《智慧农业关键技术与装备》课件-第08章 农业导航技术

《智慧农业关键技术与装备》第八章农业导航技术机电工程学院目录Content概述田间变量信息定位采集技术农业机械田间作用自主导航技术农业遥感的应用010203040105农业遥感平台分类3第八章农业导航技术8.1概述8.1概述标题内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字

全球卫星导航系统（globalnavigationsatllitesystemGNSS）;目前，GNSS主要是指涵盖了美国的GPS定位系统、俄罗斯的GLONASS系统、中国的北斗（Compass）系统、欧盟的Galileo系统等在内的定位系统，该系统由超过100颗的定位卫星构成。GNSS中定位卫星的分布使得在全球任意位置、任何时间都至少能够探测到4颗定位卫星，为精确的定位物体奠定了良好基础，提供了任何时段连续的全球导航能力。在农业基础上,要实现农机自动导航,必须结合农机实际情况，将定位信息、路径规划信息等综合信息全部通过智能处理器处理后生成控制指令，然后通过电动比例液压调节阀实现车辆转向、制动、行走等智能导航控制。其控制系统基本框架如图7.1所示。8.1概述8.1概述标题内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字

在农业物联网中，GPS定位处方农作以及田间农机具的自主导航。在定位信息采集和定位处方农作上，GPS主要是用于田间信息和作业机具的准确定位，结合土壤中含水量、氮、磷、钾、有机质含量和作物病虫害、杂草分布情况等不同的田间信息，辅助农业生产中的灌溉、施肥、喷药、除草等田间操作。在定位导航上主要是在一些农机具安装GPS接收机,通过GPS信号精确指示机具所在位置坐标，从而可以对农业机械田间作业和管理起导航作用。

GPS是美国的第二代卫星导航定位系统，其空间部分使用24颗卫星组成，全球卫星定位系统，其中21颗是在当前使用中，剩下3颗是有功能的备用卫星。24颗卫星组成高经度、全天候、全球性的精确定位系统，每天24小时为全球陆、海、空用户提供三维位置、速度和时间信息。目前GPS系统卫星在距地球表面2000Km的轨道上围绕地球运行，每颗卫星环绕地球一天运行两圈，每隔12小时一圈，它们分布在6条轨道运行，每条轨道上有4颗，这种卫星布局保证了地球表面以上任何角落的GPS接收器至少有4颗卫星是全天24小时可见的。8.1概述标题内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字

8.1概述标题内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字

GPS在农业物联网中能够实施施肥机械作业的动态定位，即根据管理信息系统发出的指令，实施田间的精确定位。按照参考点的不同，GPS接收方式可分为单点定位和差分定位。动态差分定位过程中，采用测码伪距观测量进行相对定位，卫星轨道偏差、卫星钟差、大气折射等误差有效减弱，加上载波相位平滑技术可以达到分米级的定位精度，因此可作为农业应用的首选方案。在差分定位中需要设定基站的基准点，该基准点应使用已知定位点的大地坐标，也可以利用基站GPS经过一定时间的定位数据采集与统计处理后确定的基站地理坐标作为参考点。8.1概述GPS绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种方式。即动态绝对定位、静态绝对定位、动态相对定位和静态相对定位。若依照测距的原理不同，又可分为测码伪距定位、测相伪距定位、差分定位等。基本定位原理如图7.3所示。8.1.1GPS绝对定位标题内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字

GPS绝对定位是以地球质心为参考点，确定接收机天线在WGS-84坐标系中的绝对位置。由于定位作业仅需一台接收机工作，因此又称为单点定位。利用GPS进行绝对定位的基本原理是：以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收天线所对应的位置。根据用户接收天线所处的状态不同，GPS绝对定位又可分为动态绝对定位和静态绝对定位。8.1.2GPS相对定位标题内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字

由于在GPS绝对定位中，定位精度将受到卫星轨道误差、钟差及信号传播误差等因素的影响，虽然其中一些系统性误差可以通过模型加以削弱，但改正后的残差仍是不可忽略的。GPS相对定位，也叫差分定位，是目前GPS测量中定位精度最高的定位方法。动态相对定位指用两台GPS接收机，将一台接收机安设在基准站上固定不动，另一台接收机安置在运动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，通过在观测值之间求差，以消除具有相关性的误差，提高定位精度。8.1概述课后拓展：GPS与北斗导航的主要区别，请结合相关资料补充完善！13第八章农业导航技术8.2农业遥感平台分类8.2农业遥感平台分类ABC地面遥感技术航空遥感技术航天遥感技术

