基于GPS技術下茶葉種植區域大氣環境監測系統的研究

李麗芬，云彩霞，陳曉芳

（燕京理工學院信息學院,河北三河 065201）

基于GPS技術下茶葉種植區域大氣環境監測系統的研究

李麗芬，云彩霞，陳曉芳

（燕京理工學院信息學院,河北三河 065201）

規模化的茶葉種植區域往往面積大、范圍廣。在對茶葉種植區域的大氣環境監測時，會受到地理位置上的限制。在了解空氣成分、發現污染源等方面，按照傳統的監測方法存在困難。通過GPS技術的介入，可以為構建茶葉種植區域的大氣環境監測系統提供思路和便利。文章闡述了GPS的發展過程，總結了GPS系統的工作原理，展現了GPS系統的應用普及情況。從茶葉生長本身的角度，分析了監測區域內大氣環境質量對茶葉的作用及意義。最后，還得出GPS在構建大氣環境監測系統中的應用方法。

GPS技術；茶葉種植區域；大氣環境；監測系統

在良好大氣環境下種植生長的茶葉，不僅口感和品質更好，而且由于凈化的空氣環境的作用，茶葉在質量安全方面有保障。因此，茶葉種植區域對大氣的環境監測和治理格外敏感和嚴格。借助GPS技術，人們可以制作形成大氣環境監測系統，對茶葉生長區域的大氣環境進行實時監測。

1 GPS系統功能與應用

GPS（Global Positioning System），即全球定位系統的意思。GPS系統由美國研發，在太空中圍繞地球運行軌道發射了一組人造衛星，用以收集和處理一系列信息的系統。

1.1 GPS系統的出現和發展

GPS最早的出現，是美國用于軍事目的的測定系統。從20世紀的中葉開始，美國軍方就致力于研究用于軍事目的的衛星定位系統。直到上世紀70年代，GPS系統才初具規模。目前，GPS系統發展到包括3顆備用衛星在內的24顆人造衛星的定位網絡體系，按照一定的度數排列分布在距離地球地面約2萬公里的高空中。隨著人類向太空中發射的衛星數量的增加，以及人們對定位系統科技領域的不斷挖掘，GPS系統的發展越來越成熟，定位精度極大提高。例如：在最早的衛星定位開發系統中，定位精度能夠達到上百米，我們在茶葉種植區域內，可以看到茶園的大概分布以及茶葉種植區域的面積形狀等。而發展成熟后的GPS系統，能夠將這一定位范圍縮小到10米甚至更多，即可以分辨出茶園內縱橫的道路以及正在作用的采茶工人等。

1.2 GPS系統的工作原理

GPS系統的主要功能是對位置進行定位，實現的方式是通過地面上的手持設備與衛星之間的相互信息傳播，目的是確定手持設備所處位置。其中所測的位置信息包括，手持設備所處的經度、維度、海拔高度以及移動速度等。將手持GPS接受設備所在地區看作是一個立體空間，就可以構建一幅立體坐標系。其中，所處位置的經線看作是X軸，緯線看作是Y軸，海拔高度的方向是Z軸，移動過程中移動后量減去前量，即為移動的變量。則接受設備所處的位置即為（x,y,z），移動速度為ΔV，4個變量需要至少4顆GPS衛星的相互作用，才能得出具體的位置和變化數值。例如：手持GPS接受設備接受來自一顆衛星的導航電文信號，通過時間計算距離，得到關于以上4個未知數的一個等式。在4顆衛星發射導航電文的同時作用下，得到關于4個未知數的4個等式，經過計算，得出x,y,z以及ΔV的值，即為手持設備所處的地理位置和變化情況。

1.3 GPS系統的應用普及

GPS系統的開發目的源于軍用，目前最高分辨等級的定位仍然被美國軍方所掌控。但是民用部分已經對全球用戶開放，廣泛用于地理信息定位、測繪、導航等實際生活中。在許多中高端的汽車配置中，都應用了GPS的導航系統。汽車中的GPS系統應用集合了GPS的大部分功能。例如：當汽車駕駛員需要去到一個不熟悉的地址時，通過GPS的搜索，尋找目的地的坐標，然后與出發地之間建立起路徑的聯系，根據汽車的運動情況指引駕駛員到達目的地。其次，GPS系統可以實時計算汽車的運行數據，包括目前汽車所處的海拔高度、行駛速度，還可以根據運行時間、行駛里程等信息，輔助計算汽車的油耗、油量剩余行駛里程等數據。第三個GPS的功能就是應急救援。特別是在高檔的汽車當中，都具備與汽車經營商后臺進行互聯網互通的功能。當車輛在路上拋錨或者遇險的時刻，可以隨時隨地向汽車經銷商發送位置報告，達到及時救援的目的。

2 茶葉種植區域大氣環境監測的必要性研究

茶葉屬于天然生長的綠色植物，需要自然的光照、水文和大氣條件。空氣質量的狀況通過植物的光合作用和呼吸作用，直接影響茶樹的生長，影響茶葉質量安全。因此，對茶葉種植區域進行大氣環境監測十分有必要。

