GPS和GIS技術在精準農業監控系統中的應用研究進展

摘要：基于ＧＰＳ和ＧＩＳ的精準農業監控系統集數據采集、傳輸、處理、控制及定位導航于一體，可廣泛應用于農業生產與科研的各個領域，主要用于環境因子，如溫度、濕度、深度、光照等水肥條件的監測和設備的定位，是實施精準農業變量作業技術的基礎，也是２１世紀農業發展的必然趨勢，著重介紹了國內外基于ＧＰＳ和ＧＩＳ的農業監控系統的研究水平及應用概況，旨在為實現現代精準農業的自動化、智能化發展提供參考。

關鍵詞：ＧＰＳ；ＧＩＳ；精準農業監控系統；應用

中圖分類號：Ｓ１２７文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）10－1948-03

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＧＰＳ ａｎｄ ＧＩＳ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Precision Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ

ＳＨＩ Ｇｕｏ－ｂｉｎ

（Ｃｅｎｔｒｅ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Heilongjiang Bayi Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Dａｑｉｎｇ １６３３１９，Heilongjiang，Cｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＧＰＳ ａｎｄ ＧIS ｗｉｔｈ cｏｌｌｅｃｔｉｎｇ，ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ，ｔｒｅａｔｍｅｎｔ， ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ， ｃould ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ fields of ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆａｃｔｏｒｓ， ｓｕｃｈ ａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｈｕｍｉｄｉｔｙ， ｄｅｐｔｈ， ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｃａｔｉｏｎ． Ｉｔ ｉｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｖａｒｉａｂｌｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｎｅｖｉｔａｂｌｅ ｔｒｅｎｄ ｏｆ the ２１st ｃｅｎｔｕｒｙ． Tｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ level ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ general situation ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＧＰＳ ａｎｄ ＧＩＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ， ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅs ｆｏｒ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ development ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ＧＰＳ； ＧＩＳ； ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ； ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

精準農業（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ）是近年來國際上農業科學研究的熱點領域，是人們在探索２１世紀農業高新技術發展的過程中為減少農業生產中的盲目投入、節約成本增加產量、提高農資利用率、減少環境污染、阻止生態環境的進一步惡化而提出的一種新理念［１］。

精準農業充分地利用了作物、土壤和病蟲害的空間和時間變化量來進行耕作和田間管理，改變了傳統的大片土地平均施用化肥的做法，保證了作物生產潛力的充分發揮，避免了過量施用農藥和化肥造成的生產成本增長和污染農業生產環境，導致農產品品質和價值下降的嚴重后果，取得的經濟和環境邊際效益非常顯著［２］。

１ＧＰＳ和ＧＩＳ技術在精準農業中的應用概況

１．１全球定位系統（ＧＰＳ）

ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ），是隨著現代科學技術的迅速發展而建立起來的新一代精密衛星定位系統。它利用地球外空間有一定分布的２４顆衛星，使地面上任何一點可以同時與其中４顆衛星進行通訊，分別測量該點與衛星的距離，最后將該點的幾何坐標推算出來，最高地面精度可達到厘米級。在精準農業中，現在一般基于差分ＧＰＳ技術，精度為亞米級。在作業機械的頂部安裝一個半球形ＧＰＳ接收天線，可接收衛星定位信號并將此信號傳給ＧＰＳ接收機，ＧＰＳ接收機將作業機械所處的經度和緯度數據通過ＲＳ－２３２串行接口傳給機載液晶顯示計算機，以此確定每一時刻機械的作業位置。

１．２地理信息系統（ＧＩＳ）

ＧＩＳ（Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ），是一種綜合處理和分析空間數據的通用型技術體系。在精準農業領域中，ＧＩＳ以很高的空間分辨率來管理田塊基礎信息，存儲、分析和處理空間數據，生成作物產量以及土壤屬性和病蟲草害等環境因素的空間分布圖，支持空間輔助決策，輸出圖形和地理統計數據以及田間決策處方圖。

