柳智鑫　王曉娟

摘 要：運(yùn)用3S技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取農(nóng)用小區(qū)作物生長(zhǎng)實(shí)際需求的信息，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)田的土壤和作物的水分?jǐn)?shù)據(jù)，通過信息處理與分析，按需給作物進(jìn)行施水的技術(shù)。應(yīng)用GPS定位功能，在控制平臺(tái)上還能精確的顯示出每個(gè)灌溉設(shè)備的工作狀態(tài)，是否做好了作業(yè)的準(zhǔn)備。同時(shí)，利用傳感器技術(shù)把灌溉設(shè)備的工作數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳送到數(shù)據(jù)平臺(tái)，為工作人員的維修提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：3S 噴灌系統(tǒng) 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(guó)城鎮(zhèn)化速度的加快，越來越多的農(nóng)村人口涌入城市，農(nóng)村中的剩余勞動(dòng)力變少，這就要求我國(guó)加快農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化水平。本課題針對(duì)我國(guó)的北方地區(qū)普遍所采用手動(dòng)開關(guān)控制的噴灌設(shè)備，其控制核心為低壓電氣觸點(diǎn)開關(guān)。它的缺點(diǎn)為控制的精度和準(zhǔn)確度不高，設(shè)備在行走過程中軌道過寬，而且容易出現(xiàn)控制失靈的等問題如：多個(gè)行走電機(jī)速度不同就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備翻車、對(duì)農(nóng)作物造成碾壓損害，還會(huì)導(dǎo)致噴灌水量的不均勻，從而導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量低、質(zhì)量差，噴灌設(shè)備易損壞維修費(fèi)用高等。如何實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)噴灌成為農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的一個(gè)難題。針對(duì)此難題本課題采用3S技術(shù)的精細(xì)灌溉技術(shù)。運(yùn)用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）和地理信息系統(tǒng)（GIS），遙感技術(shù)（RS）和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取農(nóng)用小區(qū)作物生長(zhǎng)實(shí)際需求的信息，通過信息處理與分析，按需給作物進(jìn)行施水的技術(shù)，可以最大限度提高水資源的利用率和土地的產(chǎn)業(yè)率。利用PLC和變頻技術(shù)為核心的自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)信息化平臺(tái)發(fā)出的指令，高效率、高精度的完成噴灌任務(wù)。

1 3S技術(shù)

3S技術(shù)是結(jié)合空間、傳感器、衛(wèi)星定位與導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科技術(shù)集成的對(duì)地球表面的空間信息進(jìn)行采集、處理、管理、分析、表達(dá)、傳播和應(yīng)用的現(xiàn)代信息技術(shù)[1]。在現(xiàn)今科技水平飛躍發(fā)展的時(shí)代，我國(guó)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的弊端已經(jīng)顯露，人均占有耕地面積減少、水土流失嚴(yán)重、水體污染等問題制約著我國(guó)農(nóng)業(yè)及其經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展[1]。而結(jié)合3S技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)廣泛地運(yùn)用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。本文將介紹利用3S技術(shù)在高精度自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)中信息化平臺(tái)設(shè)計(jì)。

2 遙感（RS）在高精度自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)中信息化平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 RS

遙感（RS）。即遙遠(yuǎn)的感知，是運(yùn)用在不同平臺(tái)上的傳感器對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)或自然現(xiàn)象進(jìn)行探測(cè)，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(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與作物估產(chǎn)中的應(yīng)用

作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與作物估產(chǎn)即利用遙感技術(shù)對(duì)作物生長(zhǎng)情況、趨勢(shì)進(jìn)行觀測(cè)，以此估計(jì)作物量與品質(zhì)[2]。目前作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)最常見的就是運(yùn)用NDVI、新發(fā)展的EVI指數(shù)等來估算生物量、作物產(chǎn)量等反映作物生長(zhǎng)特征因子的直接觀測(cè)法。

2.3 RS 在農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)控的應(yīng)用

在干旱監(jiān)測(cè)中，針對(duì)遙感數(shù)據(jù)不同波段構(gòu)建土壤水分指數(shù)運(yùn)用廣泛。如通過地表溫度LST和NDVI指數(shù)之間的關(guān)系，建立溫度植被干旱指數(shù)TVDI干旱監(jiān)測(cè)模型，并且進(jìn)行干旱等級(jí)劃分，并對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)進(jìn)行旱情監(jiān)測(cè)[5]。旱情監(jiān)控為較為典型的一種農(nóng)業(yè)災(zāi)害應(yīng)用，除此以外在應(yīng)對(duì)洪澇、冷凍等災(zāi)害也常利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)。光學(xué)遙感數(shù)據(jù)如TM和SPOT等，一般可對(duì)農(nóng)業(yè)受損進(jìn)行評(píng)估[6]。利用作物關(guān)鍵生育時(shí)期的Landsat8OLI高清影像進(jìn)行監(jiān)督分類，提取作物種植面積分布。

