 等复杂、昂贵的通用地理信息系统不 同，它专门针对精细农业应用而设计，具有功能专一、系统精简、价格适当的特 点。 本课题根据我国发展精细农业、处理田间数据与管理农田信息等方面的需 求，在对空间信息处理技术研究的基础上，以农田地理信息系统的设计与开发为 目标，确定了以下几个方面的研究内容： 6 江苏大学硕士学位论文 1 农田地理信息库的建立与维护是田间数据分析与农田信息管理的基础， 运用v m s 2 0 0 系统建立农田电子地图，并获取具有时空属性的作物长势视频、 图像信息。 2 为了达到减少采样点数目、节约采样成本与提高采样信息量的目的，对 在农田中设置关键采样点的布点方法进行分析、研究与设计，测定试验田中土壤 特性数据以及产量数据。 3 根据采样数据，比较几种常用的空间插值方法，选择适合的插值方法， 对田阿信息的空间变异性进行深入的研究和分析，结合地统计学原理，绘制能够 表达土壤特性和产量属性随机性和结构性的半方差图和空间分布图。 4 运用v m u a lb a s i c 6 0 作为编程语言及o i s 组件m a p x 5 0 作为a c t i v e x 控 件，设计一种功能适当、界面友好、信息量丰富的农田地理信息系统( f a r m g i s ) ， 用来分析与处理田间数据，为农户管理农田信息提供依据与帮助。 1 4 本章小结 本章首先介绍了精细农业技术的基本概念，精细农业的主要支持技术，以及 农田地理信息系统在精细农业中的作用及其国内外发展现状；其次，阐明了本课 题的主要研究内容、研究目的等。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章农田电子地图的测绘 2 1 农田电子地图测绘 2 1 1 电子地图主要测绘方法 农田地理信息库的建立与维护是田问数据分析与农田信息管理的基础。本章 将主要介绍f a r m g i s 系统中农田电子地图测绘、更新等方面的内容。经过对几 种测绘方法的比较与分析，系统中的农田电子地图选用g p s 测绘方法获得，本 文中主要采用了r e dh e n 公司的v m s 2 0 0 系统作为g p s 接收设备，来绘制农田 电子地图。 精细农业需要利用定位农作技术手段，通过对农业资源空间分布差异的定位 管理，来提高农业资源利用率，从而达到降低成本或增加利润来提高农业生产效 率与保护环境的目的【埘。在精细农业的实施过程中需要涉及到大量关于农田环境 与作物生长情况的空间分布数据和相应的属性数据。而在使用时，所有这些数据 都必须以一个基本图层作为参照，而这个基本图层就是我们所需要的农田电子地 图。 “3 s ”即g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，地理信息系统) 、g p s ( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ，全球定位系统) 和i t s ( r e m o t es e n s i n g ，遥感技术) 的简称。 目前利用3 s 技术获取农田基本地图是较为常用的方法。与传统的测绘方法相比， 利用3 s 技术获取农田基本地图的方法具有成图周期短、更新速度快、测量精度 高等优点嗍。在3 s 技术中g i s 作为空间数据与属性数据管理系统，具有数据的 输入、修改、编辑、分析、图形显示与输出等功能，而g p s 和r s 可以作为为 g i s 的空间数据库提供快速获取数据和更新数据的手段1 2 1 1 。通过3 s 技术获取农 田电子地图主要有以下三种方式吲： ( 1 ) 图纸数字化睁已有的农田图纸经过数字化并赋予相应地物的属性 值，转换为g i s 中的电子地图。 ( 2 ) 遥感图像制图l 锌几何校正后的正射遥感图像进行坐标配准后作为 底图显示在g i s 系统中，通过屏幕数字化的方法得到农田电子地图。为了保证参 考图层的精度，遥感图像的分辨率一般需要达到亚米级。地物的属性可以通过遥 感图像的光谱分析以及实地勘察的方法获得。 ( 3 ) g p s 测绘一使用g p s 设备进行田问测绘，得到农田边界、水井、道 8 江苏大学硕士学位论文 路等地物的空间位置数据，并同时记录相应的属性数据，然后使用g i s 系统对数 据进行处理、编辑生成电子地图。 目前一般农田都不具备大比例尺、高精度的图纸，所以通过图纸数字化来获 得农田基本地图的方法并不适用；而遥感图像制图的问题在于，除了屏幕数字化 的工作以外，地物的属性还需要通过其它光谱分析以及实地勘察的方法才能获 得，工作量较大；相对来看，g p s 测绘则是一种成本较低、速度较快的方法嘲。 所以本文研究采用g p s 测绘的方法来获得示范区的农田基础地图。 2 1 2v i s 2 0 06 p $ 田间测绘 本文中，进行农田电子地图测绘时，g p s 数据记录采用一台r e dh e n 公司的 v m s 2 0 0g p s 接收机来完成，采集完毕输入m e d i a m a p p e r 5 2 ，以v t c 格式保存 文件，以方便输入到a r c g i s 、m a p i n f o 等通用地理信息系统中使用。