GNSS在精准农业的应用现状分析

GNSS在精准农业的应用现状分析

张莞玲 赵莲莲

西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089

摘要：精准农业将3S技术、物联网等高新技术与农业技术结合，对农作物的生长过程实施农业生产要素的空间差异化投入和管理，以降低投入，减少污染，提高质量，实现农业可持续发展，是现代农业发展的大趋势，是我国发展数字农业、实现农业现代化的载体和实现路径。卫星导航定位技术是精准农业的技术基础，其应用覆盖农作物生产管理的全过程。文章介绍了GNSS在国际精准农业中的主要应用，总结了我国北斗卫星导航系统（BDS）在农机导引/驾驶，变量作业，农田信息监测与管理等方面的具体应用，分析了“GNSS+”组合导航技术在我国精准农业中的应用前景。

关键词：精准农业，GNSS，北斗农机自动导航系统

0.引言

20世纪90年代，随着美国农业现代化的持续推进，提高农业竞争力，发展优质高效、可持续农业的需求迫切，基于农作物生产动态监测和农业生产要素空间差异化管理的精准农业应运而生。

精准农业，利用卫星导航定位系统（GNSS），遥感（RS），地理信息系统（GIS）等现代空间信息技术结合农业技术，根据农作物生长的空间差异性，进行及时、定位、定量的播种、施肥、灌溉、喷药等农艺操作，实施对农业生产要素空间差异化投入和管理，实现农业生产精准作业，是一种节约生产要素投入，减少农作物土壤污染，提高农作物产量和质量的资源节约型、环境友好型的可持续生产模式和技术体系。

GNSS泛指全球所有的卫星导航系统，包括我国北斗卫星导航系统（BDS），可为全球用户提供定位、导航和授时服务，在测绘、交通运输、无人机、农业等领域有广泛应用。精准定位是精准农业的技术基础，GNSS在精准农业领域主要应用于农机导引/自动驾驶，农田信息采集，精准作业和精细管理，覆盖农作物生产管理的全过程，是智能、互联和集成式农场管理解决方案的组成部分。

1.GNSS在国际精准农业应用概况

美国率先将GPS技术应用与农业领域，随后在英国、德国、丹麦等欧洲发达国家得到了快速的推广和应用，经过几十年的发展，欧美国家，GNSS在精准农业领用的应用技术已趋成熟，主要有拖拉机导引/自动驾驶、变量作业、农田信息监测、家畜跟踪、农业物流应用、农场综合管理、地理溯源、农田测绘等^[2]。

拖拉机导引和自动驾驶产品已经相当成熟，应用也最为广泛，使用率达83%，GNSS-RTK被广泛应用于农业智能化机械自动引导/自动驾驶中，其厘米级的定位精度能够增强农机控制，使拖拉机准确对齐，保持相邻操作行的精确间距，实现精准播种、施肥、收割等农艺操作。目前，单基准RTK的采用率更高，随着区域CORS网络的持续建设和投入应用，网络RTK的用户将逐渐增加。

变量作业增速仅次于拖拉机引导/自动驾驶，该技术与3S技术相结合，其应用持续增长，变量施肥能够提高化肥的利用率，降低污染，在欧美发达国家已经成熟，在北美地区得到了广泛的应用，目前正从单一变量施肥技术向多肥料变量施肥技术转变。精准变量施肥技术已推广应用到精量播种、中耕作业和精准灌溉等相关技术领域。

随着精准农业的发展，GNSS被应用于农作物生长的整个周期中，并成为农场综合管理系统的关键技术^[2]。未来5年，北美仍是精准农业应用的核心区，欧洲保持一定的增长速度，亚洲的中国、印度、澳大利亚是精准农业主要应用地区，非洲和南美洲地区精准农业应用需求将快速增长。

2.北斗卫星导航系统（BDS）在精准农业中应用

北斗卫星导航系统（BDS）是我国自主研发的全球卫星导航和通信系统，随着2020年北斗3号卫星组网成功，北斗卫星导航系统（BDS）具备了全球范围内的服务能力，其配套的CORS系统，可以提供实时的厘米级定位导航服务，在我国精准农业领域有很好的应用前景。

