定位技术在精准农业中的应用.docx
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定位技术在精准农业中的应用
定位技术在精准农业中的应用
学院：
水利与建筑
班级：
工程管理1404
姓名：
徐田文
学号：
A13140654
定位技术在精准农业中的应用
徐田文
（东北农业大学水利与建筑学院工程管理1404徐田文A13140654）
[摘要]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，将在现代化农业中起到愈加主导的作用。
[关键词]GPS精准农业应用
1.GPS简介及其定位原理
1.1GPS定义
利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统，简称GPS。
GPS是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，是卫星通信技术在导航领域的应用典范，它极大地提高了地球社会的信息化水平，有力地推动了数字经济的发展。
1.2GPS发展
GPS的前身是美国军方研制的一种子午仪卫星定位系统（Transit），1958年研制，1964年正式投入使用。
该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。
然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS的研制埋下了铺垫。
由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。
美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。
为此，美国海军研究实验室（NRL）提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于1967年、1969年和1974年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPS精确定位的基础。
而美国空军则提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道，该计划以伪随机码（PRN）为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。
伪随机码的成功运用是GPS得以取得成功的一个重要基础。
海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。
由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防部将2者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO）领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。
该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。
最初的GPS计划在美国联合计划局的领导下诞生了，该方案将24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。
每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。
这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。
由于预算压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上，然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。
1988年又进行了最后一次修改：
21颗工作星和3颗备用星工作在互成60度的6条轨道上。
这也是GPS卫星所使用的工作方式。
GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。
它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成。
二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面。
三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成。
民用的定位精度可达10米内。
1.3GPS原理及方法
1.3.1原理
GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。
要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。
而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR，）：
当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。
GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码。
C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。
