基于3S 技術高精度自動化灌溉系統信息化平臺設計

柳智鑫　王曉娟

摘 要：運用3S技術和計算機控制系統，實時獲取農用小區作物生長實際需求的信息，同時結合試驗田的土壤和作物的水分數據，通過信息處理與分析，按需給作物進行施水的技術。應用GPS定位功能，在控制平臺上還能精確的顯示出每個灌溉設備的工作狀態，是否做好了作業的準備。同時，利用傳感器技術把灌溉設備的工作數據實時的傳送到數據平臺，為工作人員的維修提供數據支持。

關鍵詞：3S 噴灌系統 信息化

Design of Information Platform for High-precision Automatic Irrigation System Based on 3S Technology

Liu Zhixin，Wang Xiaojuan

Abstract：Through information processing and analysis， the article studies the use of 3S technology and computer control system to obtain real-time information on the actual needs of crop growth in agricultural plots， combining with the soil and crop moisture data in the test field， the technology of watering crops on demand. Using GPS positioning function， the control platform can also accurately display the working status of each irrigation equipment and whether it is ready for operation. At the same time， sensor technology is used to transmit the working data of irrigation equipment to the data platform in real time to provide data support for the maintenance of the staff.

Key words：3S sprinkler irrigation system， informatization

隨著我國城鎮化速度的加快，越來越多的農村人口涌入城市，農村中的剩余勞動力變少，這就要求我國加快農業的現代化水平。本課題針對我國的北方地區普遍所采用手動開關控制的噴灌設備，其控制核心為低壓電氣觸點開關。它的缺點為控制的精度和準確度不高，設備在行走過程中軌道過寬，而且容易出現控制失靈的等問題如：多個行走電機速度不同就會導致設備翻車、對農作物造成碾壓損害，還會導致噴灌水量的不均勻，從而導致農作物產量低、質量差，噴灌設備易損壞維修費用高等。如何實現高精度自動噴灌成為農業自動化的一個難題。針對此難題本課題采用3S技術的精細灌溉技術。運用全球衛星定位系統（GPS）和地理信息系統（GIS），遙感技術（RS）和計算機控制系統，實時獲取農用小區作物生長實際需求的信息，通過信息處理與分析，按需給作物進行施水的技術，可以最大限度提高水資源的利用率和土地的產業率。利用PLC和變頻技術為核心的自動化控制系統能夠實時響應信息化平臺發出的指令，高效率、高精度的完成噴灌任務。

1 3S技術

3S技術是結合空間、傳感器、衛星定位與導航、計算機等多學科技術集成的對地球表面的空間信息進行采集、處理、管理、分析、表達、傳播和應用的現代信息技術[1]。在現今科技水平飛躍發展的時代，我國的傳統農業的弊端已經顯露，人均占有耕地面積減少、水土流失嚴重、水體污染等問題制約著我國農業及其經濟水平的發展[1]。而結合3S技術的精準農業廣泛地運用到現代農業。本文將介紹利用3S技術在高精度自動化灌溉系統中信息化平臺設計。

2 遙感（RS）在高精度自動化灌溉系統中信息化平臺設計應用

2.1 RS

遙感（RS）。即遙遠的感知，是運用在不同平臺上的傳感器對遠距離目標或自然現象進行探測，利用不同地物的反射率不同的特性來獲取地表信息[2]。

2.2 RS在作物長勢監測與作物估產中的應用

作物長勢監測與作物估產即利用遙感技術對作物生長情況、趨勢進行觀測，以此估計作物量與品質[2]。目前作物長勢監測最常見的就是運用NDVI、新發展的EVI指數等來估算生物量、作物產量等反映作物生長特征因子的直接觀測法。

2.3 RS 在農業旱情監控的應用

在干旱監測中，針對遙感數據不同波段構建土壤水分指數運用廣泛。如通過地表溫度LST和NDVI指數之間的關系，建立溫度植被干旱指數TVDI干旱監測模型，并且進行干旱等級劃分，并對內蒙古地區進行旱情監測[5]。旱情監控為較為典型的一種農業災害應用，除此以外在應對洪澇、冷凍等災害也常利用遙感技術監測。光學遙感數據如TM和SPOT等，一般可對農業受損進行評估[6]。利用作物關鍵生育時期的Landsat8OLI高清影像進行監督分類，提取作物種植面積分布。

