北斗卫星导航系统在河南精准农业中的应用探讨

朱怀汝,张新盈

(1.河南省测绘产品质量监督站,河南 郑州 450003; 2.河南水利与环境职业学院,河南 郑州 450003)

北斗卫星导航系统在河南精准农业中的应用探讨

朱怀汝1,张新盈2

(1.河南省测绘产品质量监督站,河南 郑州 450003; 2.河南水利与环境职业学院,河南 郑州 450003)

精准农业是当今世界农业发展的新潮流,在精准农业生产中离不开定位信息,随着我国北斗卫星导航系统的民用推广,结合我省北斗卫星导航基准站建设的现状,研究北斗卫星导航系统在我省精准农业上的应用和发展方向。

北斗卫星导航系统;定位;精准农业;信息采集;数据分析

0 引 言

精准农业是当今世界农业发展的新潮流,是由信息技术支持的,根据空间变异定位、定时、定量地实施一整套现代化农业操作技术与管理的系统,其基本涵义是根据农作物生长的土壤性状,调节对农作物的投入,即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异,另一方面确定农作物的生产目标,进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”,调动土壤生产力,以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入,并改善环境,高效地利用各类农业资源,取得经济效益和环境效益[1]。河南作为农业大省,在精准农业方面既有先进的技术支持,又有农业大省特有的实际需求。

精准农业由十个系统组成,即全球定位系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、农业专家系统、智能化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统。

卫星导航技术是精准农业技术的基本组成之一,是实现土壤及作物监测、农机定位与自动作业的基础。随着精准农业技术的不断发展和应用,对卫星导航定位精度的要求不断提高,依靠卫星导航实现分米级至厘米级的定位精度成为未来精准农业应用的基本保障。随着我国北斗卫星导航系统的建设发展,北斗系统已提供可靠的无源定位服务,可满足精准农业应用对高精度定位、低成本化等需求,具有良好的应用优势和潜力,是未来我国精准农业技术发展的核心组成。

北斗定位终端单频精度为10 m以内,双频精度为米级甚至分米级,在实际应用中,采用多基站差分定位技术可以提高导航和定位精度。使其能够满足河南精准农业的需要。

1 河南北斗基础设施的建设

我省在北斗基础设施建设上走在全国前列,2011年河南省全球导航卫星连续运行参考站综合服务系统建成并正式对外提供服务,现今已在全省建成参考基点93个(包括国家基准站点6个),均匀分布在全省,平均站点间距控制在50 km内,实时精度达到厘米级,完全能够满足精准农业所需要的定位标准，如图1所示。

图1 河南省全球导航卫星连续运行参考站网图

2 河南精准农业的应用需求

河南为农业大省,“十三五”时期,耕地保有量将保持在1.207 6亿亩以上,基本农田面积不低于1.021 1亿亩,地形以平原为主,适合大范围农机作业。虽然我省拥有规模庞大的不同动力的农业机械,但目前我省农业机械信息化程度整体不高,卫星导航应用仅用于道路导航查询和通讯联系。随着农机服务组织规模越来越大,管理的人员、机具、作业地块越来越多,农机供需匹配不合理、调度方式粗放、农机作业质量无法保障等问题日益突出,尤其在“三夏”、“三秋”等关键农时和暴雨、洪涝、干旱期间,无法及时发挥农业机械抢农时、防灾害、增效率的作用[2]。

目前的农机主要依赖人工调度,难以有效实现供需匹配,而且农机无法进行夜间作业,往往错失最佳播种或收割时间,造成严重的损失。传统的农机作业人员主要依靠经验作业,受主观因素影响较大,在人工成本不断增加的压力下,农机服务组织需要实时、准确、直观的掌控机手的作业质量、作业进度、作业面积等状况,并按照就近原则合理调配所需的农机具类型、数量,制定最佳作业方案,实现农机作业过程的优化配置,大幅提高作业效率与农机利用率。因此,卫星导航技术的应用潜力巨大。

2.1 开沟作业

在我省,土地开沟的耕作技术由来已久,早在商朝时,上古先民已经掌握,土地开沟重在排水,防洪防渍,降低田间湿度,从而改善土壤通气状况和理化性质,并提高土温和土壤供肥能力。相对于传统的开沟作业,基于北斗的开沟作业将以高效率、高精度的特点展现在人们面前,保证农田作业的质量。

