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        北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領域上的發(fā)展現(xiàn)狀分析

        2020-12-18 07:52:44黃盛杰
        農(nóng)業(yè)裝備技術 2020年4期
        關鍵詞:農(nóng)業(yè)機械農(nóng)機衛(wèi)星

        鄭 巍,黃盛杰,陳 智

        (江蘇省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站,江蘇 南京 210017)

        1 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)簡介

        北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)是由中國獨立建造和運營的衛(wèi)星導航系統(tǒng),著眼于國家安全以及經(jīng)濟和社會發(fā)展需要,意在為全球用戶提供全天候、全天時、高精度定位、導航和授時服務的重要國家空間基礎設施。

        上個世紀末,我國開始了探索適合本國國情衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展道路,并逐步形成了三步走的發(fā)展戰(zhàn)略:到2000年底,北斗一號系統(tǒng)建成,能為國內(nèi)提供服務;到2012年底,北斗二號系統(tǒng)建成,能為亞太地區(qū)提供服務;在2020年前,建立北斗全球體系,為全球提供服務。在2035年前,建立和完善更普及、更集成、更智能的集成時空系統(tǒng)。

        隨著北斗系統(tǒng)建設和服務能力的發(fā)展,相關產(chǎn)品已廣泛應用于交通運輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預報、測繪地理信息、森林防火、通信時統(tǒng)、電力調(diào)度、救災減災、應急搜救等領域,逐步滲透到人類社會生產(chǎn)和人們生活的方方面面,為全球經(jīng)濟和社會發(fā)展注入新的活力。

        2 BDS 系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)方面的應用

        2.1 應用于土壤環(huán)境勘察

        農(nóng)作物種植前需要對農(nóng)田種植環(huán)境進行檢測,對土壤環(huán)境進行技術勘察,并且根據(jù)相關技術參數(shù)做好農(nóng)作物種植方案的選擇。以往人工方式的勘察活動,結果準確率得不到保障?;贐DS 系統(tǒng)的應用,準確獲取采樣位置信息,將化驗后的土壤肥力信息與位置信息結合,獲得土壤肥力分布圖,實現(xiàn)對擬種植土地土壤環(huán)境的檢測與分析,收集土壤中水分、營養(yǎng)物質(zhì)以及化學結構信息,為農(nóng)作物選擇與種植提供數(shù)據(jù)保障。

        2.2 應用于作物成長監(jiān)控

        農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,農(nóng)作物成長周期較長,其生長情況受到天氣條件、土壤、水源以及施肥量等多種因素影響。在此過程中,針對農(nóng)作物進行必要監(jiān)控,強化種植過程管理工作,具有重要意義和價值。然而,傳統(tǒng)工作模式下,人工監(jiān)測方式存在管理不足、監(jiān)視工作效率低等問題。而BDS 系統(tǒng)的應用,可利用衛(wèi)星定位技術發(fā)現(xiàn)目標農(nóng)作物,期間利用傳感器裝置傳遞農(nóng)作物生長、病蟲害信息。提升對農(nóng)作物成長環(huán)境的技術監(jiān)控,并對生產(chǎn)管理決策提供技術支撐。

        2.3 應用于無人駕駛拖拉機

        借助遠程操控系統(tǒng)可以對農(nóng)業(yè)機械遠程控制,進行現(xiàn)場無人駕駛操作。其基本工作原理是利用BDS 的定位技術和安裝在拖拉機上的攝像機實時收集相關數(shù)據(jù),以便控制中心的技術人員可以實時掌握情況,然后進行對應的操作。通過安裝在車輛上的BDS,可以將農(nóng)田劃分為數(shù)據(jù)網(wǎng)格以嚴格按照既定程序進行精確耕種,以實現(xiàn)無人操作的數(shù)字精確作業(yè)[1]。這種農(nóng)機的應用大大提高了耕作效率,減少了勞動者的工作量。同時,可以高質(zhì)量的保證耕種質(zhì)量。此種農(nóng)機還可以選擇在夜間工作,同時減少能源消耗和肥料使用量。

        2.4 應用于農(nóng)業(yè)航空上

        BDS 還可以應用于農(nóng)業(yè)航空上,基本原理是根據(jù)不同區(qū)域的差異,施用恰到好處的農(nóng)藥和化肥。當農(nóng)用飛機到達指定作業(yè)區(qū)域時,BDS 系統(tǒng)會對該作業(yè)區(qū)域的基本信息做分析并傳遞到控制中心,然后做精準定位和自動導航,按照BDS 系統(tǒng)發(fā)出的作業(yè)命令,對指定區(qū)域噴灑藥物。BDS 技術和農(nóng)業(yè)航空的深度融合極大的促進了國內(nèi)農(nóng)業(yè)機械領域的快速發(fā)展。這一技術一方面可以節(jié)省勞動力,縮減勞動時間,另一方面不浪費農(nóng)藥和化肥,大大降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

