基于北斗的农田处理采集系统及应用

● 文| 61920部队 纪婉玉 蒋超

基于北斗的农田处理采集系统及应用

● 文| 61920部队 纪婉玉 蒋超

摘 要：精准农业是现代农业发展的重要方向，北斗卫星导航技术集定位、授时、短报文通信功能于一体，不仅能够实现机械作业动态导航和信息采集样点定位功能，在解决信息实时获取这一关键问题上也发挥了极大的作用，使得精准农业信息系统有了质的提升。

关键词：北斗卫星导航系统 精准农业

一、精准农业的发展及瓶颈

1.精准农业简介

长期以来，农业生产都是以田块为基础，把耕地看作是具有作物均匀生长条件的对象进行管理，利用统一的耕作播种、灌溉施肥、喷药等农艺措施，满足于获得农场或田块的平均产量。实际上，在同一农田内，有许多因素影响着作物的生长和产量，存在着明显的时空差异性。

精准农业是在全球人口逐渐增多、耕地逐年减少的大背景下，在人们追求最低的投入、对环境最小的危害、换取最大产量和最好品质的意愿下，由农业机械技术和信息技术相结合发展起来的，是社会需求和科技进步的产物。精准农业中涉及的主要技术包括遥感技术（RS）、地理信息技术（GIS）、全球定位系统（GPS）、农业专家系统（ES）,决策支持系统（DSS）、作物生长模拟系统（SS）和变量投入技术（VRT）。

精准农业的核心指导思想就是要利用现代地球空间信息技术获取农田内影响作物生长和产量的各种因素的时空差异。避免因对农田的盲目投入所造成的浪费和过量施肥施药造成的环境污染。

精准农业要求实时获取地块中每个小区(每平方米到每百平方米)土壤与作物信息，诊断作物长势和产量在空间上差异的原因，并按每个小区做出决策，准确地在每个小区进行灌溉、施肥、喷药等，以求达到最大限度地提高水、肥、药的利用效率。精准农业要求实现三个精确：定位的精确，精确地确定灌溉施肥、杀虫的地点；定量的精确，精确地确定水、肥、杀虫剂的施用量；定时的精确，精确地确定作业的时间。

2．精准农业在中国的发展

20世纪，农业装备技术的发展奠定了机械化的基础，农业生产效率和物质手段取得了长足进展和进步。21世纪，随着农村大量劳动力的转移，劳动力成本的不断提高，农业经营向规模化、标准化快速发展。农业生产技术的信息化、自动化、智能化水平突飞猛进，秉承资源节约、环境友好等可持续发展的理念和技术思想，现代农业技术体系正在确立，而其中的代表性技术就是精准农业。

精准农业是实现农业低耗、高效、优质、安全的重要途径，是全球农业科技革命的方向，是我国实现农业现代化的有效途径。目前，我国在北京、上海、新疆及东北等地均有精准农业示范基地，用“数字”说话的精准农业生产更节约、更环保、更高产，其所带来的经济与环境效益已经凸显。

3．精准农业发展的瓶颈

由于田间作业环境比较复杂，地区差异性较大，目前信息获取仍是制约精准农业技术发展的瓶颈。其中土壤墒情信息采集、作物病虫草害信息的实时快速采集技术、作物生长发育营养信息的实时快速测量技术等仍是各国发展精准农业亟待解决的难题。

以土壤养分信息采集为例，一种间接测量方法是根据作物的生长情况来判断土壤的肥力，但是作物的生长状况是水分、肥力、种子以及病虫草害等多种因素的综合反映，想要判断准确非常难。目前土壤养分的直接检测方法是在田间划分网格进行土壤取样，化验分析，这种方法土壤取样数较多，成本比较高，且费时费力，所获得的信息时效性极差，不太具备指导意义。

二、北斗卫星导航系统的作用

1．卫星导航系统在精准农业中的应用

卫星导航系统的快速度、高精度、低成本、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。总结起来，卫星导航技术在精准农业中主要应用于3个方面：

1）智能化农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。

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卫星定位数据，以便形成数字信息存贮与共享。

3）遥感信息卫星导航定位，即对遥感信息中的特征点用卫星导航技术采集定位数据，以便于与GIS配套应用。

2．北斗卫星导航系统的独有优势

卫星定位系统的不断完善和发展，为实现精准农业提供了基本的条件。北斗系统作为我国自主研发的卫星导航定位系统，在实现精准农业上具有十分有利的优势：

1）精准农业需要获取两种信息：一是土壤信息，包括土壤含水率、pH值、有机质含量、电导率等；二是环境信息，包括环境温度、环境湿度、光照强度、作物病虫害信息等。这些信息的时效性非常重要，需要做到实时传输，北斗系统的短报文通信传输时延基本不超过1s，有效保证了用户定位请求和通信请求等业务传输、处理的时效性。