2.2 深松监控

在农业生产中,要想获得丰产丰收,不仅需要优良的种子,足够的肥料,充足的阳光,控制病虫害的方法和手段,还需要有先进实用的机械化技术为支撑,比如深松技术。相比于传统的深松作业,驾驶员不在单一的依靠陷深轮来控制深度,而是依靠深松监控系统终端实时的监控作业深度,更精确的控制深松质量。系统通过安装光靶或显示器随时告知驾驶人员深松机工作深度。以便驾驶人员可以知道自己的工作质量。

2.3 变量喷药

变量喷药控制技术应用于农作物的播种、施肥、灌溉等环节。以作物、土壤和病虫害的空间和时间变化为基础,利用北斗定位技术结合变量作业的设施,实现最大限度的优化使用各项农业投入,以获取最高产量和最大的经济效益。同时减少化学物质的使用,保护农业生态环境,保护土地等农业资源。

3 国内外精准农业发展概况

美国20世纪80年代提出精准农业的概念和设想,90年代初进入生产实际应用,部分技术和设备已经成熟和成型。美国约翰.迪尔公司推出的“绿色之星”系统,美国凯斯公司的“先进农业”系统,英国福格森公司的“田地之星”系统等都可对收获、播种、施肥及撒药进行测量及田间作业,装有卫星接收系统的收割机可以实测出产量,并将数据存储,经计算机处理后生成产量国。播种机、施肥机可根据执行图上的信息进行播种施肥,真正做到了测产施肥,合理密植,增加效率。除此,在英国、德国、荷兰、法国、加拿大、澳大利亚、巴西、日本等国家都有开展精准农业研究和应用的报道。但精准农业除了美国和加拿大进入商业用途,其他地区甚至欧洲还没有真正推广[3]。

我国于21世纪初开始精准农业的研究,精准农业系统技术仍处于研究示范实验过程中,随着北斗卫星导航系统的快速发展,现已开始进行应用。2014年由黑龙江农垦总局牵头的哈尔滨精准农业综合服务示范项目,研制支持50万终端接入能力的精准农业综合服务平台,研制生产农机智能终端,解决农田信息采集、农机作业自动化过程管理和物流交易中信息不对称等现实问题,提升农业信息化水平。通过建立哈尔滨市一体化农业综合服务门户,提供农业生产全程监管、大田作业管理、农情监测、决策支持等服务。2015年由新疆科技技术厅牵头实施的北斗系统精准农业重大应用示范工程项目,主要建设北斗农业地基增强服务、北斗农业导航与位置服务、拖拉机自动驾驶导航、北斗三农手机终端服务、农机管理调度等系统。同年由湖北省测绘地理信息局牵头的湖北省北斗导航应用示范项目(现代农业应用示范),确定通过农机信息化智能调度系统和农机自动驾驶精细耕种系统示范,制定北斗现代农业应用产品标准,实现30万台大型联合收割机及拖拉机精准监控调度。2016内蒙古、江苏、浙江等省也相继开展了北斗卫星导航系统在精准农业中的应用示范。

4 北斗在现代农业的应用分析

借助国家大力发展卫星导航产业发展的重大机遇,以北斗高精度定位为特色,搭建公共位置信息服务平台,可建设基于卫星定位、网络地理信息系统、卫星遥感和移动通信等技术的农机信息化作业智能调度系统和农机自动驾驶系统,把精耕细作应用于播种、施肥、灌溉、喷药、收割等一系列的农业生产中。

4.1 基于北斗的农机信息化平台

农机信息化作业智能调度平台是基于卫星定位、网络地理信息系统、卫星遥感和移动通信等技术的农机移动监控与调度管理系统,由管理服务平台、信息资源平台及应用支撑平台组成,建立C-P-T (计算机-移动指挥终端-移动定位终端)农机移动监控与指挥模式,旨在实现农机资源的合理配置和有效调度、管理,可满足不同规模机组、农机服务组织对农机监控与调度管理的需要[4],如图2所示。

图2 农机信息化作业智能调度系统

其中,移动定位终端获得自身位置信息,通过移动网络上报服务器。移动监控与指挥终端在上报自身位置信息的同时,还可以通过移动网络对移动定位终端进行位置监控,向指定农机发送调度命令、导航路径等。固定监控与指挥终端除了对终端进行监控指挥外,可管理农机、农田、订单信息,还可对作业面积、里程等进行统计分析。