一个成功的农业遥感系统可以给农民提供丰富的信息、较快的信息传输速度、较低的成本花费。然而，目前大多数的农业遥感系统都存在着如波段范围受限、空间分辨率粗糙、时间分辨率低等各种弊端。而农业生产过程是一个随时都在变化的过程，所以提高遥感系统空间和时间分辨率是非常重要的。遥感传感器一般搭载于三种不同的平台上：车载、无人操作飞机和卫星。下面将分别介绍基于上述平台的地面、航空、航天遥感技术。8.2.1地面遥感

地面遥感主要是指以高塔、车、船为平台的遥感技术系统，地物波谱仪或传感器安装在这些地面平台上，可进行各种地物波谱的测量。地面遥感监测系统与GPS卫星定位系统，GIS对接车载系统，经数字化、矢量化处理，地面遥感图像通过计算机直接判断，小区域图、表等成果，可以及时输出大区域数据，传回信息处理终端，在同一时间进行实时工作。8.2.2航空遥感

航空遥感有着机动性强、成像质量高、人为可控性强的优势。由于航空遥感具有摄像飞行高度适宜、成像立体角大、分辨率高等优点，航空遥感在目前仍是重要的遥感手段。近年来，无人机在农业领域中的应用，加快了对航空遥感的研究进程。1.运载工具目前轻型飞机、航模、飞艇和气球等是航空遥感应用的主要运载工具。由于轻型飞机受航空飞行管制、起降条件、飞行安全等因素的影响，而且作业费用一般较高，其发展的速度相对较慢。表8.12列出了具体的飞行高度。中空、中高空、高空的航空遥感，适用于比较大范围的普查，而目前在低空遥感中经常使用的是航模，或称为微型无人飞机。8.2.2航空遥感2.传感器随着电荷耦合器件（chargecoupleddevice，CCD）和互补金属氧化物半导体（complementarymetaloxidesemiconductor，CMOS）图像传感器的日渐成熟，遥感系统的主流传感器件——数码相机的性能和分辨率也在不断提高。在技术上，传感器逐渐向大面阵、多光谱、数字化方向发展，并取得较多进展，同时也提高了航拍精度。例如，2005年由我国三大科研机构（北京大学、中国贵州航空工业有限责任公司及中国科学院遥感应用研究所）联合研制的无人机航空遥感系统，采用高分辨率数码相机系统，实现了高端多用途遥感技术的应用。3.低空遥感应用——无人机技术对我国来说，作为农业用途的微小型无人机目前处于初级发展阶段。在高稳定性微小型农用无人机作业平台、农业航空喷施主要机型的筛选与评价、航空喷施作业技术参数的选择与优化、无人机自主飞行控制系统的选择与优化、航空喷施装备关键部件的设计与优化等方面还有很多的技术难点需要攻克和解决。我国现代农业对农业航空的需求日益旺盛，发展前景巨大。尤其是微小型农用无人机的发展任重道远。8.2.3航天遥感航天遥感系统航天遥感数据获取系统和反演系统组成了航天遥感系统，分别涉及遥感的正演和反演过程。用于遥感数据接收和处理的地面系统和载有遥感器的航天系统组成了航天遥感数据获取系统；而航天遥感系统的输入是包含地物信息的电磁波，输出是包含地物的有关信息。将这些输入和输出信息再送入遥感应用系统，并结合各学科传统的方法和其他现代信息技术，可以实现对遥感信息的综合分析、挖掘以获取满足航天遥感最终用户的任务需求。航天遥感面临的主要问题航天遥感已在各应用领域取得显著成就，但也面临一些问题。例如，在农业遥感中，对作物生长和生理过程监控需要的关键信息主要有叶绿素含量、叶面积指数、植物覆盖度、植物根系层的土壤水分、植物冠层水分等参数。而目前遥感仅能够提供的作物信息有植被指数、植物缺水指数等较粗糙的参数，难以满足需求。19第八章农业导航技术8.3田间变量信息定位采集技术8.3田间变量信息定位采集技术

农田信息在空间分布上存在的差异性是实施物联网农业的基础，因此在物联网农业信息采集时，需要同时测量采样点的位置信息。定量、定位地施肥、灌溉、杀虫等农作作业，不但可以节约大量的肥料、淡水以及杀虫剂，而且可以将环境污染降低到最小程度。过量的施肥以及施加杀虫剂，未被作物全部吸收而又未经自然降解的化肥及杀虫剂经土壤中的淋溶、运移作用，渗透到地下，溶入地下水，这些污染的地下水再抽到地表成为饮用水，由此造成环境污染，对人们的生活环境乃至身体健康造成严重威胁。因此，田间变量信息定位采集技术是物联网农业的又一项关键技术。在农田信息的采集过程中，只有在空间位置信息确定之后，才能在相应的位置进一步采集所需的属性信息，这些信息是利用GPS定位来实施物联网农业的基础。农田信息采集主要包括下面的内容。8.3田间变量信息定位采集技术1）农田作物产量分布信息：获取农作物小区产量信息，建立小区产量空间分布图。在收获机械上安装GPS卫星定位接收机和流量传感器，收获机以秒确定田间作业的DGPS天线所在地理位置的经纬度动态坐标数据，流量传感器在设定时间间隔内自动计量、累计产量，从而获得对应小区的空间地理位置数据和小区产量数据。2）农田土壤信息的采集：获取土壤信息是实现农业现代化的基础，它需要在专用机器上安装GPS和各种专用传感器，先用GPS确定地理位置的坐标（比如经度、纬度、高程），同时用各种传感器测得该点的土壤信息，包括土壤DH、含水量、电导率、有机质含量等。3）与GIS、决策支持系统、传感器等技术相结合，应用到农田信息采集与分析、处理中。

