浅谈GPS技术在精细农业中的应用

1、浅谈GPS技术在精细农业中的应用硕研09-16 李晓璐 2021011603本科的时候学过一些GPS的根本理论知识包括GPS的产生、定义、开展前景，以及它的组成、信号结构等等，了解了GPS定位中的各种主要的误差来源，学会了怎样用手持GPS。但是对于距离测量与GPS数据处理方面的原理，自己并不是很了解。所以这次自己也没有看很多关于GPS计算原理方面的论文，而是看了些关于GPS应用的论文。下面我着重谈一下GPS技术在精细农业中的应用。一、精准农业概述世界农业的开展大致历经了三个阶段：原始农业、传统农业、现代农业。信息化与现代农业的结合是未来农业的开展方向。精准农业就是信息技术应用于农事管理的现代化

2、农业技术，是当今农业开展的新潮流。它的兴起引起了一场真正意义的农业技术上的革命。随着科技的开展和农业生产市场化程度的提高,农业生产中降低本钱、提高产出率、开展优质高效农业以及农业可持续开展等方面的要求,迫切呼唤新型农业的出现。基于这种想法,美国率先提出了精准农业设想,以智能化监控技术以及农业专家系统共同构成了精准农业早期技术根底。随后,美国将GPS(全球定位系统)技术应用到农业生产领域,标志着精准农业技术体系的初步形成,1992年4月在美国召开第1次精准农业学术研讨会,精准农业这一概念逐渐被人们所接受。精准农业(Precision Agricultural)，也叫精细农业或精确农业，是20世纪

3、80年代初国际农业领域开展起来的一门跨学科新兴综合的以获得农田高产、优质、高效的现代农业生产模式和技术体系1。精准农业是指以信息技术支持现代化农业操作与管理,依据农作物生长的土壤性状以及温度、湿度、光照等影响因素,调节对作物的投入,并对耕地和作物长势进行定量、实时诊断,提高土壤生产力,实现农业的优质、高产、低耗和环保的可持续开展。其技术支持主要是GPS,核心是实时测知作物个体或小群体或平方米尺度小地块生长及疫病的实际情况,进而确定针对性的农业措施,在取得最优效果和付出最低代价的同时,减少污染,保护生态,实现农业的可持续开展。二、全球定位系统Global Positioning System全球

4、定位系统2(GlobalPositioning System,GPS)是20世纪70年代由美国国防部研制,历时20余年,耗资数百亿美元,于1994年全面建成并投入使用。GPS系统是以卫星为根底的无线电导航定位系统,具有全能性(陆地、海洋、航空和航天)、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能,能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。GPS系统由空间卫星星座、地面控制系统、用户接收机系统3局部组成。其卫星星座局部由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成,卫星有6个轨道面,高度20 200 km,轨道倾角55°,卫星运行周期11 h 58min,载波频率为1 575.4 MH

5、z和1 227.60MHz。卫星通过天顶时,卫星可见时间为5h,在地球外表任何时刻,在高度角15°以上,平均可同时观测到6颗卫星,最多可达9颗卫星。GPS系统在精确农业实施过程中异常重要，它一方面将农田各种信息给予准确定位，并输入到GIS，另一方面也是农机作业轨迹的依据。在翻耕机、播种机、田间取样机、施肥喷药机、收割机等机具上安装上GPS接受器，可以准确指示机具所在位置的坐标，使操作人员可以按计算机上GIS操作指示图进行定点作业。近几年来，GPS产业技术开展迅速，假设干大公司迅速涉足农业领域，提供了用于农田测量、定位信息采集和与智能化农业机械配套的差分校正全球卫星定位技术DGPS，D

6、ifferential Global Positioning System产品。系统可用于农田面积和周边测量、引导田间变量信息定位采集、作物产量小区定位计量、变量作业农业机械实施定位处方施肥、播种、喷药、灌溉和提供农业机械田间导航信息等。DGPS作为农业空间信息管理的根底设施，一旦建立起来，即不但可效劳于“精准农业，也可用于农村规划、土地测量、资源管理、环境监测、作业调度中的定位效劳，其农业应用技术开发的前景广阔。三、GPS在精细农业的主要应用GPS的快速度、高精度、低本钱、简单操作等特点,能快速准确地获取研究区域内农业资源的空间位置信息,提供大量其他常规手段难以得到的资源信息。Blackmo

