基于北斗和RS技术农业施肥实时决策系统研究

李俊杰

【摘 要】中国北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星导航系统。本系统主要将北斗卫星技术的定位，短报文通信功能、RS技术对土壤肥力的监测以及对作物养分含量的监测三种功能综合构建，能够实时实地地监测土壤肥力，通过加以分析处理，达到能够让农业生产者实时了解自己土地的土壤肥力状况，以及提供施肥决策，有助于国内农业生产中化肥科学合理地施放。

【关键词】北斗卫星导航系统；遥感技术；土壤肥力；化肥施放

中国作为拥有几十亿人口的农业大国，近年来土壤质量问题严峻。究其原因：难以获取土壤质量的信息，无法实时掌握土壤状况，判读其变化趋势。当今国内不恰当的施肥，使得土壤中所含的有机质过多或过少，影响作物的生产量，造成土地贫瘠。因此，如何实时监测土壤的肥力情况，在正确时间增减施肥，从而实现既可以增加农作物生产，使农业生产者的利益最大化，又可以避免环境的污染，同时兼顾性能，系统成本，和实际使用等方面因素。所以，本决策系统将北斗卫星系统、RS技术技术联系在一起，为农业生产者提供所测得及时的土壤状况信息，方便合理控制化肥地施放。

1 系统总体方案设计

图1主要是将北斗卫星技术的定位功能及短信通信功能、RS技术对土壤、作物养分的监测功能综合构建，能够实时实地地监测土壤肥力加以分析处理，最终得出施肥方案和生产布局建议。能够让农业生产者及时地了解自己土壤的状况，在提高作物产量和保护环境方面都有着重要的影响。

1.1 北斗卫星应用模块

北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。其在监测土壤肥力实时决策的应用体现如下：

1.1.1 高精度定位

在接收机对卫星观测中，可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X，Y，Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，再引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。北斗系统根据这一功能可以确定监测土地具体位置信息，同时结合气象卫星就可以了解耕地周边地理信息，气候条件如年降水，均温，日照时间等，有助于决策系统提供正确的施肥方案。

1.2 构建地区土壤肥力指数系统模块

下表是土壤养分分级标准：

土壤养分分级标准主要针对有机质、全氮、速效氮和速效钾的含量进行分级，每种级别对不同的成分的含量不同。土壤有机质多，土壤水含量大时，土壤肥力则会增高；相反，土壤氧化铁，二氧化硅含量多时，则土壤肥力会下降。在实时监测土壤化肥施用系统中是利用RS技术检测土壤中的有机质，而有机质则是土壤肥力的标志性的物质，其含有丰富的植物所需的养分，是衡量土壤养分的指标。有机质的分级可作为土壤养分的分级。

其流程图如下图所示：

利用遥感技术监测，为了更精确监测土壤肥力指数，应选择空间分辨率高的TM影像。

由表2可知，TM4 、TM5近红外波段对土壤等地物的含水量很敏感，TM7波段对岩石矿物类较为敏感。所以选择TM4-5-7波段组合能有效利用不同波段的特性，扩展图像的动态范围，结合影响土壤肥力因素，从而测定判断土壤肥力指数。

获取TM遥感影像，对图像进行图像增强，K-L变化，分类处理。

1.2.1 图像增强

指的是利用图像增强线性拉伸，使图像细节特征表现得更加丰富。对原始图像上每个像元亮度值逐一地用线性方程计算，并得出一幅反差扩大的数字图像。

1.2.2 K-L变化

将TM4-5-7三个波段组成的彩色图像进行K-L变化，能去除TM图像噪声，使可利用的信息量增多，利于图像细节特征分析，适合土壤肥力监测。

1.2.3 分类处理

在TM4-5-7波段组合图像中，每一像元都有一定亮度值（0～255），对每一个像元进行亮度值计算。土壤有机质多，土壤水含量大时，则其反射率低，遥感图像上该土壤像元色调偏暗；若土壤氧化铁，二氧化硅含量多时，则其反射率大，遥感图像上该土壤像元色调则会偏亮。利用亮度值划分出来的肥力等级方法可以达到87%的吻合率。并利用GIS叠加分析功能，在北斗卫星地图上叠加亮度值数据，构建曲面三维立体坐标模型，就可以很直观地观察出各个地区土壤肥力指数。再对标准土壤进行以上分析操作，即可确定出标准土壤肥力指数。从而可对肥力由低到高进行划分，建立起土壤肥力指数系统。

1.3 构建作物养分信息模块

作物叶片中的叶绿素与植物的光合作用密切相关，通过分析叶片的光谱特征信息，从中了解作物含水量，氮、磷、钾含量，就能间接地了解作物的健康状况。高光谱仪遥感检测是一种非损伤性测定葉绿素光谱的方法，它通过测定绿色植物叶片的反射率、透射率和吸收率来测定叶绿素含量。

在作物叶片光谱波段特征中，1530nm和1720nm波段适合对作物水分的估算。国内田庆久等研究了小麦叶片水分含量与光谱反射率在1450nm附近水的特征吸收峰深度和面积之间的关系是正相关，得出了利用光谱反射率可以定量测定作物含水量和诊断小麦缺水状况。因此，可利用此方法是可以监测作物水分。通过高光谱仪分析叶片养分含量方法，间接知道土壤养分含量状况，再比对健康叶片光谱分析结果，即健康作物养分含量状况，就可以了解作物所缺养分，以及此时该施用何种化肥和施用数量。据此，构建作物养分光谱信息数据库就可及时掌握作物养分含量状况，所需土壤肥力、肥料状况等重要农情，有助于指导用户因地施肥。

2 建立决策系统

决策系统是结合北斗卫星定位系统，地区土壤肥力指数系统与作物光谱信息数据所得出的作物养分种类和含量三方面建立起的，同时利用遥感技术的实时信息，就可以得到土地肥力变化趋势和作物长势，及时调整施肥方案。决策系统通过结合以下几个方面进行判断：

2.1 土地地理信息

利用北斗卫星定位系统获得耕地周围地理信息如耕地地形坡度坡长，附近水体还有气象变化等。耕地坡度坡长越大，则随着降雨强度地增大，对土壤的淋溶、侵蚀也会加强，土壤养分流失速度也会增快。周围水体的流向和分布也会影响土壤养分分布。

2.2 土壤肥力指数。

理论计算公式为：

肥料需要量=（一季作物的总吸收量-土壤养分供应量）/（肥料中该养分含量*肥料当季利用率）

土壤养分供应量（kg/ha）=土壤养分（肥力）测定值（mg/kg）*2.25*

土壤养分有效利用系数=空白地植株吸收养分量（kg/ha）/土壤养分（肥力）测定值（mg/kg）*2.25

2.3 作物养分含量

作物生长表现特征在很大程度上体现了土壤养分状况。通过获取作物养分含量信息，可以判断土壤养分缺失或过多等情况，利用这些情报，就可以科学合理地制定正确施肥种类方案，如氮肥，磷肥，钾肥等化肥。

3 结果和分析

结合北斗卫星导航系统和高空间分辨率遥感影像，获取耕地附近水体，气候条件等地理信息，计算耕地的土壤肥力指数，土壤养分含量，然后据此制定出有效施肥方案。这种方法不仅能做到实时监测土壤的肥力情况，在正确时间增减施肥和使用正确化肥，从而实现在最有效地利用化肥的情况下，既可以增加农作物生产，使农业生产者的利益最大化，又可以避免环境的污染，这是一个经济效益高，可靠性强的监测方法。

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[責任编辑：田吉捷]