2.1 保障茶葉食品安全

包括茶樹在內的綠色植物的生長，離不開空氣。白天，茶樹在太陽的光照下進行光合作用，吸收大氣中的二氧化碳并釋放氧氣。夜晚，茶樹在呼吸作用下進行二氧化碳和氧氣的相反運作。無論是哪一種作用，茶樹都是直接從大氣中吸收空氣成分。空氣中的所有成分都可以直接依附在茶葉表面，甚至被茶葉直接吸收。在如今經常出現的霧霾天氣中，大氣中的PM2.5顆粒數量急劇上升。這些顆粒在大氣沉降的作用下，依附在茶葉表面。一方面，顆粒的存在阻隔了茶葉葉片對陽光的需求，以及必要的蒸騰作用，影響茶樹的生長；另一方面，顆粒中的有害物質被茶葉葉片吸收，在被加工制作成為茶葉成品后，增加了流向消費市場的風險和危機。有毒茶葉一旦被消費者所飲用，就會引起對人體健康的損害。因此，對大氣環境進行監測，是保障茶葉食品安全的必需。

2.2 預判茶葉生長狀況

大氣環境監測的主要功能就是對大氣環境中的污染物進行分析和監測。大氣中的污染物對茶葉存在直接的影響。通過監測過程，可以分析污染物的主要構成成分，以及對茶葉存在的影響方面，預判茶葉的生長情況，從而為尋找解決的突破口夯實基礎。茶葉種植區域正好處于煉鋼企業的下風向上，在季風的作用下，煉鋼企業排出的廢氣被帶到茶葉種植區域上方，經過大氣環境監測，發現廢氣中含有大量的重金屬元素，由此可以預判，該批茶葉可能會存在重金屬含量超標的問題，在采摘加工后應當著重加強對重金屬含量的檢測。經過檢測確實存在超標的情況，需要特殊手段的處理去除茶葉內所含的重金屬，達標者可以流入市場，仍然超標者應當立即廢棄。

2.3 研究茶葉種植區域氣候變化

對大氣環境的監測，可以幫助研究區域內的氣候變化。例如：茶葉種植區域內出現了重度污染天氣。通過監測可以分析得出重污染天氣的形成原因。除了有污染源的因素之外，當時的氣候條件應當是不具備污染物擴散的條件，才使得大量的污染物聚集，形成重污染天氣。氣候條件對于茶樹的生長雖然并不能立刻體現，但也應當引起茶園管理者的重視，在濕度較大的污染天氣，可以適當減少茶樹的灌溉次數和頻率，在重污染天氣結束后，立即采取噴洗等措施對茶樹葉片進行處理。

3 GPS技術構建茶葉種植區域大氣環境監測系統的應用

對茶葉種植區域的大氣環境監測，應當有相應的制度、方法、標準以及應對治理預案等。這些因素集合成為大氣環境監測系統。利用GPS系統的定位功能，使監測系統的應用更加方便。

3.1 測定茶葉種植區域大氣環境基礎數據

研究茶葉種植區域的大氣環境監測，應當首先對茶葉區域進行精準定位，再開展研究。例如：對茶園所處的經緯度位置在地圖上準確標出，同時按照冬季風和夏季風風向的不同，查找上風向上可能存在的污染源。這就應用到GPS的另一項功能，即根據分析和判斷，在地圖上定位污染的發生地。針對污染制造企業，不但可以監視和記錄其污染活動和污染信息，還可以分析企業的污染類型，污染程度和風險等級，為茶樹的成長提供預判。當茶葉種植區域內有多個大氣環境污染物和污染源時，GPS可以同時追蹤多個標的物，在茶葉種植區域標出污染物類型及來源，按照動態分布圖的形式呈現在茶園工程師或者環境保護部門面前，方便監控和管理。

3.2 管理大氣環境監測設備運行

大氣環境監測需要運用一定的設備和手段。在茶葉種植區域，往往地形比較空曠，而且地域面積較大，需要GPS的介入輔助管理監測設備的運行。在許多大氣環境監測中已經投入了無人機的使用，來代替人工收集大氣環境質量數據。無人機的控制需要GPS的幫助進行實時定位，在地面指揮人員的指令下，按照GPS給定的坐標方位，進行有目的性的飛行和收集作業。

3.3 調度大氣環境污染事件應急處理

GPS系統可以參與茶葉種植區域大氣污染緊急事件的處理。在茶葉種植區域突發降下酸性較大的酸雨，其不但對茶樹有較大的損失，對茶園土壤的污染影響也較為深遠，對以后茶樹等作物的生長產生了不利因素。當事件發生后，借助GPS的分析，首先測定酸雨的降落范圍，了解受害面積和范圍，掌握基礎數據。其次，根據周邊的數據分析，查找定位污染源。環保部門根據對污染源的調查分析出酸雨的主要危害物后，方便對癥下藥，尋找解決的措施和治理方式。加入需要向土壤中播撒堿性物質來中和酸性危害，則需要GPS為無人機等飛行機器導航和明確噴灑范圍。

4 結論

GPS的出現，將人類的活動范圍從地球延伸到了太空。借助人造衛星的力量，人類可以對地面上的坐標和活動信息進行精確定位。對茶葉種植區域大氣環境的監測關系茶葉的產品質量安全、茶樹的成長趨勢以及區域內的氣候變化情況。大氣環境監測系統的建立勢在必行。借助于GPS的力量，大氣環境監測系統可以對茶葉種植區域的大氣環境信息進行基礎收集，管理監測設備的運行，并且為大氣污染事件提供緊急應對處理方法。

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廊坊市科技支撐計劃項目（2016011009）；河北省高等教育教學改革研究與實踐項目（2016GJJG329）

李麗芬（1982-），女，河北平泉人，副教授，碩士，研究方向：嵌入式系統設計。云彩霞（1981-），女，吉林九臺人，副教授，碩士，研究方向：無線通信計算機應用。陳曉芳（1984-），女，湖北枝江人，講師，碩士，研究方向：控制理論與控制工程。