GPS在农业中的应用.ppt

GPS发展展望 GPS系统简介 GPS在农业中的应用 1 GPS定义及发展历史 2 GPS系统组成简介 3 GPS的主要特点 4 GPS定位原理 GPS即全球定位系统 GlobalPositioningSystem GPS是缩写词NAVSTAR GPS的简称 其含义是导航卫星测时和测距 全球定位系统 NavigationSatelliteTimingandRanging GlobalPositioningSystem 简单地说 这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统 这个系统可以保证在任意时刻 地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星 以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度 以便实现导航 定位 授时等功能 1 GPS定义及发展历史 全球定位系统 GPS 是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 其主要目的是为陆 海 空三大领域提供实时 全天候和全球性的导航服务 并用于情报收集 核爆监测和应急通讯等一些军事目的 是美国独霸全球战略的重要组成 经过20余年的研究实验 耗资300亿美元 到1994年3月 全球覆盖率高达98 的24颗GPS卫星星座己布设完成 GPS的产生与发展 由TRANSIT到GPS 1957年10月第一颗人造地球卫星上天 天基电子导航应运而生利用多普勒频移原理1964年建成子午卫星导航定位系统 TRANSIT 美国从1973年开始筹建全球定位系统 1994年投入使用 经历20年 耗资300亿美元 是继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划 2 GPS系统组成简介 美国GPS系统定位卫星包括24颗地球卫星和3颗备用卫星 工作卫星均匀分布在6个相对于赤道的倾角为55 的近似圆形轨道面上 每个轨道面上都有4颗卫星 轨道面之间的夹角为60 轨道平均高度约为20200km 属于高轨卫星系统 卫星运行周期约12小时 这种配置可实现24小时全球覆盖 可以保证地球上任何地点的用户在任何时候至少能看到4颗卫星 卫星发射的频率的载波扩频信号 分别为15754MKHz和12276MKHz 1 导航卫星 GPS卫星分布 2 地面控制部分 地面临控部分主要是由监测站 注入站以及主控站构成 它们分别具备监测采集卫星信息 对空间卫星进行信息注入以及编制星历和修正参数等功能 各站之间主要依靠现代化的通讯系统进行联系 在计算机和原子钟的精确控制和驱动下 实现各项工作高度精确的自动化运转 用户接收部分主要是依靠GPS系统接收机接收卫星发射出来的信号 从而获取定位观测数值 在经过相关处理之后 完成定位导航的任务 即跟踪并且捕获待测卫星 对其所接收到的信号进行放大 变换以及合理处置 测试出GPS系统信号从空间卫星到接收机天线的传播时间 并破译出卫星发射出来的导航电文 最终快速迅捷地实时计算出测站的速度 时间和三维位置 3 用户部分 3 GPS的主要特点 GPS以全球覆盖 全天候 高精度 多功能 自动化 高效率 高效益等显著特点 实现三维连续导航定位 测速和授时 成为迄今最好的导航定位系统 4 GPS定位原理 GPS定位 实际上就是通过四颗已知位置的卫星来确定GPS接收器的位置 如图所示 图中的GPS接收器为当前要确定位置的设备 卫星1 2 3 4为本次定位要用到的四颗卫星 Position1 Position2 Position3 Position4分别为四颗卫星的当前位置 空间坐标 已知 d1 d2 d3 d4分别为四颗卫星到要定位的GPS接收器的距离 已知 Location为要定位的卫星接收器的位置 待求 那么定位的过程 简单来讲就是通过一个函数GetLocation 从已知的 Position1 d1 Position2 d2 Position3 d3 Position4 d4 四对数据中求出Location的值 上面所说的只是定位原理中的其中一种 称为单点定位 或绝对定位 就是通过唯一的一个GPS接收器来确定位置 目前定位精度最高的是差分定位 或称相对定位 就是通过增加一个参考GPS接收器来提高定位精度 差分GPS DifferentialGPS DGPS 就是把一部地理位置已知的接收机作为基准站 由基准站确定所有视界以上卫星伪距的偏差值并发送改正值 由用户接收机接收并对其测量结果进行改正 以获得精确的定位结果 差分GPS定位原理 位置差分原理安装在基准站的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行3维定位 解算出基准站的坐标 计算的坐标与基准站已知坐标存在误差 x y z 基准站将此坐标改正值利用数据链发送出去 用户接收机接收后对其解算的用户坐标进行改正 缺点是要求基准站和用户观测同一组卫星 由于可供观测的卫星常在4颗以上 通常较难做到这一点 伪距差分原理GPS接收机采用单程测距原理 而卫星钟和用户接收机钟难以保持严格同步 所测得的用户接收机至卫星的距离含有接收机和卫星钟的误差及大气传播误差 基准站的GPS接收机测量出全部卫星的伪距和星历文件 