目前我国精准农业处于探索和示范发展阶段，进行了大量基于北斗卫星导航系统精准农业技术的研究和实践，新疆石河子棉花精准作业方式具有典型示范意义，在棉花种植中使用基于BDS的平地机、深松机、除草机、播种机、喷药系统、采棉机进行全过程精准作业，从理论、技术、装备等方面形成了我国相对完整的精准农业生产模式和技术体系^[3]。

北斗卫星导航技术主要应用于农机导引/自动驾驶，变量作业、农田信息监测与管理。

2.1北斗农机自动驾驶系统

北斗农机自动驾驶系统采用差分定位的方式获取机载GNSS接收机的实时位置，结合传感器获取的姿态信息、航向角信息通过行车控制终端和液压阀控制拖拉机的转向按照设计的路径行驶^[1]，通过提供高精度位置信息，提高拖拉机的行走精度，将精准农业机具固定在拖拉机的后部，可实现精准播种、精准施肥，精准喷药等农业作业，1000m的播行误差不超过2cm，接行误差为2-3cm，实现了高标准作业，解决了传统拖拉机“播不直、接不上茬”问题，且不受作业时间的限制，有效降低了驾驶员的劳动强度，可实现全天候作业，解决了“抢农时，适时播种”的问题。

2.2变量作业

精准农业变量作业包括精量播种、变量施肥、变量喷药、精准灌溉等，可以减少传统农业中水、肥、药的投入，降低化肥、农药对土壤的污染，提高农产品质量。

变量施肥系统由BDS卫星导航系统、土壤肥力传感器/土壤样本采集装置、控制器和施肥机组成。变量施肥以田块为单元，采集土壤样本的同时由北斗卫星导航系统记录采样点位置，将样本检测获得的土壤肥力、微量元素数据以及位置信息输入GIS控制系统，绘制土壤肥力图，进而制定播种和施肥变量作业处方信息，精确施入种子、肥料和微量元素。变量作业处方信息应包括田块的位置信、播种量、施肥量等信息。卫星导航技术可以改变中耕作物播前施基肥方式，将基肥施入种子下方3-5cm处，大幅提高肥料的利用率，在精准选种保证出苗率的基础上，与精量播种机相结合，可实现按需精准播种的要求。

精准喷药是运用北斗导航技术和农业遥感技术监测病虫草害，得出田间病虫草害的分布位置和大小，引导装有差分装置的植保飞机飞往预设地点，并沿设计好的航路和高度上飞行喷洒药物，系统具备返回记忆功能，中途装药后可以返回上次停止喷药点，避免重复喷洒和遗漏喷洒，可精确对正苗行，提高农药的利用率，减少农药对土壤的污染。

北斗卫星导航技术在精准灌溉中的应用主要有平整土地，土壤水分监测。土地平整是实施精准灌溉的关键技术，提高土地的平整度可以减少土壤水土和养分流失。基于BDS的精准平地控制系统，采用RTK定位方式，结合传感器获取液压缸的位置、航向和俯仰角、速度等实时参数，输入控制系统，由控制系统计算液压缸和平地标高的高差，进而控制液压缸的升降。相对于激光平地控制系统具备地形测量，路径规划的功能，可全天候、大规模作业的特点，提高了平地作业效率。

BDS结合RS或土壤水分检测装置检测田块土壤含水率并输入控制系统，根据每块田缺水情况，制定精准的灌溉作业方案，实施及时、定位、定量的精准灌溉，最大限度提高水资源的利用率。