而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。
导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。
它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。
导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。
前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。
后两帧共15000b。
导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。
当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。
可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。
然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。
所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。
GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。
GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。
对CA码测得的伪距称为CA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。
GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。
严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。
一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。
相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。
按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。
单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。
相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。
在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。
1.3.2GPS定位方法
根据定位模式，GPS定位方法分为绝对定位和相对定位2种。
①绝对定位。
又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标。
GPS采用WGS-84坐标系，所以单点定位求出的结果属该坐标系的坐标，但可通过坐标转换获得所需坐标系统的坐标。
优点:
作业方式简单，一台GPS接收机即可作业，点位三维坐标实时显示，数据处理简单。
缺点:
定位精度低，为10～30m。
应用范围:
绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用中，如船舶导航；地质矿产勘探；暗礁、浮标定位；海洋捕鱼；旅游、越野导航定位；低精度测量等。
②相对定位。
又称为差分定位（DifferentialGPS，DGPS），这种定位模式采用2台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。
优点:
由于采用同步观测资料进行相对定位，使卫星钟误差、星历误差、信号在大气中传播误差可得到消除或大幅度削弱。
所以，可获得较高的定位精度。
目前相对定位精度可达到10-9m。
缺点:
因几台GPS接收机同时作业，组织、实施、数据处理较复杂。
由于求出的是同步点站间的三维基线向量（即点间的边长），故必须给出一个点的已知坐标和一个已知方位角。
应用范围:
大地测量、工程测量、变形监测、地壳运动监测等精密定位测量工作。
2.精准农业介绍
2.1精准农业的概念
精准农业是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的、根据空间变异定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。
精准农业由十个系统组成，即全球定位系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、农业专家系统、智能化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统。
其核心是建立一个完善的农田地理信息系统（GIS），可以说是信息技术与农业生产全面结合的一种新型农业。
精准农业并不过分强调高产，而主要强调效益。
它将农业带入数字和信息时代，是21世纪农业的重要发展方向。
2.2精准农业的发展历史
海湾战争后GPS技术的民用化，使得它在许多国民经济领域的应用研究获得迅速发展，使得精准农业的技术体系广泛运用于生产实践成为可能。
1993-1994年，精准农业技术思想首先在美国明尼苏达州的两个农场进行试验。