2）北斗系统可以实时、快速、全天候测量农田位置信息与对应的时间，受外界环境影响较小；直接接收卫星信号进行三维定位，测量点之间相互独立，不存在误差积累的问题；摆脱了传统测量中必须先布置控制网的约束，可直接对小范围进行测量，减少了中间环节。

3）北斗系统的知识产权完全为中国所有，系统运行维护全部由中国控制，且具有加密功能，具有安全可靠、采集数据不出境的优点。

三、基于北斗的农田信息采集处理系统

1．系统简介

该系统综合采用远程数据采集技术、GPS导航定位技术、北斗卫星定位通信技术、GIS地理信息技术和卫星遥感技术，实现了土壤含水量、温湿度和地理位置的实时监测、旱情综合分析、土地面积和距离丈量等多种农田信息的综合采集，利用GIS系统强大的图形图像管理功能和叠加显示分析功能，为工作人员和决策者提供可视化的操作和决策平台，为土壤墒情及地理位置等多维动态信息的实时采集及综合应用提供全面和先进的解决方案。

2．系统功能

1）农田土壤、位置、环境等信息的采集；

2）前端传感器采集各类数据实时传输到控制中心，再由信息中心整理后传输给农户；

3）利用地理空间数据库对采集到的数据进行综合管理；

4）以网页的形式为广大农户提供数据平台服务；

5）结合农业专家系统，根据产量的空间差异性，分析原因做出诊断，提出科学处方，指导科学的调控操作，为用户提供决策支持服务。

3．系统结构

基于北斗的农田信息采集处理系统主要由前端监测点、应用服务平台、用户端三个部分组成，如图1所示。其中前端监测点将所需信息实时采集，通过通信链路发送至应用服务平台，平台对数据进行分析处理，为用户提供各种服务，用户通过网络访问平台。

图1 农田信息采集处理系统结构图

4．实现方案

（1）前端监测点

如图1所示，前端监测点由传感器和北斗用户机组成，既可以作为便携式设备使用，又可以固定在田间组成数据采集网络，通过无线传输的形式与控制中心进行联系。传感器测出的土壤含水量、pH值等物理量送至数据采集终端，通信模块的控制电路从终端设备串行数据中读取设备识别号、采集时间、采集数据等相关物理量，并将数据打包后发送。

前端传感器采集到的各类数据通过有线和无线两种方式传输到控制中心，其中无线网络又分为GSM网络和卫星通信网络两种，北斗用户机兼有卫星定位和卫星数据传输功能，配置在地面移动通信网络不能覆盖的采集点，可保证网络通信的实时畅通。

（2）应用服务平台

平台接收数据并进行整理，将这些数据录入本地的专题数据库，这些数据库中的数据被地理信息系统所调用，提供各种可视化的数据管理和应用分析，结合农业专家系统，根据产量的空间差异性，分析原因做出诊断，提出科学处方，指导科学的调控操作。避免了过量施用农药和化肥造成的生产成本增长和污染农业生产环境，导致农产品品质和价值下降的严重后果；利用GIS系统强大的图形图像管理功能和叠加显示分析功能，为工作人员和决策者提供可视化的操作和决策平台。

（3）用户端

各类用户也可以通过互联网或VPN虚拟专网对应用服务平台进行访问，以获取所需的各种服务，提供的服务主要有如下几种：

1）全天不间断数据在线服务；

2）数据托管服务，即在用户不在线时由监控服务中心储存采集来的数据，用户一上线，立即将这些数据下载到用户本地；

3）接受用户请求，实施对前端传感器的遥控；

4）为用户提供远程软件在线升级服务；

5）在得到用户和系统许可的情况下，与其他用户共享数据等。

四、展望

我国是世界大国，人口多耕地少的基本国情决定了解决粮食问题的根本出路在于发展现代精准农业。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，卫星导航技术在精准农业中的应用极大地提高了农业生产效率，大大提高了经济效益，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步的涉及到精准施肥、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，还要提高卫星定位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试验应用。在设施农业发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。

参考文献

[1]史国滨.GPS和GIS技术在精准农业监控系统中的应用研究进展[J].湖北农业科学，2011（5）：1948-1950.

[2]吴才聪.卫星定位技术在精准农业中的应用[J].全球定位系统，2004（1）：35-41.

[3]张阴东.浅议精细农业技术及其应用[J].农林科学，2010（10）：152-154.