基于3S 技术高精度自动化灌溉系统信息化平台设计

柳智鑫　王晓娟

摘 要：运用3S技术和计算机控制系统，实时获取农用小区作物生长实际需求的信息，同时结合试验田的土壤和作物的水分数据，通过信息处理与分析，按需给作物进行施水的技术。应用GPS定位功能，在控制平台上还能精确的显示出每个灌溉设备的工作状态，是否做好了作业的准备。同时，利用传感器技术把灌溉设备的工作数据实时的传送到数据平台，为工作人员的维修提供数据支持。

关键词：3S 喷灌系统 信息化

Design of Information Platform for High-precision Automatic Irrigation System Based on 3S Technology

Liu Zhixin，Wang Xiaojuan

Abstract：Through information processing and analysis， the article studies the use of 3S technology and computer control system to obtain real-time information on the actual needs of crop growth in agricultural plots， combining with the soil and crop moisture data in the test field， the technology of watering crops on demand. Using GPS positioning function， the control platform can also accurately display the working status of each irrigation equipment and whether it is ready for operation. At the same time， sensor technology is used to transmit the working data of irrigation equipment to the data platform in real time to provide data support for the maintenance of the staff.

Key words：3S sprinkler irrigation system， informatization

随着我国城镇化速度的加快，越来越多的农村人口涌入城市，农村中的剩余劳动力变少，这就要求我国加快农业的现代化水平。本课题针对我国的北方地区普遍所采用手动开关控制的喷灌设备，其控制核心为低压电气触点开关。它的缺点为控制的精度和准确度不高，设备在行走过程中轨道过宽，而且容易出现控制失灵的等问题如：多个行走电机速度不同就会导致设备翻车、对农作物造成碾压损害，还会导致喷灌水量的不均匀，从而导致农作物产量低、质量差，喷灌设备易损坏维修费用高等。如何实现高精度自动喷灌成为农业自动化的一个难题。针对此难题本课题采用3S技术的精细灌溉技术。运用全球卫星定位系统（GPS）和地理信息系统（GIS），遥感技术（RS）和计算机控制系统，实时获取农用小区作物生长实际需求的信息，通过信息处理与分析，按需给作物进行施水的技术，可以最大限度提高水资源的利用率和土地的产业率。利用PLC和变频技术为核心的自动化控制系统能够实时响应信息化平台发出的指令，高效率、高精度的完成喷灌任务。

1 3S技术

3S技术是结合空間、传感器、卫星定位与导航、计算机等多学科技术集成的对地球表面的空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术[1]。在现今科技水平飞跃发展的时代，我国的传统农业的弊端已经显露，人均占有耕地面积减少、水土流失严重、水体污染等问题制约着我国农业及其经济水平的发展[1]。而结合3S技术的精准农业广泛地运用到现代农业。本文将介绍利用3S技术在高精度自动化灌溉系统中信息化平台设计。

2 遥感（RS）在高精度自动化灌溉系统中信息化平台设计应用

2.1 RS

遥感（RS）。即遥远的感知，是运用在不同平台上的传感器对远距离目标或自然现象进行探测，利用不同地物的反射率不同的特性来获取地表信息[2]。

2.2 RS在作物长势监测与作物估产中的应用

作物长势监测与作物估产即利用遥感技术对作物生长情况、趋势进行观测，以此估计作物量与品质[2]。目前作物长势监测最常见的就是运用NDVI、新发展的EVI指数等来估算生物量、作物产量等反映作物生长特征因子的直接观测法。

2.3 RS 在农业旱情监控的应用

在干旱监测中，针对遥感数据不同波段构建土壤水分指数运用广泛。如通过地表温度LST和NDVI指数之间的关系，建立温度植被干旱指数TVDI干旱监测模型，并且进行干旱等级划分，并对内蒙古地区进行旱情监测[5]。旱情监控为较为典型的一种农业灾害应用，除此以外在应对洪涝、冷冻等灾害也常利用遥感技术监测。光学遥感数据如TM和SPOT等，一般可对农业受损进行评估[6]。利用作物关键生育时期的Landsat8OLI高清影像进行监督分类，提取作物种植面积分布。

2.4 遥感技术在精准化灌溉的应用

精准化施肥与灌溉是可以帮助农业技术人员精准施肥、灌溉，获取最大收益。如将 GeoEye-1高分辨率遥感影像数据与氮肥优化算法（NFOA）相结合，开展了冬小麦氮肥推荐应用研究[9]。宋文龙等基于GF-1较高空间分辨率卫星数据，通过光谱匹配方法像元尺度用，并引入OTSU自适应阈值算法，构建了高分辨率灌溉面积遥感。

3 地理信息系统（GIS）在精准灌溉系统的应用

3.1 GIS

GIS是在计算机硬件与软件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间系统[11]。

3.2 GIS在灌溉系统资源信息管理中的应用

GIS 能将人们从事农业生产或相关农业经济活动所利用的各种资源紧密联系并使各自都发挥出最大作用。建立的基本农田灌溉数据库管理系统[12]与宁方志建立的土地利用现状调查管理系统[13]都属于利用GIS的空间管理优势将自然资源联系管理。

3.3 GIS在农业灾害防治中的应用

GIS通过提取各个威胁因子实现对灾害区的孕灾条件信息量化，可以进行灾情预警、灾害程度与损失状况评估等应用，以及时减少人民财产损失。如杨志捷等利春小麦抽穗至成熟期间气象观测资料、春小麦品种试验的发育期观测资料以及春小麦播种面积、产量和单产资料等，利用GIS技术开展内蒙古春小麦干热风风险精细化区划与评估[14]。

