GPS与精致农业

全球定位系统是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。GPS系统最基本的特点是以“多星、高轨、高频、测量-测距”为体制，以高精度的原子钟为核心。GPS作为新一代卫星导航与定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。

GPS是精准农业的关键技术之一，是实时动态地确定作业对象和作业机械的空间位置，并将此信息转变为GIS能够储存、管理和分析的数据格式。

（1）精确定位水、肥、土等作物生长环境的空间分布。

（2）精确定位作物长势和病、虫、草害的空间分布。

（3）精确绘制作物空间分布状况图。

（4）自动导航田间作业机械，实现变量施肥、灌溉、喷药等作业。

为实现上述功能，需要将GPS接收机和田间变量信息采集仪器、传感器以及农业机械有机地结合起来。安装有GPS接收机的农田机械及田间变量信息采集仪器，除能够不间断地获取土壤含水量、土壤养分、土壤压实、耕作层深度和作物病、虫、草害以及苗情等属性信息，还同步记录了与这些变量相伴而生的空可位置信息，从而为进一步生成GIS图层和专家决策提供了基础数据。

GPS系统在精确农业实施过程中异常重要，它一方面将农田各种信息给予精确定位，输入GIS，另一方面也是农机作业轨迹的依据。

1.农场基本格网定标

为了给农田信息定位，有必要在农场范围内，每30m进行GPS定点，测得高精度的坐标数据，为此需开展以下工作。

（1）在农场指挥中心引一到两个国家级大地点，供定位和差分定位。场区内、外的特征地物附近，布10～20个较高精度的控制点（厘米级精度），供专题图投影转换及遥感图像几何纠正用。

（2）按30m×30m网格布设，需测1700～1800个较高精度GPS定位点（厘米级精度）。

（3）农田信息采集点定位，如土壤、水质等（分米级精度）。

2.动态GPS定位

动态GPS定位的主要作用有二，其一是指挥农机行走，其二按专家制定的作业空间（处方）实施农机作业。

（1）指挥农机行走。根据GIS提供的场区电子地图经纬度范围（也可用坐标表示），利用农机上的GPS天线，每0.5s接收一组GPS定位数据，通过GVG软件，将自行农机实际行动轨迹显示在电子地图上，使其在场区范围内自由行走。若电子地图上设计有行走路线，则按设计的轨迹行走。该项工作的难点在于GPS与GIS接口调试及GVG软件的开发。

（2）指挥农机作业。依据农业信息采集系统和专家系统提供的农机作业路线及变更作业方式的空间位置（给定X、Y值内），使农机自动完成耕地、播种、施肥、中耕、灭虫、灌溉、收割等工作，包括耕地深度、施肥量、灌溉量的控制等。除GPS和农机具等硬设备外，还包括GPS与自行农机接口调试。

（3）周边环境不定期监测的定位。周边地区有突发性灾害，如冰雹、虫灾等，可由动态GPS将范围记录下来，为农业专家系统提供有益的空间信息。

3.GPS田间信息采集

卫星定位系统在农业机械中的应用，极大地提高了农业生产和作业的效率，主要有以下四方面的作用。

（1）卫星定位系统为农用机具提供实时位置信息，提高了行走和飞行精度。作业幅宽较大的农机具喷酒作业时，容易造成作业重叠和遗漏。在这类农机具和飞机上安装卫星定位系统，可以显著地提高作业精度，避免作业重叠和遗漏，减少不必要的浪费。

（2）精准农业需要及时了解农田状态信息，如农田中的肥、水、病、虫、草、害和产量的分布情况。卫星定位系统与农田信息采集技术相结合，可以实现

定点采集和分析农田状态信息，生成农田状态分布图。农民进而根据农田状态分布圈，做出相应的决策并付诸实施。农田状态信息的采集是精准农业实施变最牧人的基础。

（3）卫星定位系统为农机具提供实时位置信息，使得农机具可以调用处方图信息，实现行进间变量投入，从而实现按需投入水（93J、种子、肥料和化学药剂等生产要素），既保证了作物的需求，又可以节约投入和减轻环境污染。

（4）使用卫星定位系统导航，农民可以不受时间和气候的限制，不必日出而作、日落而息，为了抢农时，在夜晚也可以作业。有了卫星定位系统为拖拉机导航，驾驶员还可以加快行驶速度，提高作业效率。农田作业中对定位的精度着一定的要求，这主要取决于农业机械作业精度的要求。精准农业要求根据农困单元的差异进行精准播种、施肥、灌溉、防治病害等。

一般来说，精准农业的定位精度要求为：制作农田电子地图、土壤采样、变量喷洒、飞播导航和测产1m、自动驾驶、铺设灌溉管道、起垄和行裁10cm、梅筑种床5cm等。当前的卫星差分系统完全可以满足这一精度要求。

GPS精准农业系统集成是实现总目标的关键技术之一。它是指系统各组成部分之间的协调、综合与总体优化，是硬件系统和软件系统的总集成，同时它还是项目总体设计的重要组成部分。系统集成分为两个步骤，首先实现计算机控制系统和“智能化农业机械系统”的分别集成，然后实现上述两个系统的总集成。其中计算机控制系统包括“精准农业GPS系统”、“农田信息采集系统”、“农田地理信息系统”和“农作物管理专家系统”。系统总集成两个步骤的实施内容如下。

（1）精准农业计算机控制系统集成，包括土壤信息和产量信息的空间定位、GIS与农作物专家系统耦合生成空间定位农作处方以及土壤和产量信息的累积和农作处方更新。

（2）智能化农业机械系统集成，包括适合小麦、玉米的耕作、播种、喷药、雀溉、收获等农作机械的配套、性能价格优化和智能化。

（3）上述两大系统的集成包括农业机械携带的土壤和产量信息采集器与GPS和GIS的接口、农作处方对农机操作的定位和实时控制。