基于GPS、GIS及虚拟仪器的精细农业信息采集与处理技术的研究

精细农业是21世纪农业发展的一个重要方向，将推动粗放型农业向知识型、技术型的现代农业转变，在发达国家已被认为是跨世纪作物生产管理的一场革命。精细农业的核心是针对农作物的生长环境及生长状况在空间和时间分布上存在的差异，实施精确的变量管理措施，实现低投入、高效率、可持续的农业生产。精细农业的实施主要包括三个环节：农田信息的采集、信息的管理与决策、变量作业，其中农田信息的采集是实施精细农业的前提。本文结合我国的实际情况，重点研究了基于GPS、GIS及虚拟仪器的农田信息的采集与处理技术，主要研究内容如下： 1)在分析GPS卫星定位原理及输出语句数据格式的基础上，设计了OEM型GPS接收机与计算机的硬件接口及WINDOWS通讯程序，实现了GPS数据的计算机实时采集。给出了GPS数据的处理方法，提出了使用三角形分割法计算农田的面积的方法，并编程实现了农田面积的GPS测量计算。 2)对4种不同类型的GPS接收机的定位精度进行了试验。静态试验结果表明，Ag132定位误差为0.3696m，定位精度最高，其次为MAP330和GPS25 OEM板，而MAP315最差。在GPS面积测试中，动态移动测量的精度与静态定位测量的精度相当，边长及面积的误差均小于5％，测量精度较高，能满足精细农业测量的要求。 3)针对农田信息采集的特点，研究了农田信息的采样方案，提出了多种采样策略，认为应根据具体的测量要求采用相应的采样方案。设计了农田信息数据采集平台，采用网络分布式结构及模块化设计思想，将采集的信号分为模拟信号、数字信号和频率信号，并设计统一的模块加以采集，平台具有很好的通用性和可扩展性。 4)建立了基于GPS的农田地理信息无线测量系统，该系统由GPS接收机、测量仪、GSM无线通讯模块及计算机组成，通过GPS测量农田的地理信息，以无线通讯的方式将测量数据实时传送到计算机中。解决了GPS数据存储、测量系统的移动性及系统长时间测量等难题，试验表明该测量方式是可行的，且数据通讯距离几乎不受限制。 5)研究了土壤水分快速测量方法及测量原理，研制了基于GPS定位的土壤水分快速测量仪。试验表明，土壤水分在农田平面上的分布存在很大的差异，含水率分布在17.5％～40.5％之间；土壤水分在截面上的分布上存在分层现象，且随着深度的增加，土壤含水率有先增加后逐渐减少的趋势。土壤水分分布的差异为精确节水灌溉提供了依据。 浙江大学博士论文 摘要 6）分析了多种农田信息空间插值方法。距离反比法插值对距离比较敏感， 出现很多以采样点为中心的圆形分布，在以点为中心呈扩散状分布的农田信息， 采用距离反比法具有较好的插值效果。样条法插值获得的等值线分布图比较光 滑，当采样点比较密集时，具有较好的插值效果，运算速度也较快。克立格插值 对数据呈正态分布的空间样本具有很好的插值效果，并且能够分析插值误差，但 运算速度最慢，且需要人工判断选择拟合模型。 7）使用四种拟合模型对农田速效钾的分布进行克立格插值试验，结果表明 采用不同的拟合模型，插值的效果存在差异，其中高斯模型的拟合程度最佳，线 性模型其次，而指数模型和球状模型较差。在克立格插值分析中，应根据农田信 息的实际情况，采用不同的拟合模型。 8）研究了虚拟仪器技术在农田信息采集中的应用。建立了土壤pH值和电 导率的虚拟仪器测量系统，系统由测量电极、高阻放大电路、DAQ卡及计算机 系统等组成，使用LabVew设计虚拟仪器程序。试验结果表明使用虚拟仪器测 量农田信息是可行的，可将虚拟仪器作为农田信息采集的统一平台。