7、re认为国外很多农场主都在增加使用信息技术帮助在多变的管理中下决定,很多农民利用精准农业的GPS接受器来收集生长季节里每块田地的各项数据3。Daberkow等人了解在美国有10%的小麦,25%的黄豆,30%的玉米地都采用了农田监视器4。自1993到目前,美国有20%的耕地、80%的大农场都已实行精准农业操作。据美国Purdue大学的研究,在美国采用精准农业技术的农民有60%实现赢利,有10%亏损,有30%保本5。1996年,北美约19%的300hm2以上的规模化农场已经利用GPS,有2000台联合收割机安装了产量传感器。通过阅读一些论文发现：GPS在精准农业中主要应用于以下3个方面。1智能化农

8、业机械作业的动态定位,即根据管理信息系统发出的指令,实施田间播种、施肥、灌溉、排水、喷药和收获的精确定位。1GPS与精确施肥GPS为控制施肥提供空间定位和导航支持,基于GPS的变量施肥技术能根据不同地区、不同土壤类型、土壤中各种养分的盈亏情况、作物类别和产量水平,将微量元素与有机肥加以科学配方,做到有目的地科学施肥。2GPS与精准灌溉在田间可以运用GPS土地参数采样器采集植物生长的环境参数,如土壤湿度、地温等,再通过GPS中心控制基站利用专家系统进行植物分析,调控植物生长环境,精确调控节水灌溉系统。3GPS与精准喷药运用GPS监测病虫草害是预测预报的新手段,通过GPS系统连接高质量视频摄像系统

9、拍摄分析图像,可以收集原始数据,监测大田作物,得出田间病虫草害分布大小位置,并可以通过逐次拍摄确认害虫的迁飞路线、种群数量和为害程度,以及病虫草害开展方向及流行趋势。如要对大面积农田集中进行喷药,那么可选择装有差分GPS(DGPS)的飞机。DGPS航空导航系统可以引导飞行员从机场直接前往作业区,在已设计的航线和高度飞行喷洒药物,假设飞行员加满药物再次返回作业区时,系统还能让飞机到达上次药物喷洒停止时的准确地点,以便确保既无重复喷洒又无遗漏区域6。2农业信息采集样点定位,即在农田设置的数据采集点、自动或人工数据采集点和环境监测点均需GPS定位数据,以便形成数字信息存贮与共享。将GPS、GIS和精

10、细农业、旱作节水农业相结合,开发精细农业和田间实时导航监控相结合的地理信息管理系统,实现了田间车辆多目标监控;建立农业机械装备数据库和查询系统,可方便地进行100多种农业机械装备数据的查询、添加、删除、保存等操作;通过获取车辆的实时信息,调取地图中的信息,将田间动态的车辆信息与农业机械装备相结合实现了信息的可交互性、可扩展性和通用性7。精确种子工程和精确播种工程的有机结合,要求精确播种机具有播种均匀、精良播种、深浅一致,这样精确播种技术既可节约大量种子,又能使作物在田间获得最正确分布,从而提高作物对营养和太阳能的利用率。而利用精确收获机械不但可以做到颗粒归仓,同时也能根据一定标准,准确分级8。

11、1995年美国一些地区农场开始采用装备了GPS的联合收割机,通过它,农机在收获季节可以不间断记录下几乎每平方米的产量及其他信息,再经由电脑软件的处理,农场绘制出各块地的产量图以剔除某些产量低的作物品种9。资料个人收集整理，勿做商业用途遥感信息GPS定位,即对遥感信息中的特征点用GPS采集定位数据,以便于与GIS配套应用10。1993-1994年,美国在阿华达州的两个农场开展了精准农业试验,利用GPS技术指导变量施肥,结果产量比传统均衡施肥提高30%。这一试验减少了化肥用量,大大提高了经济效益,使得GPS在精准农业实践中得到迅速推广。到1996年,北美约有19%的300 km2以上的规模化农场使

