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GPS技术在现代精准农业中的应用研究


农技服务 , 2008, 25 ( 3) : 113 - 115

责任编辑   胡先祥   责任校对   时倩倩

GPS技术在现代精准农业中的应用研究
雷伟伟 ,张 锋 ,王元波
1 2 3 ( 1. 河南理工大学测绘学院 ,河南焦作 454000; 2. 海军 92493 部队 22 分队 ,辽宁葫芦岛 125000; 3. 湖南省常德市国土

资源规划测绘院 ,湖南常德 415000)

摘要  GPS技术是现代精准农业应用研究的核心问题 ,笔者介绍了 GPS的起源、 定位原理和误差来源 ,并就 GPS在精准农业中的 3 种应 用进行了重点论述 ,最后对其应用前景作出了展望。 关键词  GPS; 精准农业 ; 应用研究 中图分类号  S29    文献标识码  A    文章编号  1004 - 8421 (2008) 03 - 113 - 03
Study on the GPS and Its Applica tion Research in M odern Prec ision Agr icultura l L E IW e iwe i et a l ( School of Surveying and Land Information Engineering, Henan Polytechnic University, J iaozuo, Henan 454000 ) Abstract  GPS technology is the key issue in modern p recision agricultural app lication research. The author reviewed the origination of the GPS technology, its p rincip le of positioning and source of the error Then, the 3 kinds of app lication in modern p recision agricultural were elucidated . in detail The p rospect of modern p recision agricultural was forecasted in the last . . Key W ords GPS; Precision Agricultural; App lication Research

   随着科技的发展和农业生产市场化程度的提高 ,农业生 产中降低成本、 提高产出率、 发展优质高效农业以及农业可 持续发展等方面的要求 ,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构想 ,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基础。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
[1]

MHz和 1 227. 60 MHz。卫星通过天顶时 ,卫星可见时间为 5 h,在地球表面任何时刻 ,在高度角 15 ° ,平均可同时观测 以上

到 6 颗卫星 ,最多可达 9 颗卫星。

( Precision Agricultural) 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发展。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 ,实现农业的可持续发展。
1  GPS简介及其定位原理 1. 1  GPS简介   全球定位系统
[2]

图 1  GPS卫星星座

1. 2  GPS定位原理与方法 1. 2. 1   定位原理。 GPS利用距离交会原理进行定位。 GPS

接收机以测量无线电信号的传输时间来量测距离 ,以距离来 判定卫星在太空中的位置。假设第 1 颗卫星在 20 000 km 高
( Global Positioning System,

处 ,首先以 20 000 km 为半径 ,以此卫星为球心得一球面 ,使 一个人位于球面上。再假设第 2 颗卫星距离该人 20 100 km, 同样再以 20 100 cm 为半径 ,以第 2 颗卫星为圆心作一球面 , 使该人位于球面上。这样该人处于这 2 颗球所交集的圆周 上。再以第 3 颗卫星做精密定位 ,假设高度 20 200 km,即可 进一步缩小范围到 2 点位置上 ,但其中一点非该人所在的位 置 ,是位于太空中的某一点。因此 ,根据该人到地心的距离 , 就可舍去其中一点 ,选择另一点为实际位置点。如果要获得 更精确的定位 ,则还需要再测量第 4 颗卫星。
1. 2. 2   定位方法。根据定位模式 , GPS定位方法分为绝对

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 是以卫星为基础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 部分组成。其卫星星座部分 (图 1 ) 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 58 m in,载波频率为 1 575. 42
基金项目   河南省科技攻关项目 ( 0524220082 ) ; 河南省教育厅项目 ( 2006790002) 资助 。 作者简介   雷伟伟 ( 1982 - ) , 男 , 河南叶县人 , 硕士 , 讲师 , 从事测绘 及其相关学科教学与科研工作 。 收稿日期  2008 2 2 02 12

定位和相对定位 2 种。① 绝对定位。又称为单点定位

[3]

,这

是一种采用一台接收机进行定位的模式 ,它所确定的是接收 机天线的绝对坐标。 GPS采用 W GS - 84 坐标系 , 所以单点 定位求出的结果属该坐标系的坐标 ,但可通过坐标转换获得 所需坐标系统的坐标。优点 : 作业方式简单 ,一台 GPS接收
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           农技服务                           2008 年

机即可作业 ,点位三维坐标实时显示 ,数据处理简单。缺点 : 定位精度低 ,为 10 ~30 m。应用范围 : 绝对定位一般用于导 航和精度要求不高的应用中 ,如船舶导航 ; 地质矿产勘探 ; 暗 礁、 浮标定位 ; 海洋捕鱼 ; 旅游、 越野导航定位 ; 低精度测量 等。②相 对 定 位。又 称 为 差 分 定 位 ( D ifferential GPS,
DGPS) ,这种定位模式采用 2 台以上的接收机 , 同时对一组