        2.5 應用于收割機與播種機

        發(fā)達國家已經(jīng)很早的使用GPS 技術于農(nóng)業(yè)機械之中,在國外已經(jīng)具有成熟的GPS 技術應用于收割機和播種機。目前國內(nèi)BDS 技術的發(fā)展水平還處于起步階段,距離國際發(fā)展水平還有一定差距。其技術原理是在相關傳感器配合下使用BDS 技術把農(nóng)田數(shù)字化處理并進行農(nóng)田分區(qū)。通過數(shù)據(jù)中心的計算得到整個農(nóng)田的農(nóng)作物產(chǎn)量和其他相關數(shù)據(jù),以獲得產(chǎn)量分布圖。然后利用以上分析結果自動獲得機械的相關參數(shù),如收割速度、脫粒進料量等,從而制定出最佳的收割計劃,實現(xiàn)收割質(zhì)量和效率的優(yōu)化。以上過程可以通過計算機技術開發(fā)相應軟件做到智能控制。在具體使用中,采用按需分配的基本依據(jù),并配置合理的機械設備,確保耕地科學合理地運行。同時,對于有間距要求的秧苗移栽播種和標準化種植,精度可以達到厘米水平,能夠達到很好的播種效果,均勻性、播種深度都很好[2],從而提高農(nóng)作物對陽光的利用效率,獲得最科學的種植技術。

        2.6 應用于農(nóng)機管理

        傳統(tǒng)農(nóng)機作業(yè)監(jiān)控工作效率較低,對于現(xiàn)代化技術的應用能力不夠,農(nóng)田作業(yè)機械化發(fā)展水平將受到限制,并且以往農(nóng)機作業(yè)監(jiān)控技術集約化程度也不夠?;贐DS 系統(tǒng)的應用,有利于農(nóng)田作業(yè)監(jiān)控能力提升。技術應用中,如農(nóng)業(yè)機械導航感知單元,安裝在農(nóng)業(yè)機械上的攝像頭、耕深傳感器等,可實現(xiàn)對農(nóng)田現(xiàn)場作業(yè)質(zhì)量監(jiān)控,通過后臺算法可實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械作業(yè)面積的統(tǒng)計與計算。例如,可以全面掌握每臺機器的具體位置及其當前的工作狀況,并且可以通過計算機分析和匯總有關整個機器使用的相關數(shù)據(jù),獲得機器在作業(yè)區(qū)域的工作距離和工作時間后根據(jù)油耗和機械損耗的程度在合適的位置布置加油站和養(yǎng)護站。這樣,既可以保證機械作業(yè)的可靠性,技術人員也可以知道故障農(nóng)業(yè)機械的位置。此外,配備BDS 系統(tǒng)的農(nóng)機還可以在實現(xiàn)自身的安全保護,例如自動報警功能和車鎖功能,其原理與普通車輛相同,控制中心可以設置行駛速度警報值。一旦機械行駛超速,超速信息會立即傳遞到控制中心,控制中心可以及時調(diào)整農(nóng)機距離[3]。當這一技術應用于飛機上時,可以控制飛機和作物之間以及飛機與飛機之間的安全飛行間距。通過這種技術的數(shù)字化控制,可以對飛機的每一個動作進行標準化定位,實現(xiàn)速度的控制與安全性的控制。甚至在大霧天氣情況下,可以實現(xiàn)自動盲降,極大地提高飛行的安全和作業(yè)質(zhì)量。

        3 BDS 系統(tǒng)應用存在的問題

        盡管BDS 系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機械領域的應用具有許多優(yōu)勢,例如精確定位、導航、實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及作業(yè)質(zhì)量與產(chǎn)量的實時監(jiān)測,但是由于受許多現(xiàn)實情況的限制,衛(wèi)星定位技術在中國農(nóng)業(yè)機械發(fā)展上仍然有很多問題[4]。

        3.1 地區(qū)差異大

        我國的耕地面積較大,不同地區(qū)的農(nóng)業(yè)用地存在的地形地貌也有著很大的差異,除了北方平原地區(qū)的農(nóng)業(yè)耕地大面積相連接以外,剩余地區(qū)由于地形不平、地塊面積小等問題,并不適合大規(guī)模農(nóng)機作業(yè),同時受到土壤、氣候、海拔等因素的影響,許多農(nóng)機不能使用。這些原因?qū)е罗r(nóng)業(yè)機械自動化程度、種類、型號等方面存在很大差別,不利于BDS 系統(tǒng)的廣泛普及。

        3.2 技術難度高、人才少

        衛(wèi)星定位技術屬于高新技術,所涉及的知識面非常廣泛,所依托的技術層面和科學類別也很多,因此單獨應用于農(nóng)業(yè)機械的衛(wèi)星定位技術的研發(fā)存在著較多的問題,由于現(xiàn)階段對農(nóng)機衛(wèi)星的重視度不夠高、研發(fā)經(jīng)費非常有限、相關科研團隊和從業(yè)人員比較少、農(nóng)機衛(wèi)星行業(yè)利潤低等因素,都大大限制了農(nóng)機衛(wèi)星定位技術的發(fā)展。

