GPS系统在精准农业中的应用

    GPS系统在精确农业实施过程中异常重要。它一方面将农田各种信息给予精确定位，输入GIS（地理信息系统），另一方面也是农机作业轨迹的依据。上一期我们以测亩仪为例，向读者介绍了测量农田面积的农用GPS的使用要点和注意事项，本期将着重介绍GPS在车辆及机具导航、平地、精确播种、喷药、撒肥、数据管理以及作物活力检测和变量控制等领域的应用。

    差分GPS

    使用普通GPS进行定位导航有2D和3D之分，在卫星信号不够时，就无法提供3D导航服务。另外，GPS的定位有误差，只能进行米级定位，这在测量面积等普通作业时往往无伤大雅，但要实现分米级别甚至厘米级别的精确定位，应用于拖拉机、联合收获机等车辆、机具的辅助驾驶或无人驾驶时，就力有未逮了。这些误差是哪里来的呢？大气条件、卫星状况、云层厚度等很多因素都会对GPS的精度造成影响。因此，为了得到更高的定位精度和定位速度，我们通常采用差分GPS技术，即将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。

    目前，我国农业机械化发展实现了全面跨越，已经迈入中级阶段，许多农民对于农机的要求也已经由“用得上”转变为“用得好”。特别是随着农机合作组织、农机大户的蓬勃发展和农村土地流转的深入实施，适合大田块作业的大型、先进农业机械的需求量与日俱增。农业机械在安装GPS卫星定位和自动导航系统后，在差分GPS的定位下，可对农机田间行走作业实现精确引导，使机组作业不重不漏，大幅度提高农机作业质量、土地利用率、机车作业效率和时间利用率，大幅度减轻农机作业劳动强度，实现机车的合理调配，广受生产建设兵团、国营农场等部门以及农机合作组织和农机大户的青睐。

    GPS助农业机械支持精准农业

    由于精准农业应用技术的发展，国外已有多种变量处方投入农业机械在生产和使用，其中较为成熟的、效益较好的有自动驾驶、施肥、喷药和播种等。目前，这些领域的先进技术已逐步在我国得到应用。

    美国天宝公司(Trimble)是全球领先的高级定位产品及解决方案提供商，早在1998年就在中国开设了第一家代表处。经过长期的推广，天宝公司的AutoPilot自动驾驶系统已在黑龙江农垦所有分局下属各农场以及黑龙江众多农机专业合作社中得到广泛的应用，并且得到广泛的好评。新疆生产建设兵团也开始推广使用AutoPilot自动驾驶系统进行播种，提高作业标准化程度。去年，AutoPilot自动驾驶系统还曾登上中央电视台焦点访谈节目。

    激光平地技术在10多年前就引入国内，由于其在实际应用中的良好效果和便利的操作性，在新疆、内蒙、甘肃、宁夏等西部缺水地区得到广泛应用，并总结出以下技术优点：

    提高单产总产 增加经济效益

    利用激光技术精密平地增加了格田面积，减少了田（渠）埂占地面积1.5%—3%，能够充分利用土地，增加总产。

    利用激光技术精密平地后，地块平整误差小，使播种深度均匀，出苗整齐，使作物在整个生长阶段都能获得所需的最佳水层，提高了作物产量。

    节省用水 降低费用

    利用激光技术精密平地，在100米范围内，可达到高差1—2厘米的平面，只需适量浅水灌溉，达到精确用水，使灌溉效率和灌水均匀度提高25％以上，达到节水目的。

    减少肥料流失

    化肥被保存在作物的根部，受肥均匀，避免了脱肥和肥料的流失，提高了肥料的利用率。

    提高机械化作业效率和效果

    减少畦埂，改善作业环境，使大地块更方便农业机械作业。

    GPS在农业管理上的应用

    GPS在农业管理上的应用也十分广泛。对于土壤养分分布调查、检测作物产量和农田管理等，GPS及其相关设备均可大显身手，无论在效率还是准确率方面，均比人工测算管理高出不少。

    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。

    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。

    过量施用肥料和杀虫剂不仅造成极大的浪费，还会带来严重的面源污染，因而在精细农作中要通过电子地图提供的处方信息，对地块中的肥料撒施量进行定位控制调整。国外已研制出监测土壤肥力的实时传感器，它利用作业中切入的两个圆盘犁刀之间的电位差，使两个圆盘犁刀之间的土壤形成电磁场，由于电磁场的性质受土壤特性的影响，因而产生可以控制并调整肥料施用量的信号，最终通过排肥管道的调节电磁阀门实现肥料的变量投入。土壤特性受土壤类型、有机物含量、土壤阳离子交换能力、土壤湿度和硝酸盐的氮肥水平等影响。氮肥实时投入量的控制信号由传感器输出，加上农艺学的要求和产量目标综合决定。美国AG-CHEM仪器装配公司生产的“SOILLECTION”施肥系统可进行干式或液态肥料的撒施。它通过电子地图内叠存的数据库处方，可同时分别对磷肥、钾肥和石灰的施用量进行调整。该设备用气动或气流方法，可将干肥料喷撒到22米的幅宽，并配备有4个分离的肥料仓，其中两个为微型营养物或除草剂料仓，另两个为化学品料仓，可实时配制8种不同成分的混合肥料。

    而精细变量喷药机技术上需要解决三大问题：喷雾流量的控制与雾滴大小相互影响；喷药量受行驶速度的影响；小区药量及雾滴大小不能按处方图要求定位调节。另外，国外已在研制光反射传感器，利用棕色土壤和绿色作物叶子反射光波波长的差异，可用于辨别土壤、作物和杂草。利用反射光波的差别，鉴别缺乏营养或感染病虫害的作物叶子。变量施加除草剂有两种方法，一种是利用杂草检测传感器，随时采集田间杂草信息，通过变量喷撒设备的控制系统，控制除草剂的喷施量；另一种是事先用杂草传感器绘制出田间杂草斑块分布图，由电子地图输出处方，通过变量喷药机械实施。研究表明，通过处方变量投入，可使除草剂的施用量减少40%—60%。PATCHEN公司生产的“WeedsSeekerPhD600”为应用半导体二极管光反射传感器的农药变量供给系统，它应用发光二极管为光源，光电二极管接收并分析反射的光波数据，产生信号并控制喷药喷嘴阀。只有当杂草出现时，才喷撒除草剂以减少除草剂的使用量。

    总之，GPS在现代精准农业中具有核心地位，为精准农业提供实时高效准确的点位信息，为农机作业提供高效导航信息。没有GPS定位系统，现代精准农业也就无从谈起。随着精准农业向着更加精准的方向发展，GPS定位系统将会得到更加普遍的应用，在农业现代化中起到愈加主导的作用。

AutoPilot自动驾驶系统与传统作业方式的比较