GNSS平地機研究現狀及趨勢展望＊

陳 正 ， 莊衛東

（黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163000）

0 引言

精細平整的水田可以保證農田水層深淺一致，節省農業用水；可以提高農藥、化肥和除草劑的使用效率，減少農藥、化肥和除草劑的使用量，促進農業可持續發展[1]。水稻生產過程中，水田精細平地技術是保證水稻高產、穩產的重要措施，在水稻生產中運用水田平地技術對于節約灌溉用水、抑制雜草生長、提高水稻產量、減少生產成本等具有重要的社會意義和應用前景[2]。

土地平整方法通常分為常規平地和精細平地兩種。常規平地主要采用推土機、鏟運機和刮平機在地面起伏大、平整度較差的田面粗平，平整精度較低，平整后的土地仍不能滿足灌溉要求。

激光平地機的組成部分含激光發射器和接收器、控制器和電控液壓系統。工作時激光發射器發射激光束，把平地鏟放在地面的標高位置上，調整激光接收器的高度，使刮土鏟刃到接收器的高度與激光平面到地面的高度相等，接收器檢測到激光信號后不停地給控制器發送高度差的信號，控制器通過分析處理后，發出電信號控制相應電磁換向閥開啟，控制液壓系統油缸的進油、回油，實現刮土鏟升降。當平地鏟高度大于平整設定高度時，接收器發送高度差信號給控制器，使控制器通過液壓系統控制平地鏟下降至設定高度，平地鏟下降，當平地鏟的高度小于平整設定高度時，控制器通過液壓系統控制平地鏟抬升，從而鏟刀在凸處推移的土壤進行卸載，填埋洼地，完成土地平整工作。激光平地機的平地精確程度與人工操作平地的精確程度成倍數關系，前者是后者的10倍～50倍[3]。激光平地機工作時對環境條件要求較高，在強光大風等天氣影響下難以正常工作，適用的工作范圍小，不適合平整大面積、坡度大的土地。

GNSS平地控制設備工作流程如下：在作業區域設立基站，將發送RTK差分信號的天線置于三角架上，由安裝在拖拉機上的天線即GNSS移動站實時接受信息。再通過軟件對接收到的信號進行解譯，得到高程、姿態角和經緯度信息等，將控制信號傳遞給控制器，通過電磁換向閥的通電和斷電，使液壓油缸上下動作，調節平地鏟姿態來進行平地工作。

GNSS精細平地技術對比激光控制平地技術特點突出，優勢明顯：工作范圍廣、定位精度可達到厘米級別、工作室不易受環境因素制約，在發達國家已經有一定程度的推廣應用，對比其他發達國家，我國在相關研究上啟動較晚，與之有一定的差距。同時由于早期GNSS設備的價格居高不下，也成為制約GNSS平地技術大規模推廣的主要因素之一。

隨著中國BD2代衛星導航系統的全面建成及設備價格的逐步降低，精度更高、效率更高且符合我國農業生產要求的GNSS精細平地控制系統必將實現大規模的推廣應用[4]。

1 國外研究現狀

20世紀80年代初，發達國家開始加大關注農業中的生產效率，通過解決農業生產力與資源環境的協調問題，實現提高農產品競爭力和減輕污染環境等目標，以應對全球糧食危機[5]。由于GNSS技術向民間領域逐步開放，且隨著電子信息技術和設備的快速發展，GNSS技術與農機裝備和農學農藝的結合愈發緊密，推動了精準農業的發展。

2005—2007年，部分發達國家開展了將GNSS技術應用于農田平整作業的研究。目前GNSS平地控制系統水平最高的外國設備生產商以美國天寶（Trimble）公司、日本拓普康（Topcon）公司為代表。其生產的Trimble FieldLevelⅡ、Topcon System 310等系統在實際生產中得到了良好應用。

圖1所示為美國天寶公司開發的Trimble FieldLevel II平地控制系統，采用載波相位差分進行定位，采集農田地形信息完成地形測量工作。根據配套的決策支持軟件生成農田地形圖、挖填土方，GNSS精平機平地鏟姿態調整技術研究大量信息，向用戶提供合理的土地平整方案，通過閥控模塊驅動液壓系統完成土地精細平整工作。

在國外GNSS精細平地技術的應用時間長，技術發展成熟，由于其作業精度高，作業區域廣，受天氣、環境等因素影響小，且能結合其他相關設備提高農田作業信息化和自動化程度，對比激光平地技術優勢明顯，已有較大的使用面積。