结果用GPS指导施肥的产量比传统平衡施肥的产量提高30%左右，而且减少了化肥施用总量，经济效益大大提高。
精准农业的试验成功，使得其技术思想得到了广泛发展。
近五年来，世界上每年都举办相当规模的“国际精细农作学术研讨会”和有关装备技术产品展览会，已有上千篇关于精细农作的专题学术报告和研究成果见诸于重要国际学术会议或专业刊物。
在万维网上设有多个专题网址，可及时检索到有关精细农作研究的最新信息。
美、英、澳、加、德等国的一些著名大学相继设立了精细农作研究中心，开设了有关博士、硕士的培训课程。
在发达国家，精细农作技术体系已实验应用于小麦、玉米、大豆、甜菜和土豆的生产管理上。
1995年美国约有5%的作物面积不同程度的应用了精细农作技术，近年来又有了更为迅速的发展。
在美、加、澳、欧等国，精准农业的实验研究以涉及小麦、玉米、大豆、甜菜、土豆等作物生产。
不仅发达国家对精细农作的技术实践非常重视，巴西、马来西亚等国亦已开始了试验示范应用。
精准农业技术体系的实践与发展，已经引起一些国家科技决策部门的高度重视。
美国国家研究委员会（NationalResearchCouncil）为此专门立项对有关发展战略进行研究，经过由美国科学院、美国工程院院士组织评估，于1997年发表了一份“PrecisionAgricultureinthe21stCentury---GeospatialandInformationTechnologiesinCropManagement”研究报告，全面分析了美国农业面临的压力、信息技术为改善作物生产管理决策和改善经济效益提供的巨大潜力，阐明了“精准农业”技术研究的发展现状以及为信息产业和支持技术开发研究提供的机遇。
精准农业在美国、英国等发达国家已经形成为一种高新技术与农业生产结合的产业，且已被广泛承认是发展持续农业的重要途径。
目前，适应精准农业技术体系应用的DGPS装置，GIS适用平台及农作物资源空间信息数据库管理软件，作物生产决策支持模拟模型，带DGPS接收机小区产量传感器和产量分布绘图装置的谷物联合收割机，自动调控施药、施肥机、播种机均已有商品化产品；支持农田信息实时采集的田间土壤水份、N、P、K含量、pH值、有机质含量、作物苗情、杂草分布等的传感器技术，已有初步研究开发成果。
可以预言，精准农业技术体系的装备技术发展，到本世纪末将会日新月异，有关新兴产业将得到快速发展。
我国精准农业的思想已经为科技界和社会广为接受，并在实践上有一些应用。
如1992年北京顺义区在1.5万公顷的范围内用GPS导航开展了防治蚜虫的试验示范。
在遥感应用方面，我国已成为遥感大国，在农业监测、作物估产、资源规划等方面已有广泛的应用。
在地理信息系统方面，应用更加广泛，1997年辽宁省用GIS进行下辽河平原农业生态管理的应用研究，吉林省结合其省农业信息网开发“万维网地理信息系统（GIS），北京密云县完成以GIS技术建立的县级农业资源管理信息系统。
在智能技术方面，国家863计划在全国20个省市开展了“智能化农业信息技术应用示范工程”。
这些技术的广泛应用，为我国今后精准农业的发展奠定了一定的技术基础，但这些研究与应用大部分局限于GIS、GPS、RS、ES、MS单项技术领域与农业领域的结合，没有形成精准农业完整的技术体系。
尽管如此，随着我国农业技术和相关信息产业、工程制造业的发展，智能控制技术的广泛应用，精准农业的技术必将得到不断发展完善，且将扩展到更为广泛的设施农作、养殖业和加工业的精细管理与经营。
国际上精准农业的实践表明，实施精准农业要求信息技术、生物技术、工程装备技术和适应市场经济环境的经营技术的集成组装，综合是其典型特征，技术集成是其核心，因此需要多部门、多学科联合作战。
我国实施精准农业的近期目标，一方面是总结国外发展经验，根据中国的国情找准自己的切入点，另一方面切实做好有关应用技术的研究开发，力求走出适合中国国情的精确农业的发展道路。
2.3GPS测量误差及应对措施
①与GPS卫星有关的误差。
主要有卫星星历误差、卫星钟差、卫星信号发射天线相位中心偏差等；②与传播途径有关的误差。
主要有电离层延迟误差、对流层延迟误差、多路径效应误差等；③与接收机有关的误差。
主要有接收机钟差、接收机天线相位中心偏差、接收机软件和硬件造成的误差等；④其他误差影响。
主要有GPS控制部分人为或计算机造成的影响、数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响等。
对于系统误差如卫星钟差、卫星星历误差、电离层延迟误差、对流层延迟误差、多路径效应误差等，可以采用各种模型或方法将其消除或减弱，而其他的随机误差只能用统计处理的方法，求出最佳值。
3.GPS在精准农业中的应用
在现代精准农业技术体系中，定位技术起到十分关键的作用。
由于精准农业是研究农田中小区的差异性，所以必须使用定位技术引导信息采集和田间作业。
在目前精细农业的研究和应用中，GPS技术以其快速高精度的定位结果成为首选。
GPS技术的关键作用主要表现在如下3个方面:
3.1农田作业
在精准农业中，GPS的应用必须与GIS紧密结合，GPS的定位信息通过GIS转化成相应的图形，同田间的各种信息结合，形成反映该信息的专题图和处方图，如肥力分布图、病虫害分布图等。
首先要生成田地边界图层，随后的各项田间作业，如田间采样、田间监测、灌溉等，都要在边界图层上生成相应的图层，如采样图层、监测图层等。
GIS中经GPS定位形成的图形数据为矢量结构，其坐标采用高斯平面坐标，从GPS接收机得到的数据经过坐标转换到国家通用高斯平面坐标后，其数值一般较大。
