測繪技術在農業生產中的演變

土地測繪利用是人類最古老的科學之一。我國古代水利、農業、天文十分發達，早在公元前2000年，夏禹治理黃河洪水時，就用到規矩、準繩；秦漢之后，羅盤等測繪工具和測繪技術不斷發展，尤其是遙感技術的發展，節省了大量的人力、物力，測繪結果也更加準確。

一、我國古代的測繪技術

我國有記載的測繪技術，最早可以追溯到夏禹治水時期，《史記》記載，大禹“左準繩，右規矩，載四時，以開九州、通九道、陂九澤、度九山”。周朝、秦朝時，國家設置了專門的官吏來管理土地測繪圖籍。隨著司南（羅盤）、紙張、印刷的出現，測繪技術有了顯著的發展。西漢時期出現了記道車，《西京雜記》記載：“漢朝輿駕祠甘泉汾陰，備千乘萬騎……記道車駕四，中道。”東漢時期，在記道車的基礎上，利用齒輪咬合原理研制了記里鼓車。西晉著名地圖學家裴秀主持編制了具有劃時代意義的《禹貢地域圖》18幅，是世界上最早的制圖方法論的提綱。該書首次明確建立了中國古代地圖的繪制理論——“制圖六體”，就是繪制地圖時必須遵守的六項原則，即分率（比例尺）、準望（方位）、道里（距離）、高下（地勢起伏）、方邪（傾斜角度）、迂直（河流、道路的曲直）。

二、 現代的測繪技術

（一）經緯儀等實地勘測技術

我國現代最早介紹測繪的是竺可楨先生于1935年在《地理學報》上發表的使用不同的測量方法——沸點高度表、空盒氣壓表測量泰山與峨眉山高度差異。1952年褚紹唐介紹了簡單的土地測繪，即利用汽車里程表測量里程，利用太陽的位置辨別南北方向。1955年，在蘇聯專家的幫助下，我國開始使用經緯儀、平臺儀測量村莊的平地，隨后，出現了依賴飛機和特殊照相機的航空測量，提高了測繪的速度。王之卓介紹了航空測量中開始自動化和電子化，并論述了電動傳遞、自動描繪的全能儀、數字計算機等在測繪中的應用。1975年，原鐵道部第三設計院研制成功了無標尺測距儀，采用盲距分劃極和同步異向雙光契測微計，解決了近距離觀測及測角偏心差，提高了勘測精度及工作效率；同年，常州市第二電子儀器廠研制的激光地形測繪儀可以代替經緯儀人工立標尺的視距測量法，實現了無人立標測繪，激光地形測繪儀由激光發射器、激光接收器、計數器和經緯儀等組配而成。

（二） GPS等遙感技術

遙感監測技術在土地測繪制圖方面具有巨大優勢。

1.全球定位系統（GPS）。隨著傳感器、電子和計算機處理能力的飛速發展，GPS能夠廣泛用于農田測繪和農田自動化作業。從1973年開始研發并于1978年發射首批4顆衛星的NAVSTAR GPS衛星星座，它不僅為軍方提供復雜的導航和定時能力，而且在農業等領域發揮了極大的作用。GPS是一種基于衛星的無線電導航系統，能夠提供精確的全球范圍內24 h三維分配數據（緯度、經度、海拔）。GPS至少有24顆衛星繞地球運行，同時，GPS設備生產企業專門設計了附屬工具以便在精準農業活動中提高生產力和效率，例如，用于繪制農田邊界、道路、灌溉系統以及監測雜草和病害等作物問題。Sun等研究者能夠使用蔬菜作物移栽機（裝有實時動態GPS接收器、實時數據記錄儀等）用于田間作物的移栽。Pandey等研究者利用GPS，通過手機操作系統從事肥料、農藥噴灑等精準農業活動。Dai等研究者認為利用GPS技術進行土地確權，既能提高工作效率，加快建設速度，又能降低運營成本。Reddy等研究者認為地理空間技術包括遙感、攝影測量、制圖、地理信息系統（GIS）、GPS和信息技術（IT），地理空間技術的一些應用包括數字地形建模、地貌制圖、土壤資源清查與制圖、土地利用制圖、農田制圖與監測、干旱評估與監測、土壤侵蝕評估、土地退化制圖與評估、水資源管理、流域管理、農業用地規劃等。