2.4 遙感技術在精準化灌溉的應用

精準化施肥與灌溉是可以幫助農業技術人員精準施肥、灌溉，獲取最大收益。如將 GeoEye-1高分辨率遙感影像數據與氮肥優化算法（NFOA）相結合，開展了冬小麥氮肥推薦應用研究[9]。宋文龍等基于GF-1較高空間分辨率衛星數據，通過光譜匹配方法像元尺度用，并引入OTSU自適應閾值算法，構建了高分辨率灌溉面積遙感。

3 地理信息系統（GIS）在精準灌溉系統的應用

3.1 GIS

GIS是在計算機硬件與軟件的支持下，運用系統工程和信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內涵的地理數據，以提供對規劃、管理、決策和研究所需信息的空間系統[11]。

3.2 GIS在灌溉系統資源信息管理中的應用

GIS 能將人們從事農業生產或相關農業經濟活動所利用的各種資源緊密聯系并使各自都發揮出最大作用。建立的基本農田灌溉數據庫管理系統[12]與寧方志建立的土地利用現狀調查管理系統[13]都屬于利用GIS的空間管理優勢將自然資源聯系管理。

3.3 GIS在農業災害防治中的應用

GIS通過提取各個威脅因子實現對災害區的孕災條件信息量化，可以進行災情預警、災害程度與損失狀況評估等應用，以及時減少人民財產損失。如楊志捷等利春小麥抽穗至成熟期間氣象觀測資料、春小麥品種試驗的發育期觀測資料以及春小麥播種面積、產量和單產資料等，利用GIS技術開展內蒙古春小麥干熱風風險精細化區劃與評估[14]。

GIS在病蟲災害主要作用包括探尋分析病蟲成因與規律、評估災害發生時適宜因子、預測災害演變趨勢，從而建立農業自然災害科學數據庫和農業自然災害信息系統[11]。我國已成功將GIS應用到了棉蚜蟲、松毛蟲等害蟲防治工作上。如蔣杰賢等運用地統計學方法GIS分析了桃樹桃蚜和草間鉆頭蛛種群的空間結構，并模擬了其種群空間分布格局[15]與周文杰等建立的棉蚜蟲害監測預警系統[16]。

4 全球導航衛星系統（GNSS）在精準農業中的應用

隨著中國自主研發的北斗衛星導航系統（BDS）建設發展，美國全球定位系統（GPS）不再是GNSS的代名詞。但現目前GPS仍是運用最廣泛的衛星導航系統。

4.1 GPS

GPS是由美國國防部研制建立的一種具有全方位、全天候、全時段、高精度的衛星導航系統，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時等導航信息[1]。

4.2 GPS 在智能農業機械作業中的應用

智能化農業動態定位根據管理信息系統發出的指令，實現田間耕作、施肥、灌溉、噴藥等精確定位操作[17]。現國內的研究基于前人的基礎更加深入，如魏少東為解決單一的導航系統不能滿足現在化農業機械的導航定位的精度要求，將GPS技術與慣性導航組合導航系統，研究了一套果園機械自動導航控制系統實現果園機械自動化作業[17]。

4.3 GPS 在農田信息采集中的應用

GPS的準確定位功能為農業技術人員統計各個地理位置的農作物狀態提供了便捷。近些年已有不少學者針對農作物生長狀況進行數據采集研究。如陳宏等研制的基于GPS 的農田信息采集系統既能實現農田信息的準確采集，還可以在手機客戶端進行實時監測，又能實現采集地點的實時定位功能[18]。對提高農作物產量，降低勞動力成本具有重要意義。

5 結語

在全面建成小康社會的緊要關頭，為了滿足經濟與人類發展需求，必須促進農業的持續發展，精準農業技術的出現協調了矛盾。精準農業是3S技術與自動化技術的綜合應用，結合田間最小單元的具體條件，最優化配置耕地資源與勞動力投入，定量化精準田間管理，以提高農作物產量與質量、降低生產成本，減小農業活動為周邊環境帶來的污染及其他不利影響。精準農業的施行將我國農業發展代入一個新的臺階，不僅極大地提高了農業生產力，也在自然資源、環境、農業生產、農業管理等方面具有重要作用與意義。

內蒙古自治區高等學校科學研究項目，編號：NJZC17476;內蒙古自治區高等學校科學研究項目，編號：NJZY17475。

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