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1、北斗卫星定位系统在精准农业中的应用北斗卫星定位系统在精准农业中的应用以山西省晋中市为例以山西省晋中市为例作者：张洪菠张强来源：农业开发与装备 2018 年第 10 期摘要：精准农业是农业现代化进程的新阶段，以北斗为代表的卫星定位系统，是我国本土精准农业发展的重要依托。以晋中市为例，分析了晋中市的农机作业特点以及传统农机作业存在的问题，结合国内外资料，研究了综合应用北斗卫星定位、传感器、Linux、无线通信等高新技术的农机作业精细化管理平台，并总结了其在晋中市的应用成果。实践表明，该综合应用平台能够有效保障作业质量，提高了作业与管理效率，获得了一致好评，为山西省其他市县提供了宝贵应用经验。关键词
2、：精准农业，北斗卫星系统，农机作业；精细化管理平台 0 引言随着现代化信息技术的发展，农业机械化、自动化程度的提高，融合了多种高新技术的精准农业体系逐渐成为当今世界农业发展的潮流。早在 1999 年，shibysawaS.K.就对精准农业作出了详细的定义：利用科学手段，系统分析耕地的各项信息，通过现代化信息技术（诸如GPS，GIS，遥感技术以及高效率的算法等）重新规划整个农业体系，从而达到低投入高产出的农业可持续发展的目的1。卫星导航系统作为空间信息基础设施，是精准农业的重要技术支撑，是发展现代农业和实现农业可持续发展的关键技术。其在精准农业中的应用主要体现在农业机械的自动驾驶与轨迹规划、农业
3、地块信息采集（作物生长状态、土壤类别等）两个方面。由我国自主研发的北斗卫星导航系统正处于由第二代向第三代发展的阶段，在进一步地组网覆盖全球的同时，还开发了具有特色的短报文功能。在完成全球组网后，北斗系统能有力支持“一带一路”国家发展战略，也可以进一步地将我国农业信息化提升至新的高度。此外，相对于国外卫星导航系统，北斗在我国精准农业中的技术优势包括2：一是完全自主化，不受限于国外技术垄断，便于后期产品的维护、技术升级、产品改造。二是性价比高，独具三频高精度定位能力和短报文通信能力，成本相对低廉。北斗系统与精准农业是互利共生、互促共赢的关系。通过北斗系统，在提高农机作业效率、管理效率的同时，还能够
4、提高作业质量，保障食品安全；通过精准农业，则可以扩大北斗产业化应用范围，为北斗在其他方面应用提供宝贵经验，也为北斗的进一步发展打下坚实的实践基础。随着北斗卫星导航系统的进一步建设，北斗将成为我国精准农业技术发展的核心组成之一。 1 国内外精准农业发展概况精准农业从 20 世纪 90 年代开始在发达国家兴起3，以美国为首，率先应用包括生物、化工等技术，甚至把曾在海湾战争中运用的卫星定位系统应用于农业，实现“精准种植”。其核心部分为 3S 技术（全球定位系统、遥感技术、地理信息系统）；该方面最具代表性的农业应用项目是约翰迪尔公司于 2012 年推出的“绿色之星”精准农业系统和凯斯公司于 2013年
5、推出的“先进农业”精准农业系统。中东地区在该方面也有所发展，如以色列的温室技术从20 世纪 70 年代至今，完全实现了智能化与自动化4。在亚洲，日本在面对规模狭小、土地分散等地理因素的问题中，创造性的提出由农业经营团体和技术平台两部分构成的精准农业共同体，由此开创了第五代日式精准农业体系5。此外，针对信息化程度日渐增强的发展中国家，皮耐克等人在文献6中指出，精准农业是一种极具潜力的，低投入、高回报的可持续型高新农业文化，在中国、印度等发展中国家有很大的发展前景。我国的精准农业虽然起步较晚，但得到了国家的高度重视7-8。自 2013 年起，财政部、农业部在国家农机购置补贴目录中，增设精准农业设备
