基于“3S”的精準農業管理系統設計與實現

丁克奎　+鐘凱文

摘要：為了解決人地矛盾，在北斗衛星導航產業快速發展的契機下，研究利用北斗衛星定位技術、遠程數據采集技術、GIS技術、衛星遙感技術，實現農情信息的實時采集、綜合利用，構建基于“3S”的精準農業管理系統。系統的構建包括農情采集終端硬件設計、農情采集終端嵌入式軟件開發、精準農業管理系統服務平臺開發。

關鍵詞：北斗；精準農業；3S技術

中圖分類號：S127文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）01-0399-03

收稿日期：2014-02-23

基金項目：廣東省中國科學院全面戰略合作項目（編號：2011B090300048）；廣東省自然科學基金（編號：10151007003000002）；廣東省科技計劃（編號：2011B060500056）。

作者簡介：丁克奎（1987—），男，安徽阜陽人，碩士研究生，主要從事數字城市、物聯網、智慧城市研究。Tel：（020）87680967，E-mail：dinkfamily@gmail.com。近年來，我國耕地面積不斷減少、質量不斷下降、污染逐漸嚴重、人口持續增長，人口與耕地之間的矛盾還將長期存在，再加上山地、高原、丘陵約占我國國土面積的2/3及家庭聯產承包責任制，決定了我國地塊分散及小型化。因此，精耕細作式的精準農業（也稱精細農業）是解決我國人地矛盾，實行農業現代化、信息化的必然途徑，也是解決“三農”問題的必經之路[1]。精準農業調動耕地生產力，以最少或最節省的投入達到同等產出或更高的產出，可以高效利用各類農業資源并獲得良好的經濟效益、環境效益[2]。精準農業基于空間變異理論，以地塊內每個小區為單位采集農情信息，獲取土壤性狀與生產力空間差異、農作物苗情[3-4]。農情數據采集、作物生長和產量檢測、作物模擬和空間決策支持是精準農業的重要組成部分[5-6]。目前，精準農業在種植業方面研究最多、應用最廣，但是精準農業同樣適用于林業、養殖業、畜牧業等[7-8]。筆者從農情采集終端、終端嵌入式軟件設計、精準農業管理服務平臺3個方面對精準農業進行研究，旨在為促進我國農業可持續發展提供依據。

1支撐技術

1.1地理信息系統

相對于其他信息管理系統，地理信息系統（GIS）的優勢在于具有強大的空間分析能力、海量地理數據管理能力。精準農業牽涉到海量農情信息地理空間數據，可以利用GIS將這些農情信息數據加工處理成GIS圖層，簡化農情信息數據管理。對這些農情信息數據進行知識模型、專家系統等空間分析，不僅可以進行耕地生產力時空差異評價，還可以指導優化播種、施肥、灌溉、病蟲害防治等種植管理及產量預測[9]。將管理措施與歷年產量進行對比分析可以修正知識模型、專家系統以及進行農業調整、規劃、戰略部署[10]。同時，GIS還可以對自然災害等突發異常情況快速評估其影響范圍、程度，應用空間分析決策支持制定應對措施以減少損失。

1.2遙感

遙感技術在精準農業中的主要作用是大面積快速了解最新作物生長狀況、耕地生產力空間差異信息（土壤、水分、空氣等）以及異常情況，及時調整農業政策、戰略，提高作物品質、產量。遙感可為精準農業提供以下2類相關數據：基礎信息、時空動態變化信息[11]?；A信息包括基礎設施、地塊分布、土壤肥力狀況等信息。時空動態變化信息包括作物生長狀況、病蟲害、土壤墑情、微生物、雜草等信息。利用飛機、飛艇、氣球等作為傳感器平臺的航空遙感，尤其是低空遙感的快速發展為靈活、方便、低廉地快速獲取高分辨率農情信息提供了可能[12]。

1.3北斗衛星導航系統

衛星導航正在逐漸滲透到人類生活中，深刻改變了人類的生產生活方式、思維習慣。北斗衛星導航系統是我國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統。與GPS相比北斗衛星導航系統不僅具有定位功能，還可以進行通信，可以在用戶間進行位置傳遞。在地震、海嘯、臺風等自然災害引發網絡中斷或不暢等情況下，定位、雙向通信的特點決定了北斗衛星導航系統在生命線工程中不可取代的作用。將北斗衛星定位模塊集成到農情采集終端，可以準確記錄設備地理位置，在采集農情信息的同時提供空間信息，同時可以在播種、施肥、灌溉、施藥等種植作業中進行精確導航、定位[13]。

2系統設計

2.1系統總體設計

農情采集終端是綜合應用北斗衛星定位技術、嵌入式技術、3G通信技術、多傳感器多通道數據采集技術、GIS技術以及信息融合技術開發，集多種測量要素于一體的多功能農情信息采集終端。農情采集終端通過外圍傳感器、監測儀器獲得農情信息數據，經過無線網絡與精準農業管理系統服務平臺保持通信，將農情信息數據上傳到服務平臺，服務平臺對數據進行信息入庫、信息統計分析、空間決策支持，并將處理結果以地圖、統計圖表等直觀形式展示出來，從而指導精準農業生產（圖1）。