圈的所有点的位置信息 ,然后进行数据处理 ,从而最终使田 地边界生成矢量化的数据。
2. 1. 2   采样层。田地各种属性的采集是通过田间采样得到

的。采样一般使用栅格采样法 ,确定采样栅格的大小 , 然后 由 GPS引导在栅格中心定点采样。具体应用时 ,确定栅格的 大小后 ,则生成 1 个栅格的格网 ,覆盖在边界图层上 ,确定栅 格格网的起始坐标后 ,即可确定栅格中心的坐标 ,从而形成 包含各采样点坐标的采样层。
2. 1. 3   作业层。每次进行田间作业前 , 应生成相应的作业

相同的卫星进行观测 , 以确定接收机天线间的相互位置关 系。优点 :由于采用同步观测资料进行相对定位 , 使卫星钟 误差、 星历误差、 信号在大气中传播误差可得到消除或大幅 度削弱。所以 ,可获得较高的定位精度。目前相对定位精度 可达到 10 m。缺点 :因几台 GPS接收机同时作业 ,组织、 实 施、 数据处理较复杂。由于求出的是同步点站间的三维基线 向量 (即点间的边长 ) ,故必须给出一个点的已知坐标和一个 已知方位角。应用范围 : 大地测量、 工程测量、 变形监测、 地 壳运动监测等精密定位测量工作。
1. 3  GPS测量误差及应对措施  ① GPS卫星有关的误 与
-9

分布图层 ,包括播种层、 施肥层、 喷药层、 施水层和收割层等。 各作业层可以由 GIS先根据采样后的分析 ,根据相应的专家 系统或决策支持系统生成各作业处方图层 ,然后由 GPS进行 导航作业 ,生成记录实际的作业层。
2. 2   农机作业导航   现代精准农业的关键技术之一就是快

速准确确定出田间作业农机的实时位置信息 ,最合适的系统 就是 GPS。最新研究成果表明 ,一般情况下 , DGPS的实时定 位精度可达厘米级 ,这个精度对于农机作业而言是一个巨大 的机遇 ,它可以用于实时准确定位与导航
[6]

差。主要有卫星星历误差、 卫星钟差、 卫星信号发射天线相 位中心偏差等 ; ② 与传播途径有关的误差。主要有电离层延 迟误差、 对流层延迟误差、 多路径效应误差等 ; ③ 与接收机有 关的误差。主要有接收机钟差、 接收机天线相位中心偏差、 接收机软件和硬件造成的误差等 ; ④ 其他误差影响。主要有
GPS控制部分人为或计算机造成的影响、 数据处理软件的算

。现在有研究者

开发出了一种厘米级 DGPS农机导航指示系统 ,它由用于获 得农机位置信息的 GPS卫星接收机、 中央控制器、 发光二极 管和光棒指示器组成。利用接收机获取的位置信息 ,通过中 央控制器 ,能够准确无误地测定农机实时位置及运行方向 , 为驾驶员的操作提供准确的依据。 厘米级 DGPS可用于农业作业机组在田间的行走导航 , 特别是利用大型宽幅机组以及飞机进行播种、 施肥、 除草等 作业 ,合理地布设作业路线和准确地引导 ,将大大节省作业 费用 ,在自动导航的基础上可以进行机车自动驾驶应用。同 时结合农场计算中心的农田综合信息 , 查出该处土地的湿 度、 化学成分、 排水沟位置和其他一些特点 ,还能够准确计算 出最佳种植方案及所需种子、 肥料和农药数量等 ,只需一人 在室内计算机屏幕前即可操纵多台农机同时进行耕作 ,不仅 耕作速度快、 效率高 ,且能减少种子、 肥料和农药消耗 , 可节 约生产成本 50% ,提高作物产量 20% 。 基于厘米级 DGPS和 GIS的农机田间作业自动导航应 用具有很多优点。首先 , 可以提高作业效率和降低运行成 本 ,由于驾驶员可按照导航图进行驾驶 ,这样可在光线暗的 条件下作业 ,可以提高生产率和时间利用率。其次 , 可以提 高作物的增产潜力 ,因为自动导航可以尽可能地减少播种、 施肥、 除草、 灭虫作业的重、 漏现象 , 从而提高作物产量。再 次 ,通过自动导航可以减轻驾驶员的工作强度和难度 ,提高 作业质量。对于夜间喷施作业 ,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。
2. 3   农田产量监测   目前 , 先进的谷物联合收割机均装配

