基于３Ｓ技術的土壤采集信息處理系統的設計與實現

摘 要：土壤采樣質量的高低對精準農業施肥決策制定正確與否有重要的影響，高效、優化的土壤樣品采集方案和基于GPS的準確采樣是精準農業的基本重要問題之一。運用系統工程的方法，初步構建了土壤采集信息處理系統的通用設計和開發框架，并在此基礎上，利用組件技術開發了車載土壤采集信息處理系統。該系統解決了GIS、GPS和RS之間的邏輯鏈接，實現了基于GIS和GPS的土壤樣品采集方案優化設計與取樣點導航定位功能；實現了采樣點坐標和土壤化驗結果的統一管理，與專用傳感器相連可實現土壤理化指標的實時快速分析。

關鍵詞：遙感技術系統；地理信息系統；全球定位系統；精準農業；土壤采集

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)06-0236-03

農藥及化肥的大規模使用，極大地提高了農作物的產量，滿足了人類對糧食的需求，但過度、不合理的使用也對人們賴以生存的環境造成很大的威脅。為減小農用化學品的使用對環境的影響及有效地控制生產成本，歐美等發達國家于20世紀90年代初在大面積機械化生產的基礎上應用全球定位系統（Global Position System，GPS）發展出了基于環境資源的時空變異確定化肥或農藥投入的精準農業。其核心思想是按需實施、定位控制，即處方農作［1，2］。處方農作的關鍵是生成處方圖；獲得土壤肥力的變異情況是生成處方圖的關鍵。目前，獲得土壤肥力狀況的方法大致有三種，即實地取樣化驗、利用作物產量高低映射土壤肥力狀況和利用遙感影像反演土壤肥力。其中，只有第一種方法最直接、最準確。但傳統的人工取樣效率低、誤差大、規劃不足，難以滿足日益發展的精準農業的需要。因此，迫切需要開發一種高效、準確、自動化程度較高的土壤采集信息系統。針對這一需要，本文作了一些初步的探討，并以此為基礎開發出土壤采集信息處理系統。

1 GPS、精準農業與土壤樣品采集

GPS是一種高精度、全天候、全球性的無線電導航、定位、定時系統。它包括24顆地球衛星組成的空間部分、由地面控制站和一組地面監測站組成的地面監控部分以及用戶接收機三個主要部分組成。以精準農業以GPS全球衛星定位系統為基礎，連接農業機械和電子信息系統，將農田中產量分布、土壤養分分布、土壤水分分布與播種、施肥、灌溉、收獲機械結合起來，建立地域性概念，即根據土壤養分情況和產量要求以及成本核算決定該塊田的播種、施肥、灌溉和收獲情況［3］。

土壤肥力分布情況是精準農業決策的一個非常重要的因素。如何正確有效地獲得土壤肥力變化情況，并以此為依據指導機械化變量施肥是目前精準農業領域研究的重點和熱點。同時，由于種植規劃的需要，相關部門也需要掌握一個轄區內土壤肥力狀況資料。大面積的土壤狀況調查需要相關硬件和軟件的支持。國內外在土壤定位采樣方面作了大量的研究。德國的Lütticken等人利用GPS并通過控制水壓轉獲得帶定位信息的固定深度的土壤樣品［4］。浙江大學張淑娟等人應用GARMIN GPS315型接收機進行土壤養分采樣點的確定［5］。中國農業大學孔祥斌等人通過帶有GPS信息的土壤采樣點生成了北京大興縣城鄉交錯帶土壤養分變化及格局情況［6］。華中農業大學高祥照等人利用美國Trimble公司DGPS給北京順義北方精準農業示范區土壤采樣點定位［7］。

目前土壤樣品采集多為實地選取采樣點采樣，同時記錄GPS信息。這種方法比較直觀，在面積較小的區域（如某個地塊）采樣時并沒有什么不妥。但對于較大范圍（如鄉鎮、地區等）土壤樣品的采集以及土壤狀況的普查，由于缺乏事先的規劃，采樣點選取比較隨意，容易造成某些地區采樣點過密，而有些地區采樣點不足，從而使得插值結果在缺乏控制點的地區與實際情況相去甚遠。從土壤普查的角度來看，目前在調查過程中都是根據區域的土壤特點和實際養分狀況確定土壤采樣點，因而多年后土壤養分的測定結果很容易發生位置上的混淆，影響普查結果的應用范圍［8］。為解決這些問題，同時提高采樣效率，筆者開發了土壤采集GPS信息記錄系統。該系統可根據歷史資料，利用GIS進行采樣點的預先選取和采樣路徑設計；利用GPS進行土壤采樣定位，將采樣點坐標和土壤化驗結果在微機上通過地理信息系統進行統一管理，同時在系統中顯示和存儲相關采樣及化驗信息。

