精确农业变量施肥精度研究

精确农业（精准农业，Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ｏｒ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　 Ｆａｒｍｉｎｇ）是近年来国际上农业科学研究的热点领域。作为信息农业的一 种表现形式或组成部分，是近年来美国、加拿大、英国等发达国家正热衷 研究和探讨的未来农业的代名词。精确农业的核心是ＧＰＳ、ＧＩＳ、ＲＳ支持下 的精确定位与变量投入作业。　 随着精确农业技术的发展，变量施肥技术的研究与应用也越来越引 起人们的注意。土壤养分存在明显的变异是变量施肥研究的出发点和依 据，传统的施肥方法往往选取一片面积较大的农田（如一个自然村的全部 农田）进行采样和测土，进而计算该片农田的施肥量，这种方法忽视了土 壤养分分布的时空变异，容易造成肥力低的土壤施肥不足，而肥力高的土 壤施肥过量。事实上土壤是“一步三变土”，即使在一块较小的农田里， 土壤肥力也是变化的、非均一的。　 精确农业中的变量施肥技术的应用是指根据田块的不同要求，有针 对性地撒施不同配方及不同量的混合肥的实时控制技术。根据空间差异性 的分布，因地制宜，把大块农田细化为小块农田，针对小块农田进行采样、 测土和决策，按需要变量调整化肥使用，从而达到减少投入，增加产量， 提高农资利用率，减少环境污染的目的。可见为取得良好的经济效益和环 境效益，适应不同地区、不同作物、不同土壤和不同作物生长环境的需要， 变量处方施肥是未来施肥的发展方向。　 在变量施肥技术系统中变量施肥机的作业精度对变量施肥的实施效 果有着至关重要的影响。经过施肥决策，不同田块单元对应不同的施肥量 -78- 摘要　 而不是过去的所有单元都采用同一施肥量，最终达到减少投入和提高作业 经济性。但是如果施肥机的控制精度不能保证，必然又造成肥料浪费，使 精确农业体系的“精确”的概念失去意义。可见，研究变量施肥机的作业 施肥精度具有重要的意义。　 本文的研究是吉林省科委项目：精确农业自动变量施肥技术的研究 （课题编号 ２００００２０１－３－１）的一部分。该项目的研究内容包括：建立吉 林省中部相关耕地土壤养分地理信息数据库；　建立吉林省中部相关耕地 施肥专家系统；ＧＰＳ 定位精度研究，以达到准确定位操作单元；建立自动 变量施肥系统；自动变量施肥机研究。签订的技术指标施肥量 ８０－４００ 公 斤／公顷，无级调节，误差不大于 ８％。对施肥系统施肥精度的研究是本 文研究的重点。本文的研究同时受到吉林省农业开发办公室项目“吉林省 榆树市变量施肥技术试验与示范”的资助。变量施肥技术是精确农业的重 要组成部分，也是发达国家研究较为成熟的部分，本文的研究对在我国发 展精确农业以及农业的可持续发展都具有积极意义。 本文的主要工作有： 1、系统地介绍了精确农业的概念、技术组成，分析了精确农业在国 内外的研究方法和现状以及变量施肥的意义。 2、介绍了本文研究的变量施肥系统的组成及变量施肥控制原理，重 点介绍了与本文研究关系密切的 GPS 系统以及变量控制系统。 3、分析了本研究中的施肥原理以及可能影响施肥量、施肥精度的主 要因素。 4、通过在模拟田间作业的土槽试验台对施肥机的性能测试和数据的 深入分析，从标定控制曲线入手，提高控制精度；通过对排肥器排肥精度 的测试与试验分析，提出提高排肥精度的措施，并经过试验验证，使排肥 器的性能得到改善，找出排肥器精度分布的曲线；对影响施肥精度的速度 -79- 吉林大学硕士学位论文　 因素，设计两种类型速度传感器：角度数字编码器和接近开关测速传感器， 研究两种传感器对施肥精度的影响；通过模拟田间试验的实验室土槽试验 考查打滑率在变量施肥作业中的影响。 分析GPS定位、测速原理，深入分析GPS测速精度。GPS测速大致有3 种方法：第一是基于GPS高精度定位结果，通过位置差分获取速度；第二 是利用原始多普勒观测值直接计算速度；第三是利用载波相位中心差分所 获得的多普勒观测值来计算速度。这3 种方法之间有一定的联系，都源于 速度的数学定义公式。不过由于计算思路不同,所利用的观测量也不同,部 分方法还作了不同程度的近似假设,所以它们所确定的速度的精度也不 同。位置中心差分法、载波相位中心差分法只有在载体作匀速运动时才成 立，所以它们的测速精度不仅与载波相位观测值的精度有关，而且还受到 载体运动状态的影响。如果载体运动不符合匀速运动,其速度精度必定受 影响,而且速度变化越大,速度测量误差就越大。载体作非匀速运动, 对位 置中心差分法测速的影响要大于载波相位中心差分。载体匀速运动时,位 置差分和载波相位中心差分确定的速度的精度基本相同,但稍优于原始多 普勒观测值所确定的速度的精度均达到mm/s级精度。载体非匀速运动时 载波相位中心差分法和位置中心差分法分别达到厘米/秒级和分米/秒级精 度提出采用GPS速度代替地轮速度传感器。通过田间施肥精度检测验证 GPS测速对施肥精度的影响。 分析引起变量施肥机在低施肥量时排肥精度差的因素。主要是由于 步进电机的低频特性的影响