2.北斗衛星導航系統（BDS）。BDS是中國獨立研發的全球衛星導航系統，尤其注重中國及其周邊地區的服務。北斗系統具有GPS的所有優點，能夠為用戶提供類似甚至更好的精度和穩定性，北斗衛星定軌的徑向精度優于10 cm，可與GPS相媲美。中國在中緯度地區，采用后處理模式，北斗系統水平分量精度可達1 mm，垂直分量精度可為2～3 mm，除了完成正常的定位、導航和授時功能，BDS還提供特色業務，例如，基于地球靜止軌道（GEO）的特色服務——區域短報文通信業務（RSMCS）、無線電確定衛星業務（RDSS）、北斗衛星增強業務（BDSBAS）等；基于中地球軌道（MEO）衛星的特色業務——全球短報文通信服務（GSMCS）和MEO衛星搜索與救援服務。孫樹芳等研究者介紹了我國目前使用的4種坐標系——中國大地坐標系、世界大地坐標系、獨立坐標系及地方城市坐標系，并詳細說明了如何處理北斗衛星導航系統在土地測繪過程中接收信號，并認為北斗衛星導航系統能夠保證土地測繪的精準性，其在地理測繪中的使用具有良好的實用性效果。張文葉等研究者在農機自動駕駛領域引入北斗導航，依托北斗導航對農機自動駕駛系統進行設計，借助北斗導航高精度定位信息，通過控制器對農機實施控制，促使農機按照既定路線完成自動駕駛，可以滿足農機對于預定路徑精細化跟蹤的要求。王一帆等研究者比較了GPS與北斗在土地面積測量中的精準度，結果發現，GPS與北斗系統在測量學校操場外圈跑道所圍區域時，最低誤差分別為1.026%、1.048%，最高誤差分別為4.679%、4.928%；測量內圈跑道所圍區域時，最低誤差分別為1.068%、1.106%，最高誤差分別為4.92%、4.793%。

3.無人機（UAV）。UAV即無人駕駛飛行器，是一種自主飛行的小型飛機，無人機的機身通常由堅固、輕便的復合材料制成，機身大多相對較小，此外有一個專門的軟件在地面控制平臺的計算機上運行，便于用戶監控和發送控制信息，遠程控制無人機的狀態和行動。自動駕駛軟件將操作員輸入和傳感器反饋信息相結合，直接控制無人機。無人機分為固定翼、撲翼、旋翼、傾轉旋翼、導管風扇、直升機、撲翼機等9種類型。由于微機電系統傳感器、微處理器、高能鋰聚合物電池以及更高效、更緊湊的執行器等組件的進步，無人機發展迅速。目前，在精準農業應用中使用無人機的研究數量呈指數級增長，無人機已經廣泛用于農業測繪、農藥噴灑等領域。無人機測繪的優勢是高效便捷、數據直觀清晰；缺點是安全性有待提高，在獲取數據時容易受到天氣、云層、光線等條件的影響，行業技術壁壘需提高。精準農業中，無人機遙感的探測工具有紅綠藍相機、多光譜攝像機、高光譜攝像機、熱成像儀。迪拜使用無人機飛行了6個月，使用RGB和近紅外波段收集數據，繪制整個酋長國的農業區域地圖，創建一個準確的農業數據庫，有助于確定適合作物生長的地區。杜蒙蒙等研究者通過在多旋翼無人機測繪平臺上搭載激光測距模塊與后處理動態差分全球定位系統設備（PPK-GPS），獲取激光測距序列、PPK-GPS三維定位數據以及無人機的飛行姿態數據，結果發現，該無人機農田地形測繪系統具有較高的測繪精度，并認為該無人機農田地形測繪系統具有自動化程度高、作業效率高等優點。Christiansen等研究者使用無人機和制圖系統，繪制了海拔6 m、行距0.12 m的冬小麥圖；通過對激光雷達數據進行紋理分析，能夠預估單個作物地塊的土壤表面和植物總體積。Koganti等研究者在無人機上搭載3種不同相機（可見光、多光譜和熱紅外）和探地雷達（GPR），通過比較其收集的圖像，提高地下排水制圖的精確性，結果發現，相機成像與探地雷達在地下排水系統的觀測中具有互補性，建議組合使用。Chen等研究者建立了基于高光譜成像的土壤Ni、Cu、Zn、Cr、Pb、As、Cd和Hg濃度預測模型，與傳統的土壤監測相比，該模型能夠有效節省時間和成本，并且有利于后續調查和修復工作。

三、結語

農業測繪技術從夏禹時期簡單的規矩、準繩，逐漸發展為現代的北斗、無人機測繪，測繪的方法逐漸多樣化，功能應用也越來越多。隨著各種接收器、數據處理技術的進步，農業測繪越來越朝向簡單化、無人化、自動化方向發展。

作者簡介：楊海濤（1975—），男，山東濰坊人，碩士，高級工程師，主要從事自然資源和規劃、農業推廣相關工作。

通信作者：劉娜（1979—），女，山東濰坊人，本科，高級工程師。

基金項目：江蘇農林職業技術學院青年扶持項目（2022 kj17）。

（責任編輯" "張夢納）