2.4 遙感技術(shù)在精準(zhǔn)化灌溉的應(yīng)用

精準(zhǔn)化施肥與灌溉是可以幫助農(nóng)業(yè)技術(shù)人員精準(zhǔn)施肥、灌溉，獲取最大收益。如將 GeoEye-1高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)與氮肥優(yōu)化算法（NFOA）相結(jié)合，開展了冬小麥氮肥推薦應(yīng)用研究[9]。宋文龍等基于GF-1較高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過光譜匹配方法像元尺度用，并引入OTSU自適應(yīng)閾值算法，構(gòu)建了高分辨率灌溉面積遙感。

3 地理信息系統(tǒng)（GIS）在精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 GIS

GIS是在計(jì)算機(jī)硬件與軟件的支持下，運(yùn)用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供對(duì)規(guī)劃、管理、決策和研究所需信息的空間系統(tǒng)[11]。

3.2 GIS在灌溉系統(tǒng)資源信息管理中的應(yīng)用

GIS 能將人們從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或相關(guān)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)所利用的各種資源緊密聯(lián)系并使各自都發(fā)揮出最大作用。建立的基本農(nóng)田灌溉數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[12]與寧方志建立的土地利用現(xiàn)狀調(diào)查管理系統(tǒng)[13]都屬于利用GIS的空間管理優(yōu)勢(shì)將自然資源聯(lián)系管理。

3.3 GIS在農(nóng)業(yè)災(zāi)害防治中的應(yīng)用

GIS通過提取各個(gè)威脅因子實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害區(qū)的孕災(zāi)條件信息量化，可以進(jìn)行災(zāi)情預(yù)警、災(zāi)害程度與損失狀況評(píng)估等應(yīng)用，以及時(shí)減少人民財(cái)產(chǎn)損失。如楊志捷等利春小麥抽穗至成熟期間氣象觀測(cè)資料、春小麥品種試驗(yàn)的發(fā)育期觀測(cè)資料以及春小麥播種面積、產(chǎn)量和單產(chǎn)資料等，利用GIS技術(shù)開展內(nèi)蒙古春小麥干熱風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)精細(xì)化區(qū)劃與評(píng)估[14]。

GIS在病蟲災(zāi)害主要作用包括探尋分析病蟲成因與規(guī)律、評(píng)估災(zāi)害發(fā)生時(shí)適宜因子、預(yù)測(cè)災(zāi)害演變趨勢(shì)，從而建立農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害科學(xué)數(shù)據(jù)庫和農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害信息系統(tǒng)[11]。我國(guó)已成功將GIS應(yīng)用到了棉蚜蟲、松毛蟲等害蟲防治工作上。如蔣杰賢等運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法GIS分析了桃樹桃蚜和草間鉆頭蛛種群的空間結(jié)構(gòu)，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(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[16]。

4 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

隨著中國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）建設(shè)發(fā)展，美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）不再是GNSS的代名詞。但現(xiàn)目前GPS仍是運(yùn)用最廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

4.1 GPS

GPS是由美國(guó)國(guó)防部研制建立的一種具有全方位、全天候、全時(shí)段、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，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(shí)等導(dǎo)航信息[1]。

4.2 GPS 在智能農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)中的應(yīng)用

智能化農(nóng)業(yè)動(dòng)態(tài)定位根據(jù)管理信息系統(tǒng)發(fā)出的指令，實(shí)現(xiàn)田間耕作、施肥、灌溉、噴藥等精確定位操作[17]?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)的研究基于前人的基礎(chǔ)更加深入，如魏少東為解決單一的導(dǎo)航系統(tǒng)不能滿足現(xiàn)在化農(nóng)業(yè)機(jī)械的導(dǎo)航定位的精度要求，將GPS技術(shù)與慣性導(dǎo)航組合導(dǎo)航系統(tǒng)，研究了一套果園機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)果園機(jī)械自動(dòng)化作業(yè)[17]。