8.3田间变量信息定位采集技术8.3.1GPS农田坐标变换农田环境下常用的坐标系为参心坐标系，其原点与地球质心重合；GPS定位数据为WGS-84地心大地坐标，WGS-84坐标系是美国国防部确定的大地坐标系，其目的是使测制的地图、海图、大地测量数据共同有一基准，属于地心坐标系。因此，WGS-84与农田环境常用坐标系不同属一类坐标系，不仅相应的空间直角坐标系各轴的方向不同，尺度变化也不一样。所以，农田变量信息定位采集时首先要进行坐标转换，即从WGS-84转至北京54坐标系或80国家坐标系。图8.4为地球直角坐标系与地球大地坐标系的关系示意图。24第八章农业导航技术8.4农业机械田间作业自主导航技术8.4农业机械田间作业自主导航技术动态定位是指接收机载体在连续运动状态下实现定位。这种定位目前大致有三种方法。①单点动态定位即一个运动载体上的GPS接收机在运动过程中自动实时输出定位数据，描绘运动载体的运行轨迹。基本方法是伪距实时定位，该方法的关键性技术问题是确定运动过程中某一起始点坐标的初始值以及GPS卫星与运动载体之间的多普勒频移。目前的精度对P码接收机可达米级，对C/A码接收机可达10m级（在SA影响下为100m级）。②实时伪距羞分定位除在运动载体上安置有接收机外，还要求在一个已知的基准点上安置一台接收机，在载体运动过程中，两台接收机同时跟踪GPS卫星，在基准点上比较伪距观测值和用基准点坐标计算的已知值，由此确定伪距改正值，利用数据通信将伪距改正值实时发送至运动接收机进行校正。这种方法像一般差分法一样可以消除钟差并显著消除星历误差和大气层延迟误差，定位精度目前可达分米级，给出的频度可超过每秒一次。C/A码差分定位精度比单点动态定位可提高35%。③载波相位差分后处理动态定位该方法是指运动接收机和一个固定站的基准接收机同时对GPS卫星作载波相位测量，定位原理与静态载波相位测量差分法定位类似，当不需要运动载体的实时定位（RTP）时，不需要建立基准接收机与运动接收机之间的数据通信，而是通过对运动期间的数据进行后期处理求解运动轨迹。26第八章农业导航技术8.5农业遥感的应用目录Content基于遥感的作物信息感知0102030401基于遥感的土壤信息感知基于遥感的水体信息感知基于遥感的环境信息感知8.5.1基于遥感的作物信息感知1、基于遥感的作物信息感知

不同植物及同一植物在不同生长阶段，反射光谱曲线形态和特征不同。可以利用植被光谱遥感的特征和遥感数据，结合地面调查，借助GIS和GPS的支持，进行生态环境的监测。（1）植被信息的提取根据植被的反射光谱特征，通常采用红光、近红外波段的反射率和其他因子及其组合得到各种植被指数（vegetationindex，VI），在区域和全球尺度上从高空监测，提取植被指数来表征植被信息。（2）植被叶片生理特征参数的估算各种植被指数也可用于植被叶片生理特征参数的估算。研究表明∶不同氮素水平的水稻单张叶片的光谱特征明显不同，比值植被指数（ratiovegetationindex，RVI）、归一化植被指数NDVI与稻叶含氮量之间均呈相关性，相关系数呈现极显著水平，所以在一定条件下用光谱特征分析水稻氮素水平是可能的。根据植被指数与氮素水平及叶绿素含量的关系，可以间接推算出稻叶含氮量和叶绿素含量。（3）作物产量的估算利用遥感进行作物产量估算主要有两种途径∶一种是直接进行总产量估算;另一种是通过卫星图像估算种植面积，再建立单产模型来计算总产量。这两种途径都是在作物生长发育关键期内，建立某种植被指数与产量的实测或统计数据的相关方程。但也有研究利用地面实测光谱数据，从作物冠层对光谱的反射特征出发，通过叶面积系数LAl来进行遥感估产。8.5.1基于遥感的作物信息感知5.作物病虫害监测