12、用GPS。德国在近几年研制的联合收割机上100%装有GPS。在我国,1992年北京市在顺义地区1.5万km²范围内开展了利用GPS导航喷洒农药防治小麦蚜虫的示范研究,经过3 a攻关,在指导大面积防治小麦蚜虫上获得成功,实践说明,利用卫星导航飞机防治小麦蚜虫,无漏喷、重喷现象,农药雾滴均匀,灭蚜到达90%以上11。四、GPS在精准农业应用中的开展趋势我国是世界大国，人口多耕地少的根本国情决定了解决粮食问题的根本出路在于开展现代精准农业。精准农业必将成为新世纪高新技术的热门课题。我国各地的自然条件、社会经济条件差异明显农业生产水平差距较大,农业集约化总体水平较低GPS在精准农业中的应用极

13、大地提高了农业生产效率,大大的提高了经济效益,从而使得精准农业的实践得到迅速的推广。现在两者的结合只是初浅的涉及到精准施肥、灌溉、防治病虫害和机械耕作等方面,对于更精细更高要求的农业来说,还要提高GPS农业应用的精度要求,例如在制作农田电子地图、土壤采样、变量喷洒和铺设灌溉管道方面的精确定位等方面还需要多实验应用。在设施农业开展较快的地区使用精准设施农业可增加农产品产出,提高农产品品质,节约水、肥资源,保护农业生态环境12。五、展望我相信在不久的将来，GPS可以在农业中发挥更大的作用。以后安装有GPS由电脑控制的大型拖拉机能自动驾驶作业,无需人工操作,而且耕地质量高。加强GPS的使用能更好的监

14、测农作物的生长情况，使农场能因地制宜的种植作物。在对品种资源的野外考察和引种研究中,利用GPS技术可以准确定位野生群落和引种区的经纬度和高度,结合GIS技术可计算出区域的面积,查询到该区域的气候条件掌握当地生态环境的状况。将3S技术和其他技术体系相结合,精准农业可以更好的开展起来。参考文献1赵凯.从精准农业看当代农学思想的开展J.中国科技信息,2006,1:142.2徐绍铨,张华海,杨志强,等.GPS测量原理及应用M.武汉:武汉大学出版社,2006.3Yao H,Clark R L.Evaluation of Sub-Meter and 2 to 5 MeterAccuracy GPS Rec

15、eivers to Develop Digital Elevation ModelsJ.Precision Agriculture,2000,2:189200.4Fountas S,Blackmore S.Farmer Experience with Precision Agriculture in Denmark and the US Eastern Corn BeltJ.Precision Agriculture,2005,6:121141.5Luther T.Is precision farming good for society?Better crops with plant foo

16、d.1996,80(3):35.6 Stone M L,So1ie J B,Raun W R,et a1.Use of Spectral Radiance for Correcting In-season Fertilizer Nitrogen Deficiencies in Winter WheatJ.Trans of ASAE,1996,39:16231631.7Cordesses L,Cariou C,Berducat M.Combine Harvester Control Using Real Time Kinematic GPSJ.Precision Agriculure,2000,

17、(2):147162.8刁承军,胡伟.关于精准农业开展的探讨J.农机市场,2003,8:1618.9杨海君,汤楚宙.我国现代精准农业的开展方向J.作物研究,2002,16(1):46.10翟传凤.GPS在精准农业中的应用J.当代农机,2007(6):59-60.11 唐延林,王人潮.遥感技术在精准农业中的应用J.现代化农业,2002(2):33-35.12徐绍铨，张华海等.GPS测量原理与应用.武汉大学出版社，2001，219-221.13周忠谟，易杰军，周琪.GPS卫星测量原理与应用.测绘出版社，1991，1-13.14阳艳弟,王力,陈宵.“3S技术及其在土地资源管理中的应用J.重庆邮电学院学报,2006,18(3):422426.15田珂，周卫军，龙晓辉，薛涛(2021). "GPS在精准农业中的应用." 农业科技通讯: 2628.16雷伟伟，张锋，王元波(2021). "GPS技术在现代