摘要：本文通過對GPS和精準農業的簡單概述，并分析了精準農業發展歷程和我國當前所面臨的問題，探討了GPS在土壤養分分布調查，監測作物產量，精準施肥，灌溉，噴藥除病蟲和機械耕作中的應用，同時也概述了GPS在精準農業應用上的發展趨勢，并提出了一些展望。

關鍵詞：GPS；精準農業；土壤養分分布調查；監測作物產量；精準施肥灌溉

       Abstract：Based on GPS and a brief overview of precision agriculture, and analyzes the precision agriculture development and the current problems facing, this paper discusses the GPS in soil nutrient distribution investigation, monitoring crop yield, precise fertilization, irrigation, spray in addition to disease and insect and mechanical work, and at the same time, the application of GPS is reviewed in precision agriculture application development trend, and puts forward some prospects.

       Keys: GPS; precision agriculture; soil nutrient distribution investigation; Monitoring crop yield; Precise fertilization irrigation

隨著科技的發展和農業生產市場化程度的提高，農業生產中降低成本，提高產出率，發展優質高效農業以及農業可持續發展等方面的要求，迫切呼喚新型農業的出現�；�于這種想法，美國率先突出了精準農業構想，以智能化監控技術以及農業專家系統共同構成了精準農業早期技術基礎。隨后，美國將GPS技術應用到農業生產領域，標志著精準農業技術體系的初步形成。

1         GPS簡介

1.1   GPS定義

  即全球定位系統（Global Positioning System）。簡單地說，這是一個由覆蓋全球的24顆衛星組成的衛星系統。這個系統可以保證在任意時刻，地球上任意一點都可以同時觀測到4顆衛星，以保證衛星可以采集到該觀測點的經緯度和高度，以便實現導航、定位、授時等功能。這項技術可以用來引導飛機、船舶、車輛以及個人，安全、準確地沿著選定的路線，準時到達目的地。

 全球定位系統(GPS)是20世紀70年代由美國陸�？杖�軍聯合研制的新一代空間衛星導航定位系統 。其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、 全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的，是美國獨霸全球戰略的重要組成。經過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座己布設完成。

 GPS全球衛星定位系統由三部分組成：空間部分———GPS星座；地面控制部分———地面監控系統；用戶設備部分———GPS 信號接收機。

1.2  GPS構成

GPS由空間部分，地面控制部分和用戶操作部分三部分組成。

1.2.1空間部分

  GPS的空間部分是由24 顆工作衛星組成,它位于距地表20 200km的上空,均勻分布在6 個軌道面上(每個軌道面4 顆) ,軌道傾角為55°。此外,還有4 顆有源備份衛星在軌運行。衛星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛星,并能保持良好定位解算精度的幾何圖象。這就提供了在時間上連續的全球導航能力。GPS 衛星產生兩組電碼, 一組稱為C/ A 碼( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一組稱為P 碼(Procise Code 10123MHz) ,P 碼因頻率較高,不易受干擾,定位精度高,因此受美國軍方管制,并設有密碼,一般民間無法解讀,主要為美國軍方服務。C/ A 碼人為采取措施而刻意降低精度后,主要開放給民間使用。

1.2.2 地面控制部分

  地面控制部分由一個主控站,5 個全球監測站和3 個地面控制站組成。監測站均配裝有精密的銫鐘和和能夠連續測量到所有可見衛星的接受機。監測站將取得的衛星觀測數據,包括電離層和氣象數據,經過初步處理后,傳送到主控站。主控站從各監測站收集跟蹤數據,計算出衛星的軌道和時鐘參數,然后將結果送到3 個地面控制站。地面控制站在每顆衛星運行至上空時,把這些導航數據及主控站指令注入到衛星。這種注入對每顆GPS 衛星每天一次,并在衛星離開注入站作用范圍之前進行最后的注入。如果某地面站發生故障,那么在衛星中預存的導航信息還可用一段時間,但導航精度會逐漸降低。