6、小类，开始对农业推广北斗终端；在2017 年，国家推行“数字农业建设试点项目”，并特别针对大田种植提出“建设北斗精准时空服务基础设施”的计划方案；同一年，为推广基于北斗系统的精准农业产业，湖北省首次将农用北斗终端纳入了购机补贴范围；而在此之前，中国工程院院士、新疆农垦科学院农机所所长陈学庚就在新疆进行农机自动驾驶试验时表示：北斗的应用，将大大推进精准农业的步伐。政策上的支持也在客观上促进了技术上的进步，国内学者在该方面研究论著颇丰9-11。文献9利用 BP 神经网络算法结合 RFID、3G、ZigBee 等物联网技术，设计出针对瓜果病虫害的预测系统；潘明等人将卫星导航系统在精准农业中的应用作了
7、系统性的综述；针对一些应用中涉及的特定技术，如在测亩算法方面，阳俊等人分别对边界法、经纬度描点法、二次差值法等作了详细介绍与对比，并提出了综合考虑单片机运算能力的算法。 2 晋中市精准农业的应用需求 2.1 传统方式问题分析晋中市位于山西省中部，黄土高原东部边缘，此区域土壤以黄绵土、黑垆土为主。种植制度为一年一熟，主要作物为小麦、玉米、杂粮等。在引入北斗精细化作业系统之前，传统的作业管理方式暴露出许多问题，概括如下： 1）农机信息化程度不高，土地作业需要依赖人工通知调度，难以实现高效配合； 2）对市内农机管理方式单一，不能适应与日俱增的人员、机具数量； 3）农机作业质量受机手主观因素影响较大，
8、不能及时发现作业中存在的问题； 4）统计作业面积难度大，通过传统的实地检查来核实作业面积的方法，耗费了大量人力物力，效率低下。 2.2 不同作业类型分析晋中市耕作用地方式多样，存在许多作业类型，主要包括如下： 1）深松作业。根据国家发布的全国农机深松整地作业实施规划：该区域应以打破犁底层、保蓄夏季雨水、减少土壤水分无效蒸发为目标，开展农机深松整地技术推广。以深度传感器为检测基础的现代化检测技术，配合精准农业监控平台可以实时显示作业深度，彻底杜绝深松不达标的情况出现，保证作业质量。 2）插秧/穴播作业。在完成平田整地后，进入播种作业季，大型农机设备的投入使得农作物播种作业不再像传统那样繁琐，通过
9、机械播种的方式提高了播种效率，缩短了作业时间，却增加了审核地块的难度。安装北斗定位终端则可以实时监测农机运行轨迹，通过面积算法可以测得作业亩数，并且，该方法可有效杜绝漏插、误插等情况的出现。 3）植保作业。作物在成长周期中，需要通过外部定期喷洒药剂来避免病虫害的侵袭，这也是保障作物健康成长、产量丰收的重要环节之一。农用植保机械包括多种类型，主要有自走式、无人机等，安装北斗定位终端和机具识别系统，可以有效区分植保作业机械类型，监测植保作业轨迹，方便管理人员对已进行作业地块标注和对为作业地块的任务分配。此外，还有旋耕、收割、秸秆还田、打捆等多种作业类型，均可通过北斗精细化作业平台有效监控。 2.3
10、 补贴政策为减轻农民群众生产压力，充分调动各方积极性，晋中市针对深松整地作业制定了详细的补贴政策。根据2018 年晋中市农机深松整地作业补助项目实施方案，晋中市全年深松整地作业任务 40000hm2，其中补贴作业任务 19800hm2。补贴作业任务中，中央财政作业补助面积15333.33hm2，省级财政作业补助面积 4466.66hm2。补贴资金共 891 万元，其中中央财政农业生产发展资金 690 万元，省级财政补助资金 201 万元。为更好落实该项惠民政策，可安装北斗农机平台，其优点概括如下： 1）发放补贴时，核查亩数可将“一一核实”的方式改为抽查或者直接省去，可节约大量人力物力。 2）实
11、时监控拍照、轨迹记录、深度记录、农机工况记录等记录齐全，有效防止套补、骗补、漏补等现象发生。 3）对每台设备登记入库，打造每台设备的“身份证”，闲置情况每日可见，方便管理。 4）机手可以自己登录平台查询工作信息，利于规范作业习惯，作业过程透明化。 3 北斗系统在晋中市农业中的应用借助国家大力发展卫星导航产业发展的重大机遇，晋中市近期引入北斗农机作业精细化管理平台，该平台以北斗高精度定位为特色，综合遥感、传感器、无线通讯、嵌入式等诸多高新技术，实现了对农业深松、植保、收割等多种作业方式的统一整合与监控管理。 3.1 精准农业系统基于北斗的精准农业系统从实际应用角度出发，结合物联网的概念以及国内外
