北斗/GNSS卫星定位系统在农田精准化平整中的应用

摘要：我国是农业大国，农业发展对于促进我国经济和社会的发展具有至关重要的作用;但是我国的人口数量众多，且依然面临着环境恶化和资源紧缺的问题，而农田土地的精细化平整是农业作业过程中至关重要的环节，农田土地精细平整是精细灌溉以及田间管理的重要基础，能提高农田灌溉以及肥料均匀度，改良土壤水肥分布，控制杂草、节水、节肥、节药;从而达到节本增效的效果。近年来，随着我国北斗/GNSS在各个行业的深入应用，北斗/GNSS在农田土地精细化平整中的应用已经逐步替代激光技术。北斗/GNSS卫星平地系统与激光平地系统相比作业时不受地块高低地势差限制，高程信号持续有效;不受大风、雾霾、沙尘等恶劣天气的影响。本文主要对北斗/GNSS卫星定位技术在农田土地精细化平整中的应用进行分析。

关键词：北斗/GNSS;农田土地;精细化平整;应用

一、概述

农田表面平整度差、田间灌溉工程规格不合理、灌溉管理粗放等是导致中国地面灌溉田间水利用率较低，水资源浪费严重的关键因素[1]。农田土地的精细化整平可以有效增加农田土地的耕地面积、方便机械化作业、改善农田土地土质;同时农田土地精细化整平后还有以下多重效益：

提高产量收益：通过使用北斗/GNSS卫星系统对土地进行精准整平相较于传统刮平技术可提高产量15%-30%，是未刮平土地的30%-50%;

节约灌溉用水：土地整平后能够使灌溉用水得到充分的利用，可以使水均匀的分布在土地各处，不至于水流的不均匀灌溉导致灌溉用水成本增加;

节省测量成本：使用北斗/GNSS卫星定位的平地系统后，无需专门测量土地标高，只需几分钟的培训，操作人员能准确快速地测量出土地的标高;

减少肥料流失：土地经过精准整平后，不仅水能得到精确的利用，化肥还能被保存在植物的根部，灌溉排水时可减少化肥的流失;

控制高处土壤：高处地面被精准整平后可获得均匀的高度，从而减少了水对高处土壤的冲刷，防止了高处的土壤往低处汇集。

早在上世纪90年代，我国不同地区就开始引进国外激光平地系统，经过多年的推广与发展，使用激光平地系统精准整平作业已经被更多人认可，精准整平后的土地高低差可控制在±2.5厘米内;但是激光控制平地系统易受外界环境的影响，在作业时容易受到尘土、大雾、大风、雨水等多种因素影响，从而导致基准站发射器和移动终端接收器受到较大干扰，难以正常工作，同时由于激光接收器的范围限制，导致激光平地系统的工作半径小，不适合地势高差大农田土地的整平工作。

基于北斗/GNSS卫星定位的平地控制系统定位速度快、精度可达厘米级完全满足作业需求，同时具备不受地块高低地势差限制，高程信号持续有效，不受大风、雾霾、沙尘等恶劣天气影响;可更加高效、快速的进行农田土地平整作业。

二、系统概述

1、系统组成

整个系统由北斗/GNSS高精度定位模塊、定位天线、可视化显示终端、独立控制模块、地面基准站、农田土地整平机具（适配普通平地铲、铲运机、推土机、平地机等整平机械）等组成。

2、系统原理

作业终端通过电台或者网络等无线技术接收基准站数据，通过实时解算（载波相位差分技术又称为RTK技术（Real Time Kinematic）[2]，是建立在实时处理两个测站的载波相位观测值的基础上，将基准站釆集的载波相位观测值发播给用户站，然后进行组差解算坐标，实时提供观测点的三维坐标）获取厘米级高精度数据。

平地铲的齿轮泵连接到拖拉机的后动力输出轴为系统提供液压动力[3]，电控系统通过控制电磁换向阀来控制平地铲的支撑液压缸[4]，从而控制平地铲的升降。在农田土地整平的应用中主要通过获取其实时动态高程信息;通过实时的高程信息与系统所设定的基准高程信息进行对比计算。当铲体位置较参考基准海拔高时，系统控制输出信号使限位油缸自动缩短，铲体下降，铲体进行刮土并带动土壤前行;当铲体较参考基准海拔低时，系统控制输出信号使限位油缸自动伸长，铲体上升，铲体内的土壤填补到地势较低的地面。在进行平地作业时，限位油缸根据地势高低不断伸缩，铲体对土壤不断进行刮土卸土的过程，作业一段时间后，土地能够在同一地势上形成一个平面，实现精准整平目的。