圖1 Trimble FieldLevel II平地控制系統

2 國內研究現狀

農業作為我國的基礎行業，一直受到政府和全國人民的高度重視。引進國外先進技術并將其應用于我國的農業生產中，是推進農業生產信息化和現代化的重要舉措；同時GNSS平地技術在國外的廣泛應用，證明該技術具有較高的推廣價值，在國家的政策引導和支持下，從2007年開始，我國的科研工作者依托于各科研單位，陸續開展了GNSS平地控制系統的相關研究，以期自主研發出符合我國農業生產要求的配套設備，以滿足我國廣大農民的迫切需求。

2009年，中國農業大學進行了基于RTK（載波相位差分）技術結合GNSS相關的精細平地技術研究，設計了一套能對地塊進行測量，并且能實現對土地平整的平地控制系統。平整度在20cm左右。

在2010年，華南農業大學趙祚喜等以GNSS控制技術為基礎研發了土地平整系統。該系統的工作原理為以車載計算機為上位機和GNSS接收機為下位機，并將上位機決策和下位機控制相結合來獲取農田三維地形位置數據。實驗結果表明，平地精度可以控制在7cm～8cm，滿足精準平地工作的精度要求[6]。

2015年華南農業大學工程學院進行了基于GNSS技術的自動平地控制系統的相關試驗，針對高程數據采用了一種算法（限幅加權遞推平均濾波算法），采用PD控制算法控制平地鏟運動，土地表面相對高度的標準偏差值下降約10cm[7]。

2017年，中國農業大學提出一種GNSS定位數據分析處理方法。將基于聯合濾波算法的處理方法應用于農田定位，對比試驗得出結論：高程定位精度明顯提高，平地工作中，GNSS定位實際高度波動范圍縮小20%[8-9]。

GNSS精細平地技術在我國起步較晚，但隨著科研工作者的不斷努力，GNSS精細平地技術在國家政策扶持正蓬勃發展。同時隨著BD2代衛星導航定位系統的不斷發展，設備價格方面的制約逐漸減少，國內的諸多生產廠商也將目光投入到GNSS精細平地技術上，在多方的共同努力下，GNSS平地機的使用規模會進一步擴大。

3 發展趨勢與展望

3.1 發展趨勢

GNSS精細平地技術對比激光精細平地技術優點明顯，易于進行大規模農田作業。GNSS平地機的發展趨勢如下：

3.1.1 通過對自動控制部分的優化提高平地機作業精度

目前，GNSS平地控制系統的基本結構已經趨于成熟，在機件結構和液壓系統組成上無革新性改變，國內外各大廠家生產的設備在性能上無明顯差異，所以要提高GNSS平地機在實際農業生產中的作業精度，要從系統的自動控制部分入手，對控制算法進行優化，也可以通過與陀螺儀等設備結合，獲取平地機工作時姿態角信息，結合高程信息進行運算，以保證平地機在實際工作中的穩定性和作業精度。

3.1.2 發展GNSS平地機外延功能，提升GNSS平地機性價比

隨著GNSS技術的不斷發展和我國自主研發的BD2代衛星導航系統的不斷完善，GNSS設備價格進一步降低，GNSS設備在我國的推廣規模進一步增大，規模較大的農場拖拉機基本都配備有GNSS接收機等設備。這為GNSS精細平地技術的推廣打下了堅實的基礎。但目前RTK-GNSS接收機的價格對于廣大農民來說，還無法達到全面普及的程度，所以發展平地機如地形測量、信息監測等外延功能，完善相關配套設施，提高GNSS平地機的性價比，是實現GNSS精細平地技術大規模推廣的關鍵，也是科研人員要為之努力的方向，能實現一機多用，讓這項技術能從農場應用到農村，讓農業發展真正造福到農民。

3.2 展望

GNSS技術在農業領域中已有了廣泛應用，比如監測農作物產量，作業路徑規劃等，能有效節約勞動成本，提高效益。如果能將多種功能結合到一起，例如在平地作業期間實現自動導航功能，就能進一步提高勞動生產率，為農民帶來更大的效益。

GNSS精細平地技術對比常規平地和激光平地技術具有明顯的優勢，因此提高平地機的工作性能，通過自主研發設備降低平地機價格，是推廣這項技術的重點發展方向。目前GNSS技術發展迅速，與精準農業領域的結合也更加多元化。在國家的政策支持下，各高校和科研機構向相關領域輸送更多的人才，也正促進著符合我國的GNSS精細平地技術的不斷發展。