农机信息化作业智能调度系统一般包括农机综合信息平台、政务信息综合平台以及其他与农机服务相关的平台。

根据需求,农机综合信息平台可包含农机位置信息管理、农机厂家用户信息管理、农机服务站点用户管理、农机油料服务计量管理、农机生产项目信息管理、农机车辆信息管理等几方面。通过该模块,各级系统平台可以随时了解农机车辆的具体位置、行驶速度、行驶方向、行驶轨迹回放和报警车辆监控。可对用户使用的农机运行参数进行远程实时了解,为维修服务、改进和提高农机的产品质量提供信息数据。对进站农机车辆的维护、维修信息、农机销售信息、三包服务信息进行自动汇总,建立电子档案,为农机补贴管理提供准确数据信息。对农机的加油数量信息进行实时采集,掌握农机每亩机收耗油情况,为油料补贴管理提供准确数据信息。对农机作业面积的数据信息进行实时采集,自动统计和分析,为农机科学合理调度提供科学依据。可以查询农机车辆的全部信息,为农机维修、事故处理提供即时信息依据。

通过使用农业信息化平台,管理人员能够了解和监控作业机械的位置和状态,实时指挥作业,同时防止违规操作;可以合理调配农机资源,使之发挥最大的效益;方便准确统计作业面积,合理分配作业时间;直接记录在农业信息化平台上;方便统计机械化率,为决策提供依据。

4.2 基于北斗的农机自动驾驶精细耕种系统

农机自动驾驶精细耕种系统是集卫星接收、定位控制于一体的综合性系统,主要由GNSS天线、高精度GNSS接收机、显示器、控制器、液压阀 、角度传感器等部分组成[5]。作业过程中,辅助驾驶系统自动控制转向,农机按照设计好的路线进行精细作业生产。并将辅助驾驶精细耕种系统的位置数据和业务数据上传到农机信息化智能调度系统中统一管理,可自动生成准确的作业分析和决策方案,列出作业清单,调度和组织相关农业机械和人员,在规定的时间和区域内高效的完成作业目标,如图3所示。

图3 农机自动驾驶精细耕种系统

农机自动驾驶精细耕种系统一般包括农业机械精准控制系统、指示作业系统、北斗高精度定位系统三个大的部分。基于北斗的农机自动驾驶精细耕种系统依赖于北斗卫星导航系统提供高精度位置信息,保证农机高精度精细耕种作业。北斗高精度定位系统包括基准站和流动站。流动站安装在农机上为农机提供位置服务,基准站可以直接接入全球导航卫星连续运行参考站综合服务系统获得流动站的高精度定位数据。

农机自动驾驶精细耕种可以实现进一步的智能化作业,包括产量监测、流量控制、精细播种控制、变量施肥等;农机信息化作业智能调度系统可通过传感器采集实时的作业数据,对作业情况进行统计、分析,实现变量播种、施肥、无人机植保以及自动烘干仓储等精细作业方案生成,指导辅助精细耕种具体作业[6]。

4.3 北斗手持终端在精准农业中的应用

利用北斗技术,配合遥感技术(RS)和地理信息系统(GIS),能够做到监测农作物产量分布、 土壤成分和性质分布、做到合理施肥、播种和喷洒农药,节约费用、降低成本、达到增加产量提高效益 的目的。利用北都手持终端,差分北斗技术可以做到:

1) 土壤养分分布调查

在播种之前,可用一种适用于在农田中运行的采样车辆按一定的要求在农田中采集土壤样品。车辆上配置有 北斗接收机和计算机,计算机中配置地理信息系统软件。采集样品时,北斗接收机把样品采集 点的位置精确地测定出来,将其输入计算机,计算机依据地理信息系统将采样点标定,绘出 一幅土壤样品点位分布图。

2) 监测作物产量

在联合收割机上配置计算机、产量监视器和北斗接收机,就构成了作物产量监视系统。对 不同的农作物需配备不同的监视器。例如监视玉米产量的监视器,当收割玉米时,监视器 记录下玉米所接穗数和产量,同时北斗接收机记录下收割该株玉米所处位置,通过计算机最终绘制出 一幅关于每块土地产量的产量分布图。通过和土壤养分含量分布图的综合分析,可以找出 影响作物产量的相关因素,从而进行具体的田间施肥等管理工作。