4.3 GPS 在農(nóng)田信息采集中的應(yīng)用

GPS的準(zhǔn)確定位功能為農(nóng)業(yè)技術(shù)人員統(tǒng)計(jì)各個(gè)地理位置的農(nóng)作物狀態(tài)提供了便捷。近些年已有不少學(xué)者針對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集研究。如陳宏等研制的基于GPS 的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息的準(zhǔn)確采集，還可以在手機(jī)客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，又能實(shí)現(xiàn)采集地點(diǎn)的實(shí)時(shí)定位功能[18]。對(duì)提高農(nóng)作物產(chǎn)量，降低勞動(dòng)力成本具有重要意義。

5 結(jié)語

在全面建成小康社會(huì)的緊要關(guān)頭，為了滿足經(jīng)濟(jì)與人類發(fā)展需求，必須促進(jìn)農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的出現(xiàn)協(xié)調(diào)了矛盾。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是3S技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的綜合應(yīng)用，結(jié)合田間最小單元的具體條件，最優(yōu)化配置耕地資源與勞動(dòng)力投入，定量化精準(zhǔn)田間管理，以提高農(nóng)作物產(chǎn)量與質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，減小農(nóng)業(yè)活動(dòng)為周邊環(huán)境帶來的污染及其他不利影響。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的施行將我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展代入一個(gè)新的臺(tái)階，不僅極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，也在自然資源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)管理等方面具有重要作用與意義。

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目，編號(hào)：NJZC17476;內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目，編號(hào)：NJZY17475。

參考文獻(xiàn)：

[1]母金梅，申志永.3S 技術(shù)在我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程，2011（2）：74-76.

[2]溫鵬.農(nóng)業(yè)遙感研究現(xiàn)狀與展望[J].經(jīng)營(yíng)管理者，2017（15）：219.

[3]劉新杰，魏云霞，焦全軍，等.基于時(shí)序定量遙感的冬小麥長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與估產(chǎn)研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2019，34（04）：756-765.

[4]黃青，劉航，鄒金秋.2017年巴西大豆長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析研究[J].中國(guó)科技資源導(dǎo)刊，2017，49（6）：60-65，75.

[5]高雅.基于遙感干旱指數(shù)與葉綠素?zé)晒獾霓r(nóng)業(yè)干旱預(yù)警研究[D].黑龍江大學(xué)，2019.

[6]陳仲新，任建強(qiáng)，唐華俊，等.農(nóng)業(yè)遙感研究應(yīng)用進(jìn)展與展望[J].遙感學(xué)報(bào)，2016，20（05）：748-767.

[7]劉創(chuàng).基于敏感光譜特征的小麥白粉病遙感監(jiān)測(cè)研究[D].安徽大學(xué)，2019.

[8]陳穎姝，張曉春，王修貴，等.基于 Landsat8 OLI 與 MODIS 數(shù)據(jù)的洪澇季節(jié)作物種植結(jié)構(gòu)提取[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（21）：165-173.

[9]張秋陽，楊貴軍，徐新剛，等.基于 GeoEye-1 高分遙感影像的冬小麥氮肥推薦應(yīng)用[J].麥類作物學(xué)報(bào)，2014，34（12）：1685-1693.

[10]宋文龍，李萌，路京選，等.基于 GF-1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)灌區(qū)灌溉面積方法研究——以東雷二期抽黃灌區(qū)為例[J].水利學(xué)報(bào)，2019，50（07）：854-863.

[11]孟偉，高吉喜，陳佑啟，等.GIS 技術(shù)在環(huán)境資源工作中的應(yīng)用與發(fā)展[J].地理信息世界，2004（05）：19-22.

[12]劉兵.基于 MapGIS 的基本農(nóng)田數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)研究[D].天津大學(xué)，2017.

[13]寧方志.基于 WebGIS 的土地利用現(xiàn)狀調(diào)查管理系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用[D].山東科技大學(xué)，2017.

[14]楊志捷，金林雪，武榮盛，等.基于 GIS 的內(nèi)蒙古春小麥干熱風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)精細(xì)化區(qū)劃[J].干旱氣象，2019，37（05）：866-872.

[15]蔣杰賢，萬年峰，季香云.基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)和 GIS 的化學(xué)農(nóng)藥脅迫下桃樹桃蚜與草間鉆頭蛛種群空間格局[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2015，23（07）：906-913.

[16]周文杰，趙慶展，靳光才，等.基于移動(dòng) GIS 的棉蚜蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016（9）：163-168.

[17]魏少東.基于 GPS 和慣性導(dǎo)航的果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013.

[18]陳宏，王維洲，廖志軍，等.基于 GPS 的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)研究[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2018，37（03）：97-102.