在田间作业 过程中，利用摄像机记录作物长势、病虫害等属性信息，并记录下示范区农田边 界、房屋和水井等地物的位置数据以及相应的土地所属、作物类型等属性数据， 事后将这些数据以及g p s 数据一并输a 蛰j m e d i a m a p p e r 5 2 中，以方便在f a r m g i s 系统中进行处理与编辑生成电子地图。 2 2v m s 系统介绍及农田电子地图绘制 2 2 1v i i s 系统介绍 多媒体地图测绘系统( v i d e om a p p i n gs y s t e m ，简称v m s ) 是由美国r e dh e n 公司于1 9 9 8 年开发的一套独一无二的建立在视窗平台上借助全球卫星定位系统 ( g p s ) 和地理信息系统( g i s ) 为基础的信息收集，地图制作，信息储存和管 理的系统p q 。它引导了“图像”在绘图领域的全新应用，改变了以前简单地运用 “图像”作为背景图层，而现在数字化空间多媒体地图测绘系统( s ) 中， 是运用“图像”来反映特定区域内各采集点之间的实际信息。 将地理信息图像嵌入到地图中，将会大大丰富地图中所包含的信息，扩大用 户做出决定的范围。该系统中的一副图像会比用成千上万的词汇所描述的更加直 观、形象。在某一特定地点的地图中加入一系列的图像，也会大大降低用户使用 及分享这些信息的难度，这些也正是v m s 系统的价值所在。 1 ) v m s 2 0 0 系统硬件介绍 r e dh e n 公司从1 9 9 8 年开始首先推出了v m s 2 0 0 系统( 图2 1 ) ，以后几年 中，在此基础上又相继推出v m s 2 0 0 的增强版v m s 3 0 0 ，以及v m s - x 、a - v m s 、 v m sm o b i l e 等适用于不同场合、条件下的数字化影像多媒体地图测绘系统。本 9 江苏大学硕士学位论文 文中，主要运用v m s 2 0 0 系统进行农田边界的测绘实验。 图2 1v m s 2 0 0 接收器 f i g 2 1v m s 2 0 0r e c e i v e r v m s 2 0 0 是一套牢固稳定的编码和解码硬件设备，其内部装置了一个t r i m b l e l a s s e ns ki ig p s 接收卡，仅需连接一个与之匹配的g p s 接收天线，就可直接接 收g p s 数据信息，此外，v m s 2 0 0 还可外接差分g p s 接收机。其输出数据通信 协议采用n m e a 0 1 8 3 标准：数据传输速率为4 8 0 0 b p s ，8 位数据位，l 位停止位， 无奇偶校验位【2 卯。发送的卫星定位数据包括当前u n i v e r s a lt u n ec o o r d i n a t e d ( u 1 ，世界协调时间) ，在其小时数上加8 则为北京时间；l o n ( 经度值) 、l a t ( 纬度值) 、a l t ( 海拔值) 、u t ct i m e ( 时间) 、f i x ( 卫星状态) 、v t rt i m e ( 摄像 机记录时间) 等幽】。 全球定位系统是一套地面上的用户接收器持续地接收天上卫星以无线电信 形式传播的信号的卫星网络。v m s 2 0 0 就是这样的一种用户接收器，它通过与之 连接的g p s 天线接收到g p s 信号，然后通过连接v m s 2 0 0 与数码摄像机的麦克 风连接线，以音频信号格式，储存到摄像机磁带上。v m s 2 0 0 系统接收g p s 数 据连接如图2 2 ，g p s 信号接收框图如图2 3 。 图2 2v m s 2 0 0 系统接收信号连接示意图 f i g 2 2i l l u s t r a t i o no f v m s 2 0 0r e c e i v i n gs i g n a l s 圜囡圜 江苏大学硕士学位论文 图2 3g p s 信号接收组成框图 f i g 2 3f r a m ec h a l o f g p sr e c e i v i n g 在整个系统完成数据采集后，需要将所采集到的数据信息导出，以便进行处 理。将v m s 2 0 0 与s o n y 摄像机分别连接到微型计算机对应串口上，此时导出的 信息包括了所采集到的g p s 信息、视频与图像信息。在整个信息导出过程中， 存储在摄像机磁带中以音频格式保存的g p s 信息重新经过v m s 2 0 0 系统后输入 计算机中，而视频与图像信息直接从摄像机连接计算机上的视频采集卡一1 3 9 4 串 口输入计算机，v m s 2 0 0 系统信号输出如图2 4 ，g p s 信号输出框图如图2 5 。 图2 4v m s 2 0 0 系统输出信号连接示意图 f i g 2 4i l l u s t r a t i o no f v m s 2 0 0e x p o r t i n gs i g n a l s 图2 5g p s 信号输出组成框图 f i g 2 5f r a m ec i l a r to f g p so u t p u t 2 ) v m s 2 0 0 系统软件介绍 当通过v m s 2 0 0 系统采集到特定地点的g p s 数据、影像或图像信息后，需 要将这些信息进行处理，以便利于二次开发利用。