精准农业 DGPS 土壤取样应用研究

庄卫东

黑龙江八一农垦大学精准农业技术研究中心

2002年11月

现在测土施肥是通过在田间随机多点取土样，然后混合，作为整块地的土样，再进行化验分析，决定肥料施用量，这样使整块地只能应用一个施肥量。随着精准农业技术的发展，利用DGPS技术、地理信息系统（GIS）、测试技术、自动控制技术等，可在田间实时地改变施肥量，只在田间某一需要肥料的地方施用。通过DGPS在田间定点取样，能够做到监测土壤成分和性质分布，做到合理施肥，节约费用、降低成本，达到增加产量、提高效益的目的。2002年10月底，利用DGPS定位，黑龙江八一农垦大学精准农业技术研究中心在黑龙江省友谊农场五分场二队2号地进行了土壤取样工作。

1 DGPS 系统简介

GPS (Global Positioning System, 全球定位系统)是美国的第二代卫星导航系统。GPS的空间部分使用24颗卫星组成卫星星座，每天24小时为全球陆、海、空用户全天侯提供三维位置、速度和时间。DGPS(Differential GPS)是差分GPS，DGPS是在正常的GPS外附加(差分)改正信号，此改正信号改善了GPS的精度。GPS的定位误差一般在15m，而DGPS的定位误差是米级的，即定位误差在1m以内，这种精度完全能保证农业生产中的定位需求。采集视野内所有GPS导航信号，加上来自附近的差分GPS站的改正数。DGPS接收机由两部分组成：有差分改正数输入口的GPS接收机和无线电信号接收机。DGPS接收机可按用户的需要显示位置、速度和时间等。

黑龙江省农垦总局友谊农场五分场二队精准农业技术示范项目点，采用地面差分纠偏站方式，这样一次性投资建站，后期运行成本比较低。地面GPS差分纠偏站设备包括MS750型双频接收机，GPS天线、35瓦PCC数传电台等组成，实际测试结果，数传电台作用距离为30公里，完全可以满足精准农业试验需要。DGPS接收机为用于接收卫星信号的手持式Ag132型GPS接收机和用于接收差分信号的PCC无线电信号接收机，接收机端口设置为RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services，航海无线电技术委员会)格式，即差分信号格式，波特率为9600。

2 DGPS 取样定位坐标选择与处理

项目点的 联合收割机和变量播种机的GPS接收机与Ag132型GPS接收机接收的都是WGS-84（World Geodetic System-1984，1984年世界大地坐标系）坐标，所以采样定位坐标采用WGS-84坐标系统，不需要进行坐标系统变换。定位方式是采用GPS绝对定位，利用一台接收机观测卫星，独立地确定出自身在WGS-84坐标系的绝对位置，这一位置在WGS-84坐标系中是****的，要实现单点绝对定位必须同时能观测到4个卫星，这样能确定3维坐标：纬度、经度、高度。机器在田间作业时的定位坐标可只应用2维坐标：纬度/经度(Lat/Long)。数据处理中经纬度的表示方式为“ddd.dddddd*”(其中“*”代表“度”)，Ag132型GPS接收机经纬度的显示方式为“ddd* mm.mmmmm’”(其中“’”代表“分”)。取样找点前需要把坐标值从“度”的形式转为“度分”的形式。把度的小数部分乘60变为分的形式。如东经131.867822度变为东经131度52.06932分。这样根据手持式GPS显示的坐标来确定取样点。

3 取样地块的坐标

利用装有DGPS接受机的机车，沿2号地的边缘行走，在存储卡中记录下地块的边缘坐标，手工记录下地块的4个顶点的坐标，以利于比较和计算使用。

C B

D A

图1 2号地示意图

A-B长：1668米 A-D长：875米 面积：130公顷

4 取样点确定

土壤取样有格子取样和土壤类型取样两种方法。由于格子取样方便、容易操作，利于后续作业的进行，所以采用格子取样法。格子取样是把田地分为多个方形或矩形的田块，对每个格子进行分别取样。

4.1 格子面积的确定

每个单元格的面积大小应适宜。一方面，面积太大，使单元格的面积接近整个地块的面积，会失去变量施肥的意义；另一方面，面积太小，使单元格的数量剧增，超出变量播种机的变量范围，造成浪费。应根据地块的大小、形状，变量作业机组的作业速度、工作幅宽、变量响应速度，每个变量处方图单元格的容量等综合因素考虑确定单元格的面积。一般一块地的单元格数应小于200个，每个单元格的面积应大于0.2 hm ²。2号地的面积为130 hm ²，为平行四边形，拟采用大型变量播种机进行作业，作业速度为（7～10）km/h，工作幅宽为15m，确定每个单元格的面积为1.4 hm ²。为了进行更精细的变量应用试验研究，把一些单元格分成了4个小格。根据地块的坐标，利用美国凯斯公司的精准农业系统AFS (Advanced Farming Systems，先进农业系统)，绘出取样网格图，见图2。

图2 2号地取样网格图

4.2 格子的编号

对要取样的网格进行编号，用于记录。编号的原则是要利于田间行走找点和取样，格子的编号与格子的土壤土样编号应一致。

4.3 取样格中心坐标确定

利用单元格对角的经纬度坐标确定其中心坐标，即分别求其单元格对角经度和纬度的平均值，得到中心坐标。相临的单元格中心坐标纬度相差0.0010797度，经度相差0.0015253度，相距118.3m。把需取样格中心坐标按编号整理成表备用。

5 田间定点

使用DGPS接收机，按照编号及坐标，在田间逐一找到取样格中心，在格子中心周围（3～10）m范围内取10个土样进行混合作为此格的土样，做好标记，用于土壤化验分析。

此次土壤取样，共取了101个土样，其中2号地取了99个土样用于变量施肥，3号地取了2个土样用于比较分析。总之，利用DGPS进行田间定点土壤取样，进行土壤养分分析是精准农业的一个基础环节，需要认真进行。如使用土壤采样车或掌上电脑，配合相关软件，将会使定点取样更易进行。