１．３ＧＰＳ和ＧＩＳ技術在精準農業中的應用概況

精準農業應用了ＧＰＳ、ＧＩＳ技術和智能決策、自動控制理論，將變量播種、變量施肥、變量灌溉、變量噴藥和在線實時測產等技術集成為一體，有利于提高農業作業的效率，降低生產成本。目前，作業信息的采集、處理與實時通信滲透到精準農業的各個方面，如何快速、有效采集和更新影響作物生長環境的空間變量信息，成為實現精準農業的重要基礎［3］。農田地塊作為農業生產的基本單元，是實現作物生產規劃、管理和效益評價的基本單元，實現農田地塊信息實時監測和數據的快速、高效、全面的收集及分析是實現現代精準農業，提高生產率的關鍵技術；又可有效解決農業勞動人口減少的影響。而定位是解決實現農業機械自動移動的基礎性難題和完成其他任務的前提；因此，基于ＧＰＳ和ＧＩＳ的精準農業監控系統集數據采集、傳輸、處理、控制及定位導航于一體，其主要設計思想是利用ＧＰＳ接收機與掌上電腦（ＰＤＡ）組成移動數據采集端，采集農田地塊空間位置信息、時間信息、農田信息，通過ＳＭＳ方式或者數據文件方式傳輸信息至監測更新中心。其中，ＳＭＳ方式是基于ＧＳＭ移動通訊網絡，把野外采集到的數據包實時通過短消息ＳＭＳ（Ｓｈｏｒｔ ｍｅｓｓａｇｅ ｓｅｒｖｉｃｅ）方式進行無線傳輸；數據文件方式是把采集到的地塊信息就地存儲為數據交換文件（文本文件或數據表文件），然后通過相應數據接口導入到監測更新服務中心［4］。通過在農業系統中實現遠程信息采集與監控技術，可以把分散的農業設施連成統一的整體，因而實現農業自動化、智能化、精準化［5］。目前，各種已開發和正在研究的監控系統主要集中在農業上的環境因子，如溫度、濕度、露點、光照和生產中的溫度、濕度、光照、施肥、噴藥等的自動化控制和網絡化管理，通過監測和控制其生長條件，從而達到增加產量、改善品質、調節生長周期、提高經濟效益的目的。少數監控系統還能達到預警的目的，主要是設定監控因子的上限和下限，通過無線傳輸技術發送給用戶，達到預警的功能，或是通過專家系統等進行自動的調控［6］。

２國內外ＧＰＳ和ＧＩＳ精準農業監控系統的研究

精準農業始于發達國家，其中的主要部分是精準施肥和收割技術。隨著發達國家農業生產市場化程度的提高，降低成本，提高投人產出比、發展優質高效農業的要求以及環境保護、資源利用、農業可持續發展等方面的要求，迫切需要經濟效益、社會效益、生態效益同步的新型農業的出現。在精準農業概念提出前，農業監控技術已經在各國有了初步的研究和發展，國外對環境研究較早，始于２０世紀７０年代，先是采用模擬式的組合儀表，采集現場信息并進行指示、記錄和控制，后又出現了分布式控制系統。中國對于農業監控技術的研究較晚，始于２０世紀８０年代，但發展速度很快。劉德義等提出了基于Ｗｅｂ的設施農業氣象信息監測與預警系統，該系統提供了實時數據查看、歷史數據查詢、Ｋ線圖顯示、氣象預警信息、溫室氣象預報、應用示范介紹、手機短信提示、實時圖片顯示等功能。楊萬龍等［7］自主研發的滴灌施肥智能化控制系統，利用土壤水勢傳感器監測土壤的含水量，進行自動灌溉施肥控制，當土壤水勢達到設定水勢上限時，計算機自動啟動系統進行施肥灌溉，當達到設定水勢下限時，灌溉施肥停止，計算機自動記錄該閥門灌水量，其他閥門按此灌溉施肥量依次進行，這種控制方式可實現多個閥門的無人值守灌溉施肥控制。當用戶設置不當、系統出現異常情況時，計算機會及時發出聲光報警，提醒用戶介入處理，防止對系統或作物造成更大危害。國家農業信息化工程技術研究中心開發研制的便攜式環境監測產品在設施農業生產中取得了良好的應用［8，9］。