法不完善对定位结果的影响等。对于系统误差如卫星钟差、 卫星星历误差、 电离层延迟误差、 对流层延迟误差、 多路径效 应误差等 ,可以采用各种模型或方法将其消除或减弱 ,而其 他的随机误差只能用统计处理的方法 ,求出最佳值。
2  GPS在现代精准农业中的应用

在现代精准农业技术体系中 ,定位技术起到十分关键的 作用。由于精准农业是研究农田中小区的差异性
[4]

,所以必

须使用定位技术引导信息采集和田间作业。在目前精细农 业的研究和应用中 , GPS技术以其快速高精度的定位结果成 为首选。 GPS技术的关键作用主要表现在如下 3 个方面 :
2. 1   农田定位   在精准农业中 , GPS的应用必须与 GIS紧

密结合

[5]

, GPS的定位信息通过 GIS转化成相应的图形 , 同

田间的各种信息结合 ,形成反映该信息的专题图和处方图 , 如肥力分布图、 病虫害分布图等。首先要生成田地边界图 层 ,随后的各项田间作业 ,如田间采样、 田间监测、 灌溉等 ,都 要在边界图层上生成相应的图层 ,如采样图层、 监测图层等。
GIS中经 GPS定位形成的图形数据为矢量结构 ,其坐标采用

高斯平面坐标 ,从 GPS接收机得到的数据经过坐标转换到国 家通用高斯平面坐标后 ,其数值一般较大。现行做法一般是 以某一点为农田平面坐标的原点 ,建立农田独立坐标系 ,用 所有点的坐标同该点坐标相减 ,得到相对该点的平面坐标 , 此时再对数据进行应用。对于各个图层 , 都要有田地识别 号、 日期、 时间这些公共属性 , 然后是各自的有关属性 , GPS 在农田的定位应用如下 :
2. 1. 1   田地边界层。使用 GPS进行田地边界的测量 ,是目

了 GPS接收机和产量监控器

[7]

,产量监控器所获得的产量数

据可以通过 GIS技术绘制成产量图直观表达出来 ,结合土壤 分布情况 ,可提出当前影响作物产量的相关因素 ,帮助种植 者评估天气、 土壤养分和作业管理对作物产量的影响 ,为翌 年生产布局和科学施肥提供决策参考 ,实行更精细的田间养 分管理。
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前精准农业中常用的方法。一般做法是用带有 GPS装置的 车辆 (对于小面积的田地 ,人背负 GPS装置即可 ) ,绕田地边 界行走 1 圈 , GPS接收机每秒钟输出 1 次数据 , 记录下这一

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 25 卷 3 期                雷伟伟等  GPS技术在现代精准农业中的应用研究

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产量监控器由谷物流量传感器、 地面速度传感器、 谷物 湿度传感器、 计算机系统、 数据存储设备和卫星接收机等部 件组成。在收获大多数谷物时 ,传感器置于收割机内谷物流 经的地方 ,测量谷物的流速和湿度 ,根据收割谷物时收割机 实时的具体位置进行数据转换 ,用流速除以收割面积即可得 出单位面积产量。在这个过程中 , GPS接收机是产量监控器 必不可少的组件之一 ,在农田产量监测中发挥了关键作用。
3  结语 GPS在现代精准农业中具有核心地位 ,为精准农业提供

疑 , 精准农业技术必将成为新世纪农业高新技术的热门课 题。我国连续几年中央“ 一号文件 ” 的发布 ,对于改变传统落 后的农业生产方式 ,大力发展现代精准农业技术 ,实现农业 产业化而言是一个有力的契机。应当抓住这个难得的机遇 , 以先进科技为支撑 ,大力发展现代精准农业。 参考文献
[ 1 ] 臧荣春 ,欧阳斌林. GPS技术在精确农业中的应用 [ J ]. 农机化研究 , 2001, (4) : 86 - 88. [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. [ 3 ] 宋变兰 ,黄道友 , 路鹏 , 等. 全球定位系统技术及其在农业中的应用 [ J ]. 湖南农业科学 , 2005 (3) : 67 - 69. [ 4 ] 张博. GPS在农业中的应用技术研究 [D ]. 北京 :中国农业大学 , 2000. [ 5 ] 刘刚. 精细农业与 GPS农业应用 [ J ]. 全球定位系统 , 2000 (2) : 12 - 16. [ 6 ] 卢建刚 ,过静君. GPS在精细农业中应用的研究 [ J ]. 工程勘查 , 2002 (1) : 50 - 52. [ 7 ] 翟传凤. GPS在精准农业中的应用 [ J ]. 当代农机 , 2007 (6) : 60 - 61.