3) 合理施肥,精确农业管理

依据农田土壤养分含量分布图,设置有北斗接收机的“受控应用”的喷施器,在北斗的控制下, 依据土壤养分含量分布图,能够精确地给田地的各点施肥,施用的化肥种类和数量由计算机根据养分含量 分布图控制。

在作物生长期的管理中,利用遥感图象并结合北斗可绘出作物色彩变化图。利用北斗定位采集一定数量 的土壤及作物样品进行分析,可以绘制出作物生长的不同时期的土壤含量的系列分布图。 这样可以做到精确地对作物生长进行管理。

利用飞机进行播种、施肥、除草等工作,作业费用昂贵。合理地布设航线和准确地引导飞机,将大大节省飞机作业的费用。据国外介绍,利用差分北斗对飞机精密导航,估计会使投资降低50%。具体应用中,利用北斗差分定位技术可以使飞机在喷洒化肥和除草剂时减少横向重叠,节省化肥和除草剂用量,避免过多的用量影响农作物生长。还可以减少转弯重叠,避免浪费,节省资源。对于在夜间喷施,更有其优越性。因为夜间蒸发和漂移损失小,另外夜间植物气孔是张开的,更容易吸收除草剂和肥料,提高除草和施肥效率。依靠差分北斗进行精密导航,引导农机具进行夜间喷施和田间作业,可以节省大量的农药和化肥。

5 结束语

围绕“三农”经济需求,结合北斗导航技术,开展精准农业综合服务,解决了农田信息采集、农机作业自动化过程管理和物流交易中信息不对称等现实问题,提升农业信息化水平。极大地提高了农田作业精度,不受天气和早晚的影响,节省了时间和燃料,增加了作业效率节约了成本。同时减少驾驶员的劳动强度,降低优秀驾驶员的依赖度,节省人力成本。可提供农业生产全程监管、大田作业管理、农情监测、决策支持等服务。

北斗卫星导航技术及产品在农业领域具有良好的应用推广能力,对精准农业的发展和应用具有重要意义。北斗技术在农业领域中的应用不仅是大面积种植,在小面积的农田,特别是在格网种植的小面积内,应用小型自动化设备,配合差分北斗导航设备、电子监测和控制电路,能够适应科学种田的需要,作到精确管理。

[1] 沈传青,沈传敏.浅论精准农业技术在全球范围内的普及应用[J].中国农业信息,2013(11)：217.

[2] 李小龙,李治国,陈华,等.北京市农机作业调度管理与精准作业系统[J].农业工程,2013(S2)：44-48.

[3] 徐臣善.国内外精准农业研究进展[J].德州学院学报,2013,(29)：53-65.

[4] 王壮,陈立平,刘永生,等.农机监控调度系统的设计与实现[J].计算机工程,2010(11)：232-234.

[5] 吴才聪,苑严伟,韩云霞,等.北斗在农业生产过程中的应用[M],北京:电子工业出版社,2016.

[6] 赵晶.农机作业辅助调度与精确监测方法研究[D].长沙:中国农业大学,2015.

The Application of BeiDou Satellite Navigation System in Precision Agriculture of Henan

ZHU Huairu1,ZHANG Xinying2

(1.GeographicInformationBureauofHenanProvince,Zhengzhou450003,China; 2.HenanVocationalCollegeofWaterConservancyandEnvironment,Zhengzhou450003,China)

Precision agriculture is the new trend in agricultural development in the world, It can not leave the location information in precision agriculture production, along with our country civil popularizing the BeiDou satellite navigation system, combined with the present situation of the BeiDou satellite navigation base station construction in our province, the BeiDou satellite navigation system in the direction of the application and development on precision agriculture in our province.

BeiDou navigation satellite system; positioning; precision agriculture; information collection; data analysis

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.020

2016-12-15

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0094-05

朱怀汝 (1979-),男,工程师,主要从事4D测绘成果质量检验及测绘质量管理、新技术新标准应用推广工作。

张新盈 (1977-),男,讲师,注册测绘师,主要从事测绘教学科研工作。

联系人: 朱怀汝E-mail:65780645@qq.com