1.2.3 用戶設備部分

  用戶設備部分即GPS 信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛星截止角所選擇的待測衛星，并跟蹤這些衛星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛星信號后，即可測量出接收天線至衛星的偽距離和距離的變化率,解調出衛星軌道參數等數據。根據這些數據，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內軟件以及GPS 數據的后處理軟件包構成完整的GPS 用戶設備。GPS 接收機的結構分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內和機外兩種直流電源。設置機內電源的目的在于更換外電源時不中斷連續觀測。在用機外電源時機內電池自動充電。關機后，機內電池為RAM存儲器供電，以防止數據丟失。目前各種類型的接受機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測使用。

1.3  GPS特點

 1.3.1、定位精度高

應用實踐已經證明，GPS相對定位精度在50KM以內可達10-6，100-500KM可達10-7，1000KM可達10-9。在300-1500M工程精密定位中，1小時以上觀測的解其平面其平面位置誤差小于1mm，與ME-5000電磁波測距儀測定得邊長比較，其邊長較差最大為0.5mm,校差中誤差為0.3mm。

1.3.2觀測時間短

隨著GPS系統的不斷完善，軟件的不斷更新，目前，20KM以內相對靜態定位，僅需15-20分鐘；快速靜態相對定位測量時，當每個流動站與基準站相距在15KM以內時，流動站觀測時間只需1-2分鐘，然后可隨時定位，每站觀測只需幾秒鐘。

1.3.3測站間無須通視

GPS測量不要求測站之間互相通視，只需測站上空開闊即可，因此可節省大量的造標費用。由于無需點間通視，點位位置可根據需要，可稀可密，使選點工作甚為靈活，也可省去經典大地網中的傳算點、過渡點的測量工作。

1.3.4可提供三維坐標

經典大地測量將平面與高程采用不同方法分別施測。GPS可同時精確測定測站點的三維坐標。目前GPS水準可滿足四等水準測量的精度。

1.3.5操作簡便

隨著GPS接收機不斷改進，自動化程度越來越高，有的已達“傻瓜化”的程度；接收機的體積越來越小，重量越來越輕，極大地減輕測量工作者的工作緊張程度和勞動強度。使野外工作變得輕松愉快。

1.3.6全天候作業

目前GPS觀測可在一天24小時內的任何時間進行,不受陰天黑夜、起霧刮風、下雨下雪等氣候的影響。

1.3.7功能多、應用廣

GPS系統不僅可用于測量、導航，還可用于測速、測時。測速的精度可達0.1M/S，測時的精度可達幾十毫微秒。其應用領域不斷擴大。GPS系統的應用前景當初，設計GPS系統的主要目的是用于導航，收集情報等軍事目的。但是，后來的應用開發表明，GPS系統不僅能夠達到上述目的，而且用GPS衛星發來的導航定位信號能夠進行厘米級甚至毫米級精度的靜態相對定位，米級至亞米級精度的動態定位，亞米級至厘米級精度的速度測量和

2.         精準農業概述

精準農業(Precision Agricultural)，也叫精細農業或精確農業，是20世紀80年代初國際農業領域發展起來的一門跨學科新興綜合的以獲得農田高產、優質、高效的現代農業生產模式和技術體系。是當今世界農業發展的新潮流，是由信息技術支持的根據空間變異，定位、定時、定量地實施一整套現代化農事操作技術與管理的系統，其基本涵義是根據作物生長的土壤性狀，調節對作物的投入，即一方面查清田塊內部的土壤性狀與生產力空間變異，另一方面確定農作物的生產目標，進行定位的“系統診斷、優化配方、技術組裝、科學管理”，調動土壤生產力，以最少的或最節省的投入達到同等收入或更高的收入，并改善環境，高效地利用各類農業資源，取得經濟效益和環境效益。 精準農業由十個系統組成，即全球定位系統、農田信息采集系統、農田遙感監測系統、農田地理信息系統、農業專家系統、智能化農機具系統、環境監測系統、系統集成、網絡化管理系統和培訓系統。其核心是建立一個完善的農田地理信息系統（GIS），可以說是信息技術與農業生產全面結合的一種新型農業。精準農業并不過分強調高產，而主要強調效益。它將農業帶入數字和信息時代.