实时高效准确的点位信息 ,为农机作业提供高效导航信息 , 没有 GPS定位系统 ,现代精准农业也就无从谈起。随着精准 农业向着更加精准的方向发展 , GPS定位系统将会得到更加 普遍的应用 ,将在现代化农业中起到愈加主导的作用。 我国是世界农业大国 ,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。无容置
(上接第 107 页 )

滤后加入饲料中 。 添加沼液喂养前 , 应对猪进行驱虫 、 健胃和防疫 , 并把 喂熟食改成喂生食 ,每天喂 3 次 , 定时定量 。开始添加沼液 时 ,猪吃不习惯 ,应先使猪饿 1 ~2 顿以增加食欲 , 再将微量 新鲜沼液拌入猪食内 ,使之就食 。一般经过 3 ~5 d 后猪就 慢慢适应 ,正常喜食 。沼液用量由少到多 , 一般体重 25 kg 的猪每次添加沼液 0. 3 kg, 25 ~50 kg的每次添加 0. 6 kg, 50 ~100 kg的每次添加 1 kg, 100 kg以上的每次添加 1. 5 kg, 但要根据沼液浓度和猪的采食情况适当增减 。
3. 3. 2   注意事项 。要注意猪的采食状况 ,以吃完不剩为适

素酶 7. 65 U ,每升沼液中含生长素 8. 022 mg,赤霉素 3. 510
mg。 3. 1. 2   沼液的主要营养作用 。沼液中富含多种作物所需

的营养物质 ,因此可用作农作物基肥和叶面喷肥 ; 沼液中含 有的氨基酸 , 是动物体内不能合成的 , 因此可作饲料添加 剂 ; 含有多种活性较高的微量元素 , 有利于动物吸收 ; 沼液 中的维生素和激素可以刺激动物生长发育 , 提高动物免疫 力 ; 原料发酵过程中所生成的抗菌素 ,对一些致病菌有抑制 作用 。所以沼液是一种无毒 、 无害 、 有营养的添加剂 , 可以 用来喂猪 、 、 喂鸡 喂鱼等 。
3. 2   沼液作叶面肥在梨树上的应用 3. 2. 1   喷施方法 。从梨树初花期开始 , 结合保花保果 , 每

量 。如果适口性差 ,有剩余 ,应减量 ; 不能随取随喂 , 因沼液 中含有氨味 ,对猪有刺激 ,影响采食 。但取出后也不能放置 过久 ,否则易受污染 。一般沼液取出后搅拌或放置 1 ~2 h, 让氨气挥发后再喂 ; 猪食后如出现腹泻症状 ,应立即停止饲 喂带有沼液的饲料 , 并请兽医进行诊断 , 如确诊无病 , 在腹 泻症状消失后 ,适当减少沼液添加量 ,每次比原添加量减少
100 g左右 ; 不可用沼液代替饲料量 ,不要减少每日饲料量 。

隔 7 ~10 d喷 1 次 ,至叶落前为止 。浓度配制为 : 沼液 1 份 加清水 1 份 。可起到保花保果 , 促进果实一致 , 光泽度好 , 成熟期一致的作用 。采果后 , 还可喷施 3 ~4 次 , 以利于花 芽分化和增强树体抗寒能力 。
3. 2. 2   喷施沼液的注意事项 。沼液取自正常产气 1 个月

参考文献
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以上的沼气池中 。沼液要澄清过滤 , 以防堵塞喷雾器 。喷 雾器密封性要好 , 以免溅 、 。沼液浓度不能过大 , 春 、 、 漏 秋 冬季上午露水干后 (约上午 10 ∶ 时 ) 进行喷施 , 夏季以晚 00 上喷施为好 , 中午高温及暴雨前不要喷施 。施用浓度应根 据沼液浓度 、 施用作物及季节 、 气温而定 , 幼苗 、 嫩叶期 , 1 份沼液加 1 ~2 份清水 ; 夏季高温时 , 1 份沼液加 1 份清水 ; 气温较低 ,又是老叶时 ,可不加清水 。用量为 600 kg / hm 。
3. 3   沼液喂猪   沼液拌料喂猪 ,是将沼液作为一种饲养添
2

加剂拌入猪饲料中 , 起到促进生猪生长 , 缩短育肥期 , 提高 饲料转换率 , 降低料肉比 , 达到增重的目的 。可使猪提前 1 个月左右出栏 。
3. 3. 1   饲喂方法 。必须是正常产气 1 个月以上的中层新

鲜纯净沼液 ,长期没有使用及废沼气池中的沼液不能使用 。 经常清理出料间的浮渣和杂物 , 或者在出料间置入滤渣装 置 ,以便随时提取滤渣 。在出料口取中层的沼液 , 经纱布过

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