GIS在病虫灾害主要作用包括探寻分析病虫成因与规律、评估灾害发生时适宜因子、预测灾害演变趋势，从而建立农业自然灾害科学数据库和农业自然灾害信息系统[11]。我国已成功将GIS应用到了棉蚜虫、松毛虫等害虫防治工作上。如蒋杰贤等运用地统计学方法GIS分析了桃树桃蚜和草间钻头蛛种群的空间结构，并模拟了其种群空间分布格局[15]与周文杰等建立的棉蚜虫害监测预警系统[16]。

4 全球导航卫星系统（GNSS）在精准农业中的应用

随着中国自主研发的北斗卫星导航系统（BDS）建设发展，美国全球定位系统（GPS）不再是GNSS的代名词。但现目前GPS仍是运用最广泛的卫星导航系统。

4.1 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[1]。

4.2 GPS 在智能农业机械作业中的应用

智能化农业动态定位根据管理信息系统发出的指令，实现田间耕作、施肥、灌溉、喷药等精确定位操作[17]。现国内的研究基于前人的基础更加深入，如魏少东为解决单一的导航系统不能满足现在化农业机械的导航定位的精度要求，将GPS技术与惯性导航组合导航系统，研究了一套果园机械自动导航控制系统实现果园机械自动化作业[17]。

4.3 GPS 在农田信息采集中的应用

GPS的准确定位功能为农业技术人员统计各个地理位置的农作物状态提供了便捷。近些年已有不少学者针对农作物生长状况进行数据采集研究。如陈宏等研制的基于GPS 的农田信息采集系统既能实现农田信息的准确采集，还可以在手机客户端进行实时监测，又能实现采集地点的实时定位功能[18]。对提高农作物产量，降低劳动力成本具有重要意义。

5 结语

在全面建成小康社会的紧要关头，为了满足经济与人类发展需求，必须促进农业的持续发展，精准农业技术的出现协调了矛盾。精准农业是3S技术与自动化技术的综合应用，结合田间最小单元的具体条件，最优化配置耕地资源与劳动力投入，定量化精准田间管理，以提高农作物产量与质量、降低生产成本，减小农业活动为周边环境带来的污染及其他不利影响。精准农业的施行将我国农业发展代入一个新的台阶，不仅极大地提高了农业生产力，也在自然资源、环境、农业生产、农业管理等方面具有重要作用与意义。

内蒙古自治区高等学校科学研究项目，编号：NJZC17476;内蒙古自治区高等学校科学研究项目，编号：NJZY17475。

参考文献：

[1]母金梅，申志永.3S 技术在我国农业领域的应用[J].农业工程，2011（2）：74-76.

[2]温鹏.农业遥感研究现状与展望[J].经营管理者，2017（15）：219.

[3]刘新杰，魏云霞，焦全军，等.基于时序定量遥感的冬小麦长势监测与估产研究[J].遥感技术与应用，2019，34（04）：756-765.

[4]黄青，刘航，邹金秋.2017年巴西大豆长势遥感监测数据的分析研究[J].中国科技资源导刊，2017，49（6）：60-65，75.

[5]高雅.基于遥感干旱指数与叶绿素荧光的农业干旱预警研究[D].黑龙江大学，2019.

[6]陈仲新，任建强，唐华俊，等.农业遥感研究应用进展与展望[J].遥感学报，2016，20（05）：748-767.

[7]刘创.基于敏感光谱特征的小麦白粉病遥感监测研究[D].安徽大学，2019.

[8]陈颖姝，张晓春，王修贵，等.基于 Landsat8 OLI 与 MODIS 数据的洪涝季节作物种植结构提取[J].农业工程学报，2014，30（21）：165-173.

[9]张秋阳，杨贵军，徐新刚，等.基于 GeoEye-1 高分遥感影像的冬小麦氮肥推荐应用[J].麦类作物学报，2014，34（12）：1685-1693.

[10]宋文龙，李萌，路京选，等.基于 GF-1 卫星数据监测灌区灌溉面积方法研究——以东雷二期抽黄灌区为例[J].水利学报，2019，50（07）：854-863.

[11]孟伟，高吉喜，陈佑启，等.GIS 技术在环境资源工作中的应用与发展[J].地理信息世界，2004（05）：19-22.

[12]刘兵.基于 MapGIS 的基本农田数据库管理系统研究[D].天津大学，2017.

[13]宁方志.基于 WebGIS 的土地利用现状调查管理系统建设与应用[D].山东科技大学，2017.

[14]杨志捷，金林雪，武荣盛，等.基于 GIS 的内蒙古春小麦干热风风险精细化区划[J].干旱气象，2019，37（05）：866-872.

[15]蒋杰贤，万年峰，季香云.基于地统计学和 GIS 的化学农药胁迫下桃树桃蚜与草间钻头蛛种群空间格局[J].中国生态农业学报，2015，23（07）：906-913.

[16]周文杰，赵庆展，靳光才，等.基于移动 GIS 的棉蚜虫害监测预警系统的构建[J].河南农业科学，2016（9）：163-168.

[17]魏少东.基于 GPS 和惯性导航的果园机械导航系统研究[D].西北农林科技大学，2013.

[18]陈宏，王维洲，廖志军，等.基于 GPS 的农田信息采集系统研究[J].國外电子测量技术，2018，37（03）：97-102.