12、智慧农业研究成果，通过对农业领域位置服务信息的需求和应用场景分析，采用标准的层级结构体系，设计出体系架构分层模型。系统分为四层，从下至上依次为感知层、传输层、服务层和应用层。如图 1 所示。感知层：主要硬件组成部分包括：北斗农机终端、高清拍照设备、深度传感器、机具识别卡、定位天线以及 SIM 卡等，其中，通过深度传感器获得作业深度；高清拍照设备周期性随机拍摄作业时照片；定位端获得位置信息，数据统一传输至农机终端。传输层：通过移动网络通信技术（GPRS），将感知层获取的信息进行上报传输至服务层。服务层：实现采集数据的接收和存储（通信服务器），建立基础信息数据库（数据库服务器），完成业务数据查询、
13、计算和分析，并提供各种服务调用接口（应用服务器）。应用层：为政府管理部门，农机合作组织，农机手、农机生产厂商等用户提供各类人机交互界面，实现农机作业的实时监控和精细化管理。 3.2 农机作业精细化管理平台农机作业精细化管理平台是一个为方便管理员监控、集作业季管理、作业类型归类、区域大数据（农机、任务亩数等）统计、作业监控、作业管理、报表分析等功能于一体的人机交互界面（如图 2 所示）。该人性化平台具有很好的实用性与易读性，主要表现在如下方面。 1）实时定位监控。每台农机均配置有定位终端，实时位置信息显示在地图相应区域，农机管理者足不出户就可以在平台上观察到每台设备所在位置和作业情况，便于分配作
14、业任务与登记出勤信息，对长期闲置的设备，还可以统计备案。如图 3 所示为实时定位的界面信息。 2）历史轨迹记录。农机作业的历史轨迹是证明机手作业的最直接证明，农机保持开机状态时，以 0.33Hz 采样频率记录轨迹点位置信息，并上传至服务器，由后台数据处理串联成轨迹线；同时为检测人员方便考虑设置 2、4、8 等倍速回放，平台显示效果如图 4 所示。 3）大数据汇总。大数据是平台运行依托的基础，所有农机的品牌、类型、终端号等特征信息，以及所属机手、合作社、地区等都统一登记；特别地，对设备工况、照片信息、调度情况等均有详细记录，方便及时发现与排查问题农机设备。 4）报表与曲线打印。根据大数据汇总信息
15、，可以通过软件编程方式有选择性的制作报表，比如市内农机在市内作业情况汇总表、市内农机在市外作业汇总表、分时段作业汇总表、长期离线、在线农机表等，按农机管理单位需求配置。 5）故障报警。对重复作业、工况不正常、深度（检测）不达标、各类硬件线路问题等故障设置报警，并对常见故障配置报警编码，方便检修与维护。 4 结语精准农业规模化、普及化是现代农业发展的必然趋势。围绕农业需求，将北斗系统与农业综合应用平台相结合，可以使农业信息打破管理与作业信息交流滞后、信息传递不对称的壁垒，还可以提高作业与管理效率，并且完善的服务平台，可以使作业审核工作透明化、简单化，真正达到为百姓谋福利、为农业创发展的目的。此次
16、晋中市引进的北斗农机综合管理平台，是一次由传统机械农业向知识农业发展的尝试，同时也为国内其他省市地区提供了宝贵实践经验。科技总是在不断发展中进步，虽然北斗导航系统与精准农业的结合已在部分地区推广应用，使用效果与测试结果均得到了令人满意的反馈，但是，在应用过程中出现的一些问题不容忽视，如：多种农具不同的作业方式和农户的不同作业习惯，都为测亩算法的制定方面增加了难度，对不同机具分别设定算法方面存在不足。因此，北斗卫星与精准农业建设亟待更多专家学者的参与，理论与实践还需更进一步的结合。参考文献 1ShibysawaS.K.ApproachtoprecisionfarminginJapanC.Saga
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