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基于GPS的精准农业变量施肥系统及研究进展

1、引言
精准农业是一套基于空间信息管理和变异分析的现代农业操作系统。精准农业的核心思想就是根据土壤性状和作物生长状况的空间差异，调节对作物的投入，即一方面对耕地和作物进行定量的实时诊断，充分了了解大田生产能力的空间差异；另一方面则以平衡地力提高产量为前提，实施定位、定量的精确田间管理，从而实现高效利用各类农业资源和改善环境这一可持续发展目标。
精准农业的变量施肥是以不同空间单元的产量数据与其它多层数据（土壤理化性质、病虫草害、气候等）的综合分析为依据，以作物生长模型、作物营养专家系统为支持，以高产、优质、环保为目的的变量处方施肥理论和技术。自动变量施肥技术可实现在每一操作单元上因土壤、因作物预计产量的差异而按需变量施肥。这种按需施肥的方法大大提高了肥料的利用率，同时减少肥料浪费及多余肥料对环境的不良影响。
2、变量施肥系统的组成及作用
变量施肥系统系统由全球定位系统（GPS）、机器控制系统、变量施肥专家系统、以GIS为核心的农田信息管理系统、拖拉机——播种机施肥机等组成。当拖拉机在田间行驶时，通过GPS获取准确位置信息，进行操作单元的识别，以操作单元名称访问施肥数据卡，读取当前操作单元施肥量，通过控制系统控制施肥量，从而实现自动变量施肥。
2．1 全球定位系统（GPS）
全球定位系统（GPS）在精准农业中能够实施施肥机械作业的动态定位，即根据管理信息系统发出的指令，实施田间的精确定位。按照参考点的不同，GPS接收方式可分为单点定位和差分定位。动态差分定位过程中，采用测码伪距观测量进行相对定位，卫星轨道偏差、卫星钟差、大气折射等误差有效减弱，加上载波相位平滑技术可以达到分米级的定位精度，因此可作为农业应用的首选方案。在差分定位中需要设定基站的基准点，该基准点应使用已知定位点的大地坐标，也可以利用基站GPS经过一定时间的定位数据采集与统计处理后确定的基站地理坐标作为参考点。
一般的GPS接收机都提供了向计算机串口发送NMEA格式数据的功能。Trimble公司的AgGPS132型GPS接收机发送的是NMEA-0183格式。这个版本的NMEA能提供18种不同的数据。分析这些数据，就能获得农机作业所需的全部信息。
2．2 地理信息系统（GIS）
GIS用于生成农田电子地图、采样导航、施肥决策及管理土壤和产量信息。变量施肥系统是基于GIS的应用型软件。它是采用集成二次开发，以通用编程软件、面向对象的可视化编程工具（如VC、VB等）为开发平台，利用GIS工具软件实现GIS的基本功能。既可以充分利用可视化软件开发工具的高效方便的编程功能，实现各种专用的复杂的的分析方法，又充分利用了GIS工具软件完备的空间数据可视化分析处理功能，大大提高了应用系统的开发效率，现已成为应用型GIS开发的主流。
2．3 变量施肥专家系统
变量施肥专家系统的建立，是对采样、测土获得的土壤有机质、N、P、K等进行施肥决策，获得每个操作单元的施肥量；是从实施精准农业自动变量施肥作业的实际需求出发，应首先建立关于田间土壤信息、施肥情况、作物产量等地理信息图层，然后进行专题分析与施肥决策。变量施肥专家系统应具备以下功能：数据的录入功能、数据的维护和更新功能、数据的查询和检索功能及统计功能等。
3、国内外研究的进展
3．1 国外的研究进展
近年来，世界上许多发达国家已经开展了精准农业的示范研究。在实现精准农业变量施肥技术研究方面，国外已取得部分研究成果。C.Yang，J.H.Everitt和J.M.Bradford对变量施用液态N肥和P肥作了研究，得出应用变量施肥技术可以减少产量变化的差异，提高产量和增加回报。C.R.Camp和E.J.Sadler等研究开发了一个数字控制计量装置，用于水的灌溉和化学药剂的喷洒作业。D.K.Morris和D.R.Ess等研究开发了一个装备GPS的液态有机肥施用系统，该系统以开/关的形式控制肥料的使用，能够实现在水井、路障、河流等处控制不施肥，在耕作土地上控制施肥。Bradley A.King和Richard W.Wall研究了一个移动式的变量喷药系统。Mark D.Schrock和Darrel L.Oard等使用脉冲宽度来调节控制施用液态氨肥流量。已经商品化的有美国John Deere公司的变量撒肥机、Case公司的Flexi Soil变量施肥播种机等。
3．2 国内的研究进展
中国在20世纪90年代后期开始了对精准农业的关注和适当引入。近年来，我国在精准农业的示范研究方面发展速度较快，在引进、消化、吸收国外研究成果的基础上，研究和探讨适合我国国情的精准农业技术体系。
吉林大学的吴才聪等完成了精准农业农业田块网格的划分，为自动变量施肥的网格识别提供保证。北京农业技术信息研究中心提出了基于多维空间变异分析的自适应农艺处方单元策略，对精准农业技术体系中自动确定最佳农艺处方单元大小提出了简便的解决方法；建立了精准农业智能决策支持平台，可以为用户播种、施肥等实现精确管理提供技术支持。浙江大学的何勇等建立了精准农业研究和开发的信息处理系统。中科院东北地理与农业生态研究所与吉林大学，在吉林省德惠市国家农业高新技术示范区，利用吉林大学生物与农业工程学院研制的变量深施肥机，进行了手动控制和自动变量控制的两种试验，试验结果表明，该施肥机能够实现精准农业意义上的变量施肥操作。
黑龙江八一农垦大学精准农业研究中心在友谊农场的精准农业示范项目，已取得阶段性研究成果。利用带有GPS接收信号的收获机，完成了友谊农场五分场二队二号地、三号地大豆收获、小麦收获产量图的绘制，得到了两个地块的产量图。利用Ag132GPS型GPS接收机完成了二号地的土壤采样和样品分析报告。把土壤肥力作为信息提取目标，使用二次样条插值法等地学统计方法，可生成土壤养分肥力分布图，并以此图作为推荐施肥的基础，来解决同一地块不同区域中不同用量、不同配方的肥料施用问题。变量施肥机驱动及控制装置的研制工作已经完成，试验方案已经确定，目前研究工作正深入地进行。
4、结束语
精准农业是农业现代化发展的必然结果，是信息农业、数字农业的重要组成部分，是多学科技术系统集成的具体化，需加强各集成系统的研究（GIS与RS、GIS与GPS等），继续实施“引进、消化、开发和推广”的精准农业示范工程，研究推广我国适用的精准农业技术体系和运用体系。