2 系統結構

土壤采集信息系統是土壤采樣輔助支持系統，它不僅用于獲取采樣點地理坐標及其他信息，同時也是一個采樣設計和管理的平臺。一個完整的土壤采集信息系統應該包括采樣設計、采樣導航、取樣定位、數據分析和檢測分析等五個基本功能。如圖1所示。

圖1 系統功能

從結構上來看，土壤信息采集系統包括外圍硬件設備和軟件兩部分。硬件主要包括GPS接收器和各種專用的感應器。軟件部分則包括應用處理程序和數據庫兩大部分。用戶通過人機對話子系統與各功能模塊發生聯系。系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構圖

人機對話子系統是用戶與系統進行交互的接口。通過人機對話子系統，用戶可以對下層的五個基本功能模塊進行管理和操作，也可以得到功能模塊反饋的信息。該層搭建了用戶與系統之間的橋梁。

3 系統功能

3.1 采樣設計模塊

該模塊主要功能是基于GIS和RS技術，利用電子地圖和配準后的遙感圖像，管理并設計土壤采樣點。該模塊實現電子地圖的讀取、顯示、縮放等，涵蓋了GIS軟件的基本功能。同時，通過與數據庫連接，再輔以遙感影像，可根據以往的資料和現實情況設計土壤采樣點。設計的原則是保證需要調查的地區包含足夠的控制點，以使做插值分析時不會因數據不足而使得插值結果與實際情況不相符合；同時控制控制點的數目，避免因控制點過多而加大工作量。采樣設計模塊的主要功能包括采樣點設計和采樣路徑設計兩方面。采樣點的確定應考慮土壤類型、往年種植情況、地形地貌、取樣歷史資料等因素。同時，在采樣點多且分散的情況下，采樣路徑的優化是提高采樣效率的重要環節。由于需要遍歷每一個采樣點且回到出發點，采樣路徑的設計實質上是對旅行商問題（Travel Salesman Problem，TSP）的一個求解過程。目前，對于這類問題，常用的解法包括貪心法、各個擊破法、窮舉法以及模擬自然界的一些其他算法，如模擬退火算法、遺傳算法、彈性網絡算法等。

3.2 導航模塊

該模塊的主要功能是基于GIS和GPS技術，實時定位采樣機位置，并按照采樣設計模塊中規劃好的最優路徑，引導采樣機到達預定采樣位置。

3.3 取樣定位模塊

該模塊的主要功能是獲得相應取樣點的地理坐標。獲得取樣點地理坐標是土壤采集信息處理系統的重要功能之一。取得取樣點坐標有自動和人工兩種方式：①自動方式是當取樣機開始工作時自動打開串行口接收GPS信號；取樣結束時，串行口關閉并記錄地理坐標，記錄值為打開與關閉期間接收到的坐標的平均值。②手動方式為手動控制串行口的打開與關閉。

3.4 數據分析模塊

數據分析是土壤信息獲取的重要步驟，土壤取樣分析獲得的只是取樣點的信息，但精準農業作業需要的是整個土地的土壤肥力資料。因此，必須根據已知取樣點的數據利用空間插值方法估算整塊地的土壤肥力數據。常用的空間插值方法包括趨勢面分析、反距離權重插值、薄板樣條函數和克里金法等。克里金法為空間插值提供了一種優化策略，即在插值過程中根據某種優化準則函數動態地決定變量的數值，不僅考慮了各已知數據點的空間相關性，而且在給出待估計點數值的同時，還能給出表示估計精度的方差。同時，經過多年的發展完善，克里金方法已經有了好幾個變種，如普通克里金法、泛克里金法、析取克里金法、對數正態克里金法、協同克里金法、因子克里金法等。因此，相對其他方法而言，克里金法應用較為廣泛。

3.5 檢測分析模塊

傳統的土壤樣品分析是在實驗室中運用化學分析的方法獲得土壤中有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、pH值等指標的含量。傳統的化學分析方法分析精度高，但耗費時間長、成本高。受實驗條件和技術的限制，只有專業的技術部門才能完成這樣的分析。因此，簡便易行地利用物理方法進行土壤養分快速測定日益受到重視。美國俄亥俄州大學的Ehsani和加利福尼亞的Upadhyaya應用中紅外技術對土壤中硝酸鹽的含量進行分析，證明其吸光度與硝酸鹽含量之間存在很高的相關性［9］。日本東京農業與技術大學的Shibusawa研究成功了應用近紅外反射技術的土壤水分、有機質、pH值和硝態氮的快速測量方法［10］。總的來說，土壤養分的快速測量一直是精準農業信息獲取技術的難題，但同時也是今后土壤養分測定的發展方向。利用檢測分析模塊截取土壤養分快速測量感應器信號，通過解碼、分析，實時記錄和分析土壤養分含量是土壤采集信息處理系統未來重要的應用領域。