现行做法一般是以某一点为农田平面坐标的原点，建立农田独立坐标系，用所有点的坐标同该点坐标相减，得到相对该点的平面坐标，此时再对数据进行应用。
对于各个图层，都要有田地识别号、日期、时间这些公共属性，然后是各自的有关属性。
3.1.1田地边界层使用GPS进行田地边界的测量，是目前精准农业中常用的方法。
一般做法是用带有GPS装置的车辆（对于小面积的田地，人背负GPS装置即可），绕田地边界行走1圈，GPS接收机每秒钟输出1次数据，记录下这一圈的所有点的位置信息，然后进行数据处理，从而最终使田地边界生成矢量化的数据。
3.1.2采样层田地各种属性的采集是通过田间采样得到的。
采样一般使用栅格采样法，确定采样栅格的大小，然后由GPS引导在栅格中心定点采样。
具体应用时，确定栅格的大小后，则生成1个栅格的格网，覆盖在边界图层上，确定栅格格网的起始坐标后，即可确定栅格中心的坐标，从而形成包含各采样点坐标的采样层。
3.1.3作业层每次进行田间作业前，应生成相应的作业分布图层，包括播种层、施肥层、喷药层、施水层和收割层等。
各作业层可以由GIS先根据采样后的分析，根据相应的专家系统或决策支持系统生成各作业处方图层，然后由GPS进行导航作业，生成记录实际的作业层。
3.2农机作业导航
3.2.1精准施肥传统施肥方式因土壤肥力在地块不同区域差异较大，所以在平均施肥情况下，肥力低而其它生产性状好的区域往往施肥量不足，而某种养分含量高而丰产性状不好的区域则引起过量施肥。
GPS为控制施肥提供空间定位和导航支持，基于GPS的变量施肥技术能根据不同地区、不同土壤类型、土壤中各种养分的盈亏情况、作物类别和产量水平，将微量元素与有机肥加以科学配方，做到有目的地科学施肥。
3.2.2精准灌溉精确灌溉既能满足作物生长过程中对灌水时间、灌水量、灌水位置、灌水成分的精确要求，又能按照田间的每个操作单元的具体条件，精细准确地调整农业用水管理措施，最大限度地提高水的利用效率和利用率。
在田间运用GPS土地参数采样器采集植物生长的环境参数，如土壤湿度、地温等，通过GPS中心控制基站利用专家系统进行植物分析，可以调控植物生长环境，精确凋控节水灌溉系统。
3.2.3精准喷药运用GPS监测病虫草害是预测预报的新手段，通过GPS系统连接高质量视频摄像系统拍摄分析图像，可以收集原始数据，监测大田作物，得出田间病虫草害分布大小位置，并可以通过逐次拍摄确认害虫的迁飞路线、种群数量和为害程度，以及病虫草害发展方向及流行趋势。
3.2.4精准耕作
将GPS,GIS和精细农业、旱作节水农业相结合，开发精细农业和田间实时导航监控相结合的地理信息管理系统，实现了田间车辆多目标监控;建立农业机械装备数据库和查询系统，可方便地进行100多种农业机械装备数据的查询、添加、删除、保存等操作;通过获取车辆的实时信息，调取地图中的信息，将田间动态的车辆信息与农业机械装备相结合实现了信息的可交互性、可扩展性和通用性。
3.3农田产量监测
目前，先进的谷物联合收割机均装配了GPS接收机和产量监控器，产量监控器所获得的产量数据可以通过GIS技术绘制成产量图直观表达出来，结合土壤分布情况，可提出当前影响作物产量的相关因素，帮助种植者评估天气、土壤养分和作业管理对作物产量的影响，为翌年生产布局和科学施肥提供决策参考，实行更精细的田间养分管理。
产量监控器由谷物流量传感器、地面速度传感器、谷物湿度传感器、计算机系统、数据存储设备和卫星接收机等部件组成。
在收获大多数谷物时，传感器置于收割机内谷物流经的地方，测量谷物的流速和湿度，根据收割谷物时收割机实时的具体位置进行数据转换，用流速除以收割面积即可得出单位面积产量。
在这个过程中，GPS接收机是产量监控器必不可少的组件之一，在农田产量监测中发挥了关键作用。
4.结论
我国是世界农业大国，人口多耕地少的基本国情决定了解决粮食问题的根本出路在于发展现代精准农业。
无容置疑，精准农业技术必将成为新世纪农业高新技术的热门课题。
我国连续几年中央“一号文件”的发布，对于改变传统落后的农业生产方式，大力发展现代精准农业技术，实现农业产业化而言是一个有力的契机。
应当抓住这个难得的机遇，以先进科技为支撑，大力发展现代精准农业。
我国各地的自然条件、社会经济条件差异明显农业生产水平差距较大,农业集约化总体水平较低GPS在精准农业中的应用极大地提高了农业生产效率,大大的提高了经济效益,从而使得精准农业的实践得到迅速的推广。
现在两者的结合只是初浅的涉及到精准施肥、灌溉、防治病虫害和机械耕作等方面,对于更精细更高要求的农业来说,还要提高GPS农业应用的精度要求,例如在制作农田电子地图、土壤采样、变量喷洒和铺设灌溉管道方面的精确定位等方面还需要多实验应用。
在设施农业发展较快的地区使用精准设施农业可增加农产品产出,提高农产品品质,节约水、肥资源,保护农业生态环境
相信在不久的将来，GPS可以在农业中发挥更大的作用。
以后安装有GPS由电脑控制的大型拖拉机能自动驾驶作业,无需人工操作,而且耕地质量高。
加强GPS的使用能更好的监测农作物的生长情况，使农场能因地制宜的种植作物。
在对品种资源的野外考察和引种研究中,利用GPS技术可以准确定位野生群落和引种区的经纬度和高度,结合GIS技术可计算出区域的面积,查询到该区域的气候条件掌握当地生态环境的状况。
将3S技术和其他技术体系相结合,精准农业可以更好的发展起来。
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