        3.3 安裝、使用費用高

        盡管我國的BDS 系統(tǒng)已經(jīng)研發(fā)成功,并且已經(jīng)基本完成全球布網(wǎng),但目前的應用范圍還是相對較小,在農(nóng)業(yè)機械上的使用剛剛開始。并且衛(wèi)星定位系統(tǒng)的安裝和使用成本高,許多農(nóng)場和農(nóng)村家庭負擔不起這一費用,這在一定程度上限制了BDS 技術的推廣。

        3.4 農(nóng)民使用有一定困難

        BDS 系統(tǒng)涉及物聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器技術、計算機技術,必須要經(jīng)過專業(yè)的培訓才能操作和使用。農(nóng)民要學習和使用BDS 系統(tǒng)具有一定的難度,對于系統(tǒng)出現(xiàn)問題的處理能力較弱,而專門BDS 技術服務的專業(yè)人員較少,服務水平參差不齊。

        3.5 衛(wèi)星定位產(chǎn)品參差不齊

        目前,我國市場上用于農(nóng)機的衛(wèi)星定位產(chǎn)品存在功能不完善、品種單一、質(zhì)量不足等問題,國內(nèi)相關產(chǎn)品生產(chǎn)公司不注重技術自主研發(fā),一味地仿造國外先進產(chǎn)品,在技術先進程度、開發(fā)能力上有很大不足。

        4 BDS 系統(tǒng)發(fā)展趨勢

        中國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國,隨著農(nóng)業(yè)機械化的快速發(fā)展,衛(wèi)星定位技術對農(nóng)業(yè)機械化的重要性愈發(fā)凸顯,在一定程度上影響著農(nóng)業(yè)機械化的未來發(fā)展方向。利用衛(wèi)星定位技術對農(nóng)機進行導航定位已經(jīng)可以在一定程度上提高農(nóng)機的工作效率和運行質(zhì)量,還可以減輕農(nóng)機駕駛員的工作強度,但DBS 系統(tǒng)的發(fā)展和應用是非常廣泛的,其實際的應用價值遠遠不止于此。

        4.1 向具有高適應能力發(fā)展

        相比于其他由于農(nóng)業(yè)機械的惡劣工作環(huán)境,這要求導航系統(tǒng)具有較高的適應性,以應對不同情況下的農(nóng)業(yè)機械操作,例如在衛(wèi)星信號干擾的情況下,更先進的分析技術或視覺導航技術可確保農(nóng)業(yè)機械可以在信號較弱的區(qū)域行駛。再例如,當農(nóng)業(yè)機械在預定路線行駛中遇到意外情況時,需要調(diào)整行駛路線,或者需要改變行駛路線,要求導航系統(tǒng)及時設計新的工作路線以確保農(nóng)業(yè)作業(yè)的可靠性。農(nóng)機衛(wèi)星定位傳感器需要具有一定的適應性,可以應付噪聲、氣候、地理環(huán)境等因素的干擾,以適應農(nóng)機工作的復雜環(huán)境,確保農(nóng)機工作效率。

        4.2 向更實用方向發(fā)展

        衛(wèi)星定位技術將更實際地指導農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展,近年來,也成功開發(fā)了用于蔬菜和水果的自動收割機器人。在BDS 定位和導航的控制下,農(nóng)業(yè)機械正朝著無人駕駛和自動收割邁進。比如在平原地區(qū)大面積的連接田地,采用BDS 技術呈圖,再利用相關處理技術配合標準化農(nóng)業(yè),得出農(nóng)田的整體數(shù)據(jù)情況,知道農(nóng)田土壤的相關生化指標(濕度、溫度、化學成分、排水溝等),其技術在農(nóng)業(yè)氣象上也是可以很好運用的,比如監(jiān)測、天氣預警等,對指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有巨大的實際價值,比如可以在播種、收獲、灌溉等易于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械自動化的作業(yè)環(huán)境中起到相當大的作用。

        5 結 語

        綜上所述,在農(nóng)業(yè)領域生產(chǎn)與管理中,需要加強北斗全球定位導航技術的應用,并且對傳感技術以及現(xiàn)代化智能網(wǎng)絡信息技術的應用發(fā)展趨勢進行研究,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術進步與發(fā)展貢獻主要力量。同時,相關技術的應用,也促使了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、智能化發(fā)展,對提升生產(chǎn)效率、作業(yè)質(zhì)量將產(chǎn)生重要影響。從而實現(xiàn)我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大發(fā)展。讓我國農(nóng)業(yè)逐步邁向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、智能化,為將來的農(nóng)業(yè)技術發(fā)展提供堅強的技術后盾。與此同時,在提高農(nóng)機效率的時候還應該考慮在我國的普及程度,以及操作難度。在未來的農(nóng)業(yè)發(fā)展中應該大力培養(yǎng)農(nóng)業(yè)技術人才,建立與之配套的服務系統(tǒng)。

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