计算出基准站和卫星的地心坐标 求算卫星每一时刻到基准站的真距 将所有卫星的测距误差传输给用户 改正测量的伪距 消除公共误差 提高定位精度 载波相位差分原理载波相位差分技术又称为RTK技术 RealTimeKinematics 由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站 用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位 并组成相位差分观测值进行实时处理 求差解算坐标 能实时给出厘米级的定位结果 北斗卫星导航系统 BeiDou COMPASS NavigationSatelliteSystem 是中国正在实施的自主发展 独立运行的全球卫星导航系统 包括 北斗一号 和 北斗二号 等2代系统 可提供高质量的定位 导航和授时服务 其他卫星定位系统 二 GPS在农业中的应用 利用GPS技术 配合遥感技术 RS 和地理信息系统 GIS 能够做到监测农作物产量分布 土壤成分和性质分布 做到合理施肥 播种和喷洒农药 节约费用 降低成本 达到增加产量提高效益的目的等 精确农业中的定位信息采集与处方农作实施 需要采用GPS确定作业者 作业机械和作业对象的瞬时空间位置 并将此信息转变成计算机可接受的格式 GPS可用于农田面积和周边测量 引导田间变量信息定位采集 作物产量小区定位计量 变量作业农业机械实施定位处方施肥 播种 喷药 灌溉和提供农业机械田间导航信息等 GPS在农业中的应用 1 土壤养分分布调查 在播种之前 可用一种适用于在农田中运行的采样车辆按一定的要求在农田中采集土壤样品 车辆上配置有GPS接收机和计算机 计算机中配置地理信息系统软件 采集样品时 GPS接收机把样品采集点的位置精确地测定出来 将其输入计算机 计算机依据地理信息系统将采样点标定 绘出一幅土壤样品点位分布图 在联合收割机上配置计算机 产量监视器和GPS接收机 就构成了作物产量监视系统 对不同的农作物需配备不同的监视器 例如监视玉米产量的监视器 当收割玉米时 监视器记录下玉米所接穗数和产量 同时GPS接收机记录下收割该株玉米所处位置 通过计算机最终绘制出一幅关于每块土地产量的产量分布图 通过和土壤养分含量分布图的综合分析 可以找出影响作物产量的相关因素 从而进行具体的田间施肥等管理工作 2 监测作物产量 在联合收割机上安装全球定位系统接收机和地理信息系统 这种全新的联合收割机已经在欧美的发达国家投入试用了 该种新型联合收割机在农作物收获的时候 利用GPS技术和产量传感器 由此获得农田作业区内 不同区域 不同地块的农作物产量分布 把这些数据经过处理后就可以生成产量分布图 3 合理施肥 精确农业管理 依据农田土壤养分含量分布图 设置有GPS接收机的 受控应用 的喷施器 在GPS的控制下 依据土壤养分含量分布图 能够精确地给田地的各点施肥 施用的化肥种类和数量由计算机根据养分含量分布图控制 在作物生长期的管理中 利用遥感图象并结合GPS可绘出作物色彩变化图 利用GPS定位采集一定数量的土壤及作物样品进行分析 可以绘制出作物生长的不同时期的土壤含量的系列分布图 这样可以做到精确地对作物生长进行管理 基于GPS的变量施肥技术 在传统的条播机的基础上 通过控制播种机槽轮的转速 从而达到变量投放化肥或种子 这就是变量施肥播种机 在正常情况 变量施肥播种机主要是由GPS 变量控制器 田间计算机 播种机 液压马达等构成 变量施肥播种机的工作过程如下 将有施肥处方图信息 数据卡 输入 插入 田间计算机 该播种机可以在行驶过程中通过计算机将GPS系统的处方图与位置信息相匹配 从而获得当前位置的播种量和施肥量 然后 向液压马达发出控制指令 马达在得到控制指令后 带动播种机的槽轮动作控制播种机的播种量和施肥量 4 GPS与精准灌溉 精确灌溉既能满足作物生长过程中对灌水时间 灌水量 灌水位置 灌水成分的精确要求 又能按照田间的每个操作单元的具体条件 精细准确地调整农业用水管理措施 最大限度地提高水的利用效率和利用率 在田间运用GPS土地参数采样器采集植物生长的环境参数 如土壤湿度 地温等 通过GPS中心控制基站利用专家系统进行植物分析 可以调控植物生长环境 精确凋控节水灌溉系统 土壤水分的测定 GPS节水灌溉控制系统 5 在无人驾驶拖拉机上的应用 无人驾驶拖拉机是由固定操作站控制的无人驾驶农业机械 它在GPS卫星全球定位系统或者在田问附近地面系统的导航下开展作业 通过自动导航系统 拖拉机在无人驾驶的情况下 能够沿着直线和不规则的曲线自动行驶 这种技术目前在欧美国家正在得到快速推广应用 前两年 中国科学技术协会在北京宣布 我国首次研究成功无人驾驶拖拉机 实现了拖拉机在田问作业条件下的自动导航和地头转向控制 这项技术对我国现代农业的发展具有重要现实意义 无人驾驶拖拉机 更多更广泛的智能化农业机械 随着GPS的广泛应用和各种新技术的集成 必将走进农业生产一线 1 定位功能的应用在勘查工作通过综合应用GPS和GIS两项先进技术 可望准确划定害虫宜发区及作物病害的准确位置 地形地貌 为飞机及人工防治时精准施药 高效防治 减少环境污染提供科学依据 从而使飞机治虫及其他工作彻底摆脱了依靠地面人工信号的历史 由于很多害虫属于迁飞类害虫 对于其迁飞路径 GPS的位置实时回传功能可以对确定其迁飞路