2.3农田信息监测与管理

农田信息是精准农业关键的生产要素，利用3S技术、传感器等现代先进的监测技术，及时、准确获取农田和作物生长等各类数据，是制定精准农业投入和管理方案基础和关键。

农田信息监测和管理，综合应用BDS、RS和GIS，实现农田环境、作物营养长势、病虫害等农田信息的数字化、可视化管理应用。卫星导航接收机获取的各项农田信息，输入GIS系统，并转换为相应的图形，结合田间采集的其他信息，如土壤含水量，土壤含氮量等，绘制处方图，如肥力分布图，病虫害分布图，用于农作物精准灌溉、精准施肥、病虫害监测、农作物估产等。例如，在联合收割机上，利用BDS和GIS获取每块田地产量，通过产量对比，分析产量增加减少的原因，从而改进种植方案，实施更有针对性地农业生产资料的投入。

3.组合导航技术在我国精准农业中的应用前景

应用在精准农业中的导航技术有GNSS、惯性导航技术、机器视觉导航和激光雷达导航等。其中，GNSS导航系统应用最广泛，精准农业拖拉机导引和自动驾驶，对GNSS信号的可用性、连续性、互通性，可追溯性有较高的要求，在实际应用的过程中，受地形条件影响，如地形起伏，树木的遮挡等原因，导致观测卫星的数量不足，信号不稳定，进而造成单一卫星导航系统无法稳定使用的情况。目前基于GPS+GLONASS+BDS兼容多星座、多频段的GNSS应用已经成熟，可以在树木遮挡的情况下，保证足够的可观测卫星的数量，可提高GNSS信号的连续性，但在地形较为复杂，树木较多的区域，仍可能存在信号不连续、定位不准确的问题。

惯性导航技术使用陀螺仪和加速剂获取农机的位置实现导航，不受外界环境的影响，但其累计误差较大。机器视觉导航和激光雷达导航技术对地形复杂程度和作物特性有较高的要求，且成本较高。GNSS结合其他导航技术形成的组合导航技术可以取长补短，提供可靠、稳定的导航定位信息，目前农机导航中较为成熟的导航系统有GNSS-INS和GNSS－机器视觉，随着我国农业现代化的快速推进和数字农业的发展，智能化农机推广应用，组合导航技术在精准农业领域有广泛的应用前景。

4. 结束语

精准农因其高效、绿色和可持续的特点，是未来农业发展的主要模式，GNSS技术是精准农业技术体系的技术基础，通过结合其他技术，可实现农业生产的精耕细作。北斗卫星导航系统BDS可为我国精准农业提供厘米级的定位精度，已被应用于拖拉机引导和自动驾驶中，可以提高拖拉机的行走精度，播行和接行误差精确到2-3cm，通过挂载和控制不同功能的农具，结合其他技术，可有效检测土壤含水率、肥力和养分，监测农作物的涨势和病虫害，做到精准施肥，播种和喷洒农药，以降低成本，增加产量，提高效益。单基准站RTK和网络RTK是目前农机主要采用的导航定位方式，随着区域CORS网的持续建设，网络RTK需求将快速增加。单一导航系统受地势起伏和树木遮挡的影响，往往存在接收机观测卫星数量不足，信号不稳定的现象，GPS+GLONASS+BDS组成的多系统GNSS可以有效地解决上述问题，改善GNSS接收机的稳定性。组合导航技术融合多种导航系统数据，取长补短，可以提供可靠、准确的导航信息，目前GNSS-INS和GNSS－机器视觉组合导航技术较为成熟，在我国精准农业领域有很好的应用前景。

参考文献：

1. 赵岩，陈学庚.新疆兵团精准农业发展与北斗卫星导航技术的应用[J].石河子大学学报，2018(4):397-404

2. 孙闻阳，孙鹏.欧盟2017年《GNSS市场报告》之精准农业应用[J].卫星应用，2017(9):48-52

3. 转型[J].中国刘海启.以精准农业驱动农业现代化加速现代农业数字化农业资源与区划，2019(1):1-6,73

4. 杨中卫，吴才聪.国际GNSS精准农业应用概况[J].农业工程技术，2018（18）:20-21

5. John Fulton.GNSS技术应用于精准农业.[J]卫星应用，2015（8）：55-56