2.2農情采集終端設計

農情信息的實時采集、傳輸與處理是實施精準農業的關鍵環節[14]。農情采集終端采集的信息包括土壤成分/養分信息、土壤特征信息、作物生長小氣候信息、圖像信息等。農情采集設備內部主板卡設計采用性能優越的基于ARM9低功耗CPU、具有MiniSA總線擴展功能的公控核心板，集成一系列硬件擴展模塊：北斗衛星定位模塊、3G通信模塊、ZigBee通信模塊、數據采集模塊等。硬件系統的高度集成提高了系統防震動及野外抗干擾性能，有效保證了系統的穩定性，使設備更能適應農業生產的需要。人機交互界面采用較大尺寸的VGA觸摸屏，減少誤操作并保證產品的操作性能，外殼、對外接口具備防水防潮功能。農情采集終端依靠傳感器采集農情信息數據，主要包括NIR土壤養分分析儀（土壤養分監測）、RY-G/N光照度傳感器（光照度監測）、RY-ZW光量子傳感器（光量子監測）、RY-DW土壤溫度傳感器（土壤溫度監測）、TDR土壤水分傳感器（土壤水分監測）、土壤電導率傳感器（土壤電導率監測）、植物葉綠素傳感器（植物葉綠素監測）、RY-FS風力風速傳感器（風力風速監測）、RY-FX風向傳感器（風向測量）、光纖pH值傳感器（pH值監測）、VC1009二氧化碳傳感器（二氧化碳監測）、RY-YL雨量傳感器（雨量測量）、JWSK-6+VS-6室外型溫濕度變送器套裝（空氣溫濕度監測）、紅外攝像槍（圖像監控）。endprint

2.3嵌入式軟件組成和功能模塊設計

農情采集終端嵌入式軟件采用Linux操作系統，使用 C++ 語言編寫。農情采集終端通過接口接收傳感器及監測儀器收集到的數據，將數據存儲到農情采集終端內存上，在無線網絡覆蓋區域將農情信息數據上傳到服務平臺，同時提供數據查詢、統計分析、視頻瀏覽、系統設置、設備控制等功能?？紤]到野外強光操作環境，農情采集終端界面采用高對比度背景與高亮度前景顯示設計。農情采集終端的功能主要包括農情綜合信息采集和通信、信息管理等功能（圖2）。

2.4服務平臺軟件組成與功能模塊設計

服務器操作系統為Windows Server 2003，服務發布平臺為Apache tomcat 6，數據庫為ORACLE 11g。通信服務程序采用Web Service程序開發技術進行開發。Web服務程序采用B/S（brower/server）結構，GIS平臺為ArcGIS Server10.0，開發語言為Java，系統的技術架構采用基于J2EE組件開發技術的多層應用體系結構，數據按照需求采取遠程單位分散，逐級集中的管理模式。在J2EE結構下開發，可以跨平臺運行，通過XML技術提供可跨平臺交換、移植的業務數據。農情采集終端通過無線通信網絡將采集的信息上傳到后臺服務平臺，服務平臺再通過Web技術發布到互聯網上，讓用戶可以隨時隨地了解到最新農情信息。服務平臺提供用戶管理、數據管理與瀏覽、數據共享、空間分析及空間決策支持、提供精準農業解決方案等功能（圖3）。

2.5數據庫設計

數據是精準農業開展一切作業的前提，數據存儲在關系型數據庫系統ORACLE 11g中，其中地理空間數據使用 Geodatabase 進行數據庫組織，通過ArcSDE空間數據庫引擎存儲在ORACLE 11g；屬性數據直接存儲在ORACLE 11g，通過數據訪問接口進行訪問。精準農業主要涉及以下數據：基礎地理數據（地形地貌、土地利用、道路、水系、基本設施、地塊分布、行政區劃等）；北斗數據（北斗控制點、農情信息采樣點等）；土壤數據（N、P、K及微量元素等礦物質，溫濕度，電導率，pH值，微生物，質地，結構，成分，滲透性，含水量，持水量，厚度等）；環境數據[空氣溫濕度（日、月平均以及極值）、風力風速、降水量（月、年平均以及高強度6 h降水量）、日照時間和強度、電磁輻射、二氧化碳濃度、氣壓等]；苗情數據（作物的種類、結構、品種、生長發育、抗性、品質、病蟲害等）；作物數據（作物分布、種植面積、產量水平、生育期、營養需求、結構等）；作物相關數據庫（化肥農藥的品名、價格、狀態、作用、使用方式等）；知識模型（包括產量預測模型、耕地生產力評價模型、光合作用模型等與作物相關的評價、管理、投入產出、預測知識模型）；遙感數據（現階段主要是指衛星遙感數據，TM、SPOT 5廣東全省衛星影像）。

3結論

基于“3S”的精準農業管理系統將首先在廣東省推廣，取得一定成果之后，再根據實施經驗、教訓對精準農業管理系統進行修改完善，進而推廣到其他省份。精準農業管理系統的實施可以促進我國農業技術創新發展，提升我國農業生產信息化、農業裝備智能化、農業經營管理的現代化水平，利用高端、前瞻的信息技術改造傳統農業，提高農業資料利用率、勞動生產率，對于確保國家農產品供應及糧食安全、提高農產品質量安全水平、改善農業生態環境具有深遠的社會效益。

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