3.      GPS在精準農業的主要應用

3.1 土壤養分分布調查 

 在播種之前，可用一種適用于在農田中運行的采樣車輛按一定的要求在農田中采集土壤樣品。車輛上配置有 GPS接收機和計算機，計算機中配置地理信息系統軟件。采集樣品時，GPS接收機把樣品采集點的位置精確地測定出來，將其輸入計算機，計算機依據地理信息系統將采樣點標定，繪出 一幅土壤樣品點位分布圖。

3.2 監測作物產量  

在聯合收割機上配置計算機、產量監視器和GPS接收機，就構成了作物產量監視系統。對不同的農作物需配備不同的監視器。例如監視玉米產量的監視器，當收割玉米時，監視器記錄下玉米所接穗數和產量，同時GPS接收機記錄下收割該株玉米所處位置，通過計算機最終繪制出一幅關于每塊土地產量的產量分布圖。通過和土壤養分含量分布圖的綜合分析，可以找出影響作物產量的相關因素，從而進行具體的田間施肥等管理工作。 

3.3 GPS與農田管理

在作物生長期的管理中，利用遙感圖象并結合GPS可繪出作物色彩變化圖。利用GPS定位采集一定數量的土壤及作物樣品進行分析，可以繪制出作物生長的不同時期的土壤含量的系列分布圖。這樣可以做到精確地對作物生長進行管理。  

利用飛機進行播種、施肥、除草等工作，作業費用昂貴。合理地布設航線和準確地引導飛機，將大大節省飛機作業的費用。據國外介紹，利用差分GPS對飛機精密導航，估計會使投資降低50%。具體應用中，利用GPS差分定位技術可以使飛機在噴灑化肥和除草劑時減少橫向重疊，節省化肥和除草劑用量，避免過多的用量影響農作物生長。還可以減少轉彎重疊， 避免浪費，節省資源。對于在夜間噴施，更有其優越性。因為夜間蒸發和漂移損失小，另外夜間植物氣孔是張開的，更容易吸收除草劑和肥料，提高除草和施肥效率。依靠差分GPS進行精密導航， 引導農機具進行夜間噴施和田間作業，可以節省大量的農藥和化肥。

  GPS技術在農業領域中的應用不僅是大面積種植，在小面積的農田，特別是在格網種植的小面積內，應用小型自動化設備，配合差分GPS導航設備、電子監測和控制電路，能夠適應 科學種田的需要，作到精確管理。這種投資較低、安裝方便、操作靈活。

4 存在問題

我國對精準農業理論和實踐上掌握的不夠，了解相關知識的人在不多，且我國農業高分 散和高強度的開發，農業面積大，各地區發展水平，狀況不同。主要問題主要表現在農業生產設施水平不夠高，農業生產操作偏向傳統化，其次為農民對精準農業的認識不夠，掌握專業性知識的專家缺乏實踐應用的機會。因此需要國家投入大量的資金來鼓勵和培養懂科學的人才，讓農業的產量和效率大大提高。

5 展望

我國是世界農業大國,人口多耕地少的基本國情決定了解決糧食問題的根本出路在于發展現代精準農業 。無容置疑 ,精準農業技術必將成為新世紀農業高新技術的熱門課題 。我國連續幾年中央 “一號文件 ”的發布 ,對于改變傳統落后的農業生產方式 ,大力發展現代精準農業技術 ,實現農業產業化而言是一個有力的契機 。應當抓住這個難得的機遇 , 以先進科技為支撐 ,大力發展現代精準農業。

相信在不久的將來，GPS可以在農業中發揮更大的作用。由電腦控制的安裝有GPS的大型拖拉機能自動駕駛作業,無需人工操作,而且耕地質量高。同時也可以加強GPS的使用就能更好的監測農作物的生長情況，使農場能因地制宜的種植作物。在對品種資源的野外考察和引種研究中,利用GPS技術可以準確定位野生群落和引種區的經緯度和高度,結合GIS技術可計算出區域的面積,查詢到該區域的氣候條件掌握當地生態環境的狀況。只有將3S技術和其他技術體系相結合,精準農業才能夠有更好的發展起來

參考文獻：

[1]張柏.中國發展精準農業耕作的基本分析及設計[J].地理科學，2000，20(20)：110～114.

[2]徐紹銓 ,張華海 ,楊志強,等. GPS測量原理及應用 [M ]. 武漢:武漢大學

[3]盧建剛,過靜君  GPS在精細農業中應用的研究 [J ].工程勘查 , 2002(1):50-52.