三、系统优势

（1）相对传统的精准化平地系统拥有更加简单的安装、校准方式，可通过进行手动、自动模式对平地机进行控制，同时可视化界面实时显示基准面的信息以及实时显示距离基准面的高度信息;

（2）具备作业信息存储、上传功能，可在可视化终端以及后台（PC端/手机端）实时的查看相关信息（作业人员、作业机车、作业面积、作业地块、作业位置、作业速度、作业功耗等信息）;

（3）不同颜色表示地势高低信息（相对于基准高程的绝对值差），相对于传统的农田精细化作业极大提高了作业效率，将农田地块平整信息实时的展现在可视化终端上，作业中可以准确的判断，从而能够提高30%以上的工作效率，节省时间与成本;

（4）支持平面以及斜坡模式作业、可24小时不间断作业，不受白天强光与夜间露水、大雾等影响;可连接地基增强系统实现20公里范围内的作业，具备较强的拓展性（可与北斗/GNSS农机自动驾驶系统、变量喷雾系统共享作业）。

四、实际应用

北斗/GNSS卫星定位系统在标准化农田改造、农田土地开荒、农田土地浇灌排盐碱等农田土地平整作业中得到广泛的应用。

4.1 北斗/GNSS卫星定位系统在旱平免提浆作业的应用

传统水田种植农田整地主要分成三步走：第一步：秋季收割完进行深平翻，第二步：来年春季进行旱旋耕耕地，第三步：旋耕耕地完再进行泡田后搅浆整地。

该技术存在的问题主要有：第一：需要长时间、大量水进行泡田，导致水资源浪费严重;第二：要把握好时间、技术要求高;如若执行不到位，容易导致插秧质量差、秧苗损失率高;第三：该种作业方式容易导致浆层厚度大，土壤浆层含氧量低，从而导致水稻根系生长受阻;并且整个作业过程复杂，成本较高。

为了解决传统水田种植农田整地问题，北斗/GNSS卫星定位系统在旱地免提浆[5]作业中发挥了至关重要的作用，使用北斗/GNSS卫星定位系统在秋季翻地后进行农田土地的整平作业，在农田土地整平后进行灌溉作业。通过使用该系统整平后的农田土壤可节省大量的灌溉水资源、节省灌溉时间、减少了肥水流失、节约泡田时间，从而给来年春季生产工作节约了大量的时间，同时避免因搅浆整地先后时间差，有利于土壤疏松以及土壤浆层含氧量的提高，适合水稻根系生长，利于早生根早返青，早生分蘖成大穗，增产效果明显[5]。

4.2 北斗/GNSS卫星定位系统盐碱地灌溉排盐碱作业中的应用

重度盐碱地对于很多农作物来说是禁区，种下去可能不出苗、无生长从而导致颗粒无收，土地盐碱化制约了农作作物产量，造成了作物出苗难、保苗难，苗期发育迟缓，产量低，经济效益差等后果。通过灌溉的方式排盐碱、降低农田土地盐碱度的重要方式。

通过灌溉排盐碱的过程中，农田土地整平是必不可少的重要作业环节：通过北斗/GNSS卫星定位系统精细化作业整平后的土地可实现农田灌溉均匀、排除盐碱效率高、排除盐碱均匀、节省灌溉水量、后期水肥均匀分布等优势。保障了作物后期的受水肥均匀，增加作物产量。

五、总结

基于北斗/GNSS卫星定位系统在农田精准化平整中拥有较大的优势;只要有卫星信号就可以全天候工作;相对传统模式下的精细化整平作业具备不受天气、地块影响、多模式作业等更多的优势以及可拓展性;可更加高效、更加灵活应用在农田土地精细化整平作业中。该技术在使用的过程也需注意周边遮挡环境、基准站与作业终端数据传输、基准站与作业终端基线距离等因素对于高程精度的影响。

参考文献

[1].罗小全 .卫星平地控制系统介绍.农业工程技术[J]，2018，38（18）： 70-71.

[2].徐周，GPS差分定位技术及实现方法的研究：[D].：解放军信息工程大学，2006

[3].许奕， 与轮式拖拉机配套的转动铲式水田激光平地机设计与试验[D]， 2016， 华南农业大学.

[4].胡炼， 林潮兴， 罗锡文， et al. 农机具自动调平控制系统设计与试验[J]. 农业工程学报，  2015， 31（8）：15-20.

[5].徐祥龙 暴勇 于兴龙，《农民致富之友》2019年第13期

作者简介：季刚 ，1989年02月12日 ， 男 ， 陕西西安（现籍贯  原籍贯是江西抚州） ， 本科 ， （无），上海市青浦區（上海联适导航技术股份有限公司），201799、北斗/GNSS定位系统在农业中的应用

上海联适导航技术股份有限公司 上海市 青浦区 201799