早在２0世紀８0年代，美國提出精準農業構想，其微電子技術發展推動了智能化監控技術的發展，以及作物生長模擬、栽培管理、測土配方施肥等農業專家系統成了精準農業早期技術基礎。１９９３～１９９４年，美國在明尼蘇達州農場進行了精準農業技術試驗，用ＧＰＳ指導施肥的作物產量提高３0％左右，而且減少了化肥施用總量，經濟效益大大提高。目前美國在谷物聯合收割機、噴霧機、播種機等農業裝備上已經采用衛星全球定位系統監控作業等高新技術。西歐國家在小麥、玉米的整地、播種、收獲、運輸等生產環節已全面實現了機械化，不少農業機械也裝備了ＧＰＳ系統進行精準農業作業。很多監控技術取得了很大的突破，許多國際大型農業裝備廠商均推出了自己的智能產量監測儀、變量控制器產品。歐盟ＩＳＩ啟動了Ｗｉｒｅｌｗｓｓｌｎｆｏ項目（１９９８～２００３），期望運用ＧＳＭ／ＧＰＲＳ／ＨＳＤＣＳ無線通信技術，建立先進的農林管理多媒體服務系統［１0］。Ｔｈｙｓｅｎ［１1］探討了ＩＴ技術在農業領域應用的可能性和農業信息化的發展方向。Ｍｃ Ｋｉｎｉｏｎ等［１2］研究了一個衛星寬帶無線接入系統，滿足了棉花害蟲多譜圖像的高速傳輸和實時處理的要求，提高了配藥機械變量作業的效率和有效性。Ｇｅｅｒｓ等［１3］應用ＧＳＭ無線技術開發了牲畜運輸過程遠程監控系統“ＴＥＴＲＡＤ”。目前，荷蘭、美國、日本等國在農業生產中已經基本實現了溫度、濕度、光照、施肥、噴藥等的自動化控制和網絡化管理。

中國精準農業發展起步較晚，但在國家“８６３”計劃“數字農業”重大專項和地方政府的支持下，近５年在農業裝備智能化、農業系統遠程監控及農業信息化等方面獲得了較快發展。喬曉軍等［１4］開發了農業設施環境數字化監控系統，以實現農業設施信息采集和處理的自動化。龐樹杰等開發了基于ＧＰＳ和ＧＳＭ的農田信息遠程采集系統；句榮輝等［１5］應用ＧＳＭ短消息技術實現了溫室環境的實時控制，提高了系統的自動化程度。在農業資源利用方面，中國農業在精耕細作、多層次利用、生態農業等高效利用農業資源方面獨樹一幟。各地已總結出許多具有區域特色的耕作技術和農業模式，這些技術對提高我國土地、水、肥等資源的利用率發揮著重要作用。農業資源監控監測技術也取得了較大的發展，遙感與地理信息系統（ＧＩＳ）技術也成功地應用于作物長勢、種植面積、產量、災害、水土流失等方面的監測［１6］。歷史經驗表明，在開拓新的前沿科技應用領域，一些發展中國家和發達國家在起跑線上拉近了距離，發展中國家有可能在某些領域實現技術上的跨越［17］。

３展望

中國的農業正由傳統的粗放型向精準化發展，如何結合中國農田實際特性，充分利用網絡技術，開發出基于ＧＰＳ和ＧＩＳ的田間農業機械裝備實時監控系統，通過分析地理信息數據，有效地進行各種耕作，提高機械作業效率，為進一步實現變量耕作提供技術支持［18］。同時在引進消化國外先進技術的基礎上，研制開發具有自主知識產權、低成本的技術成果，支持精準農業關鍵技術與設備的專業精準農業監控系統，是中國實施精準農業中迫切需要解決的問題。因此，要重視世界前沿科技領域的研究，重視和研究ＧＰＳ和ＧＩＳ技術在精準農業監控系統的重要作用，對于加速像我國這樣的發展中國家農業現代化進程、占領未來農業科技競爭的制高點具有十分重要的意義。

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