4 系統實現與應用

根據土壤采集信息處理系統的總體架構和設計思路，采用組件式開發方法，本文設計和實現了基于3S技術的土壤采集信息處理系統。

4.1 軟件開發環境

系統采用目前流行的組件式地理信息系統開發。組件式地理信息系統使用靈活、二次開發方便，是當今GIS發展的潮流。目前，比較流行的分別有美國環境系統研究所（ESRI）、MapInfo公司、Intergraph公司推出的MapObjects、MapX、Geomedia。其中MapObjects是ESRI開發的一種符合微軟ActiveX OLE/COM規范的GIS對象組件，包括近五十個可編程ActiveX自動化對象；MapObjects可以被嵌入到Visual C++、Visual Basic、Delphi、PowerBuilder等許多標準的Windows開發環境中。本系統采用Visual C++ MapObjects方式，開發平臺為Windows 2000。

4.2 采樣路徑設計

采樣路徑設計是土壤采集信息處理系統實現的重要環節，優化的采樣路徑是提高采樣效率的關鍵因素之一。由于采樣設計中采樣點遍歷、不重復以及需要回到出發位置的特征，使其很自然地被歸入數學領域很有名的旅行商問題中。這個問題通常被這樣描述：假設一個旅行商人要拜訪n個城市，他必須選擇所要走過的路徑，路徑的限制是每個城市只能拜訪一次，而且需要回到原來的城市。路徑的選擇目標是所有可能的拜訪方式中總長度最短的一條路徑。隨著n值的增長，拜訪方式呈指數增長。當n=42時，則有（42-1）！/2=1.67×1049種拜訪方式，使得人工海選，甚至計算機的窮舉均成為不可能。

彈性網絡（Elastic Net）是在1987年由Durbin和Willshaw首先提出［11］。它可以被認為是幾何神經網絡的一種，與Hopfield－Tank的神經網絡算法以及其他神經網絡算法有著密切的聯系。但與它們相比，彈性網絡算法的結果更準確、收斂速度更快［12］。而且，彈性網絡總能產生一個有效解，產生的路徑也不會交叉，因此系統選擇彈性網絡算法作為路徑設計的方法。其基本思路及算法介紹如下：

彈性網絡是由m個點所構成的圓圈表示的（m大于城市數目n）。如果把彈性網絡想象成橡皮筋，則它會自然收斂到最小張力的狀態；如果把城市當成具有吸引力的節點，則它會吸引彈性網絡上的點，如圖3所示。

如果用向量xi表示城市i的坐標，向量yj表示彈性網絡上點j的坐標，則彈性網絡算法可用一組方程表示為

4.3 串口通信和信息提取

軟件通過微軟VC++ 6.0自帶的MSComm控件對象打開并獨占與GPS相連接的串行口，然后捕獲串口事件。軟件采用事件驅動的方式從端口獲取數據，即有事件（如接收到數據）時通知程序。

采用通用的NMEA-0183數據格式來獲取GPS信息。具體的做法是：在處理緩存數據時通過搜尋ASCII碼“S”來判斷是否是幀頭；對幀頭的類別進行識別后找出GPRMC數據幀；再通過對所經歷逗號個數的計數來判斷出當前正在處理的是哪一種定位導航參數，并作出相應的處理。根據需要，提取了狀態及經緯度坐標。由于MG_30R/U/P型便攜式GPS接收器每隔一秒鐘更新一次數據，將從打開串口到關閉串口時間段內的經緯度坐標求平均后作為經緯度坐標輸出。這樣做的目的是為了減小誤差，同時也是基于取樣時車輛在田間靜止不動來考慮的。

4.4 數據庫設計

數據庫包括地理坐標數據庫和分析結果數據庫。地理坐標數據庫用于存儲取樣點地理位置坐標及相關數據，包括WGS-84經緯度坐標及北京-54平面坐標數據、取樣點所屬行政區劃、土地戶主、取樣日期、取樣當地時間、格林尼治時間、取樣時天氣狀況等信息。分析結果數據庫存儲反映土壤理化性質的數據，包括土壤類型、耕作層厚度、容重、pH值、田間持水量、飽和含水量以及有機質、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀、硼等土壤養分狀況。

5 結束語

針對傳統的土壤取樣化驗方法費時、費力、高成本的問題，本文采用系統工程的方法，構建了土壤采集信息系統的通用設計和開發框架。完整的框架包括取樣設計、導航、定位、數據分析和快速檢測五大部分，并設計了五大功能模塊。在通用框架的基礎上，本文運用Microsoft的組件技術、GPS導航技術，設計和實現了車載土壤采集GPS信息處理系統。該系統為土壤樣品采集的事前設計和事后分析提供了整合的平臺，解決了手持式GPS接收機和差分GPS數據記錄不方便的缺點；能參照歷史資料和現實情況進行合理的采樣設計，并在此基礎上利用彈性網絡算法自動優化取樣路徑。利用本系統可方便地進行采樣點的導航和定位，并自動記錄和處理GPS定位信息。該系統應用到國家農業信息化工程技術中心研制的車載土壤自動采集機上，效果良好。

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