作物病虫害遥感监测的基本原理如下：从叶片层面考虑，当叶片受病害或虫害侵袭时，会导致相应叶片细胞色素、水分、氮素含量、结构细胞及外部形状发生一定的变化，光谱反射对这些变化有一定的响应。因此，光谱技术成为监测作物生长的有效工具。从作物冠层层面考虑，病虫害会引起作物叶面积指数、生物量覆盖度的变化，因此，遥感技术也就成为用于大面积病虫害监测的有力方法8.5.2基于遥感的土壤信息感知1.土地覆盖由于各种人类活动、自然因素等原因，土地覆盖会在多时空尺度上产生形态和状态上变化，衍生了其特有的时间和空间属性。其中，人类对土地资源的利用引起土地利用、土地覆盖的变化也是全球环境变化的重要因素之一。将遥感技术与GIS技术相结合，将多光谱、多时相的遥感数据、多种辅助数据输入GIS中，将不同土地覆盖类型的光谱特征、空间分布与土地覆盖类型的生物学特征有机结合起来，建立"土地覆盖数据库"，是一种重要的趋势。2.土地退化的遥感动态监测土地退化是指土地受到人为或自然因素或二者综合因素的干扰、破坏，改变了土地原有的内部结构、理化性状，土地环境日趋恶劣，逐步减少或失去该土地原先所具有的综合生产潜力，致使土地贫瘠化、盐碱化、沙漠化及水土流失等。在进行土地退化检测和动态分析时，通常是将遥感与GIS结合，不仅可以对土地退化现状及时定量分析，还能对土地退化状况从不同时空不同尺度动态监测和快速评价。8.5.3基于遥感的水体信息感知1.水体的光谱特征一般来说，水本身的物质组成和其各种不同状态决定了水体的光谱特征。在波长0.6μm前的可见光波段，水体的光谱特征表现为吸收少、反射低、透射高。其中，水体反射率约5%，当太阳高度角变化时，水体反射率在3%～10%变化。水体表面反射、底部物质反射及悬浮物质（浮游生物、叶绿素、泥沙、其他物质等）反射是水体的可见光反射的三种方式。清水在蓝绿波段的反射率为4%～5%。而在红外部分（波长在0.6μm以下）清水的反射率降到2%～3%。在近红外、短波红外部分，清水几乎吸收了全部的入射能量，也就是说水体在这两个波段的反射能量儿乎为零。根据以上所述，在红外波段识别水体相对较容易，主要是因为水体的光谱特征与植被和土壤光谱特征形成十分明显的差异。在太阳直射光和天空散射光的电磁波能量中，到达水面的约3.5%的电磁波能量被水面直接反射回大气，形成水面散射光。这种水面反射带有少许水体本身信息，水面性质大大影响着其强度。其余的光经折射与透射后进入水中，水分子通过吸收和散射现象减弱了大部分光强，或被水中悬浮物、浮游生物等散射、反射、衍射形成水中散射光。水的浑浊度大大影响着光的强度。水体有较强浑浊度，水下散射光越强。当衰减后的散射光部分到达水体底部时，会被底部物质反射，形成反射光。此时，强度与水深呈负相关，且随着水体浑浊度的增大而减小。在实际测量中，水面反射光、悬浮物反射光、水底反射光和天空反射光是遥感器所接收到的主要辐射。由于水体的水面性质、悬浮物的性质和含量、水深和水底特征等差异，传感器上接收到的不同介质的反射光谱特征也存在差异，这为遥感探测水体提供了基础。8.5.3基于遥感的水体信息感知2.水深的探测

水深指的是水的穿深能力，或水体的透光性能，可由衰减长度来衡量。衰减长度用于表示水中能见度。一个衰减长度是指向下辐照度等于表面辐照度的37%的长度。水体本身的光谱特性与水深是相关的。由于水体对红外波段光的有效吸收，近红外波段的能量在水深20m处已儿乎不存在，仅保留了蓝绿波段能量，所以可用蓝绿波段研究水深和水底特征。波长和水体浑浊度是影响光对水的穿深能力的主要因素。随着浑浊度的增加，透射率明显下降，反射率明显增强，衰减系数增大，光对水的穿深能力减弱，最大透射波长向长波方向移动。对于清水，光的最大透射波长为0.45～0.55um，其峰值波长约0.48um，位于蓝绿波长区。水体在此波段散射最弱、衰减系数最小、穿深能力最强，记录水体底部特征的可能性最大。在红光区，由于水的吸收作用较大，透射相应减小，只能探测水体浅部特征。近红外区，由于水的强吸收作用，只能反映水陆差异。正因为不同波长的光对水体的透射作用和穿深能力不同，所以水体不同波段的光谱信息中，实际上反映了不同厚度水体的信息特