基于GPS精准农业的探讨
摘要：本文通过对GPS和精准农业的简单概述，并分析了精准农业发展历程和我国当前所面临的问题，探讨了GPS在土壤养分分布调查，监测作物产量，精准施肥，灌溉，喷药除病虫和机械耕作中的应用，同时也概述了GPS在精准农业应用上的发展趋势，并提出了一些展望。
关键词：GPS；精准农业；土壤养分分布调查；监测作物产量；精准施肥灌溉
Abstract：Based on GPS and a brief overview of precision agriculture, and analyzes the precision agriculture development and the current problems facing, this paper discusses the GPS in soil nutrient distribution investigation, monitoring crop yield, precise fertilization, irrigation, spray in addition to disease and insect and mechanical work, and at the same time, the application of GPS is reviewed in precision agriculture application development trend, and puts forward some prospects.
Keys: GPS; precision agriculture; soil nutrient distribution investigation; Monitoring crop yield; Precise fertilization irrigation
随着科技的发展和农业生产市场化程度的提高，农业生产中降低成本，提高产出率，发展优质高效农业以及农业可持续发展等方面的要求，迫切呼唤新型农业的出现。基于这种想法，美国率先突出了精准农业构想，以智能化监控技术以及农业专家系统共同构成了精准农业早期技术基础。随后，美国将GPS技术应用到农业生产领域，标志着精准农业技术体系的初步形成。
1 GPS简介
1.1 GPS定义
即全球定位系统（Global Positioning System）。简单地说，这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。
全球定位系统(GPS)是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。
GPS全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分———GPS星座；地面控制部分———地面监控系统；用户设备部分———GPS 信号接收机。
GPS由空间部分，地面控制部分和用户操作部分三部分组成。
1.2.1空间部分
GPS的空间部分是由24 颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55°。此外,还有4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS 卫星产生两组电码, 一组称为C/ A 码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为P 码(Procise Code 10123MHz) ,P 码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。
1.2.2 地面控制部分
地面控制部分由一个主控站,5 个全球监测站和3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS 卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。
1.2.3 用户设备部分
用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。
1.3 GPS特点
1.3.1、定位精度高
应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7，1000KM可达10-9。在300-1500M工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。
1.3.2观测时间短
随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。
1.3.3测站间无须通视
GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。
1.3.4可提供三维坐标
经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。
1.3.5操作简便
随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。
1.3.6全天候作业
目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。
1.3.7功能多、应用广
GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。GPS系统的应用前景当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和
2. 精准农业概述
精准农业(Precision Agricultural)，也叫精细农业或精确农业，是20世纪80年代初国际农业领域发展起来的一门跨学科新兴综合的以获得农田高产、优质、高效的现代农业生产模式和技术体系。是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。 精准农业由十个系统组成，即全球定位系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、农业专家系统、智能化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统。其核心是建立一个完善的农田地理信息系统（GIS），可以说是信息技术与农业生产全面结合的一种新型农业。精准农业并不过分强调高产，而主要强调效益。它将农业带入数字和信息时代.
3. GPS在精准农业的主要应用
3.1 土壤养分分布调查
在播种之前，可用一种适用于在农田中运行的采样车辆按一定的要求在农田中采集土壤样品。车辆上配置有 GPS接收机和计算机，计算机中配置地理信息系统软件。采集样品时，GPS接收机把样品采集点的位置精确地测定出来，将其输入计算机，计算机依据地理信息系统将采样点标定，绘出 一幅土壤样品点位分布图。
3.2 监测作物产量
在联合收割机上配置计算机、产量监视器和GPS接收机，就构成了作物产量监视系统。对不同的农作物需配备不同的监视器。例如监视玉米产量的监视器，当收割玉米时，监视器记录下玉米所接穗数和产量，同时GPS接收机记录下收割该株玉米所处位置，通过计算机最终绘制出一幅关于每块土地产量的产量分布图。通过和土壤养分含量分布图的综合分析，可以找出影响作物产量的相关因素，从而进行具体的田间施肥等管理工作。
3.3 GPS与农田管理
在作物生长期的管理中，利用遥感图象并结合GPS可绘出作物色彩变化图。利用GPS定位采集一定数量的土壤及作物样品进行分析，可以绘制出作物生长的不同时期的土壤含量的系列分布图。这样可以做到精确地对作物生长进行管理。
利用飞机进行播种、施肥、除草等工作，作业费用昂贵。合理地布设航线和准确地引导飞机，将大大节省飞机作业的费用。据国外介绍，利用差分GPS对飞机精密导航，估计会使投资降低50%。具体应用中，利用GPS差分定位技术可以使飞机在喷洒化肥和除草剂时减少横向重叠，节省化肥和除草剂用量，避免过多的用量影响农作物生长。还可以减少转弯重叠， 避免浪费，节省资源。对于在夜间喷施，更有其优越性。因为夜间蒸发和漂移损失小，另外夜间植物气孔是张开的，更容易吸收除草剂和肥料，提高除草和施肥效率。依靠差分GPS进行精密导航， 引导农机具进行夜间喷施和田间作业，可以节省大量的农药和化肥。
GPS技术在农业领域中的应用不仅是大面积种植，在小面积的农田，特别是在格网种植的小面积内，应用小型自动化设备，配合差分GPS导航设备、电子监测和控制电路，能够适应 科学种田的需要，作到精确管理。这种投资较低、安装方便、操作灵活。
4 存在问题
我国对精准农业理论和实践上掌握的不够，了解相关知识的人在不多，且我国农业高分 散和高强度的开发，农业面积大，各地区发展水平，状况不同。主要问题主要表现在农业生产设施水平不够高，农业生产操作偏向传统化，其次为农民对精准农业的认识不够，掌握专业性知识的专家缺乏实践应用的机会。因此需要国家投入大量的资金来鼓励和培养懂科学的人才，让农业的产量和效率大大提高。
5 展望
我国是世界农业大国,人口多耕地少的基本国情决定了解决粮食问题的根本出路在于发展现代精准农业 。无容置疑 ,精准农业技术必将成为新世纪农业高新技术的热门课题 。我国连续几年中央 “一号文件 ”的发布 ,对于改变传统落后的农业生产方式 ,大力发展现代精准农业技术 ,实现农业产业化而言是一个有力的契机 。应当抓住这个难得的机遇 , 以先进科技为支撑 ,大力发展现代精准农业。
相信在不久的将来，GPS可以在农业中发挥更大的作用。由电脑控制的安装有GPS的大型拖拉机能自动驾驶作业,无需人工操作,而且耕地质量高。同时也可以加强GPS的使用就能更好的监测农作物的生长情况，使农场能因地制宜的种植作物。在对品种资源的野外考察和引种研究中,利用GPS技术可以准确定位野生群落和引种区的经纬度和高度,结合GIS技术可计算出区域的面积,查询到该区域的气候条件掌握当地生态环境的状况。只有将3S技术和其他技术体系相结合,精准农业才能够有更好的发展起来
参考文献：
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[2]徐绍铨 ,张华海 ,杨志强,等. GPS测量原理及应用 [M ]. 武汉:武汉大学
[3]卢建刚,过静君 GPS在精细农业中应用的研究 [J ].工程勘查 , 2002(1):50-52.
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