因此，r e dh e n 公司于1 9 9 8 年在v m s 2 0 0 推向市场的时候，同时推出了其配套软件m e d i a m a p p e r 5 1 ，于2 0 0 5 江苏大擘硕士学位论文 年7 月2 7 日又推出了升级版m e d i a m a p p e r 5 2 。 m e d i a m a p p e r 5 2 是一套功能强大、界面便捷的桌面操作软件，主界面如图 2 6 。用户根据g p s 坐标在其中可获得任意位置的数码地图图像、视频与音频信 息。其主要功能包括以下三点1 2 4 1 ： ( 1 ) 媒体处理功能：一旦计算机连接好采集到音、视频与g p s 信息的数码 摄像机及v m s 2 0 0 ，m e d i a m a p p e r 5 2 软件驱动处理器会自动识别并将地图中具体 位置与媒体连接起来。 ( 2 ) 生成数字地图：m e d i a m a p p e r 5 2 软件提供了动态的地图生成环境以及 一组能展现海量信息的用户制图工具。 ( 3 ) 地图打印功能：在m e d i a m a p p e r 5 2 软件最终生成的地图可以很轻松地 打印出来，与其余用户共同使用。 图2 6m e d i a m a p p e r 5 2 操作界面 f i 晷2 6t h e w i n d o wo f m e d i a m a p p e r 5 2 2 2 2v q l l s 2 0 0 系统在农业工程中的应用 在支撑精细农业的“3 s ”技术( 全球定位系统g p s 、地理信息系统g i s 、遥 感技术r s ) 中，v m s 2 0 0 系统能有效地将g p s 与g i s 技术融合在一起，利用其 配套软件( m e d i a m a p p e r 5 2 ) 解决以往先运用传统g p s 接收机获得g p s 数据， 然后再导入g i s 中这一繁琐的过程，大大缩短了g p s 数据处理及电子地图的绘 制时间，使农业信息管理系统中的土壤养分图、产量图等的生成更加方便、快捷。 相比以往在精细农业所运用到的各种g p s 接收器，v m s 2 0 0 系统具备了可 以直接生成农田电子地图以及对农田作物等属性信息的视频、图像的形象描述等 优点。在描述作物、田块形状等的视频、图像信息中，v m s 2 0 0 能有效地将特定 采样点位置的g p s 信息与视频、图像结合在一起，如图2 7 所示。 1 2 江苏大学硕士学位论文 图2 7 采样点位置图像信息显示 f 螗2 7 i m a g e s h o w o f s a m p l i n g p o i n t 1 ) 农田电子地图的生成 本文采用v m s 2 0 0 系统所做实验是于2 0 0 6 年5 月在位于江苏省镇江市丹徒 区长岗精细农业实验田中完成的。实验设备主要包括：v m s 2 0 0 系统硬件( g p s 接收机、电池、l n f i m b l e 天线、3 5 r a m 音频连接线) 与s o n yd c r - h c 3 5 0 e 摄像 机。 选取的是一块外形约为2 3 0 x s 0 m 2 约1 7 亩大小的种植小麦的田块，运用 v m s 2 0 0 系统采集完数据后，导入m e d i a m a p p e r 5 2 软件中，即形成如图2 8 所示 图形。其中显示了实验过程中地图动态跟踪g p s 接收机的情况，以及同时相应 位置的影像信息，在结束后系统图形自动封闭为多边形形状，即形成了试验田块 的电子地图。在形成电子地图的过程中，用户可对实验中所采集到的作物长势、 病虫害等信息进行实时跟踪与监测，为后续的定点精确施肥、喷药田间操作提供 依据。 图2 8 v m s 2 0 0 生成的试验田块电子地图 f t g 2 8d i g i t a lm a pp r o d u c t e db yv m s 2 0 0 i nt e s tf i e l d 在电子地图的绘制过程中，由v m s 2 0 0 系统导入计算机中的原始电子地图， 其定位点显示具有很明显的误差，未能精确反映试验田实际边界，主要是受到云 江苏大学硕士学位论文 层、风以及测绘时行进速度等许多因素的影响。这时我们采用连续定位移动 平均的方法来绘制图形，这种方法主要用于测绘不规则地物时，沿着边界进行连 续定位，绘制图形时使用一种移动平均的方法，对每三个相邻点的定位数据求平 均，然后根据平均后的定位数据绘制图形。 数据处理时。在地理信息系统软件m a p l n f o 中打开m e d i a m a p p e r 5 2 生成电 子地图索引文件夹中的后缀为t a b 格式文件，运用连续定位移动平均的方 法对每个定位点进行逐个误差处理，最后形成能够精确反应实际试验田边界的电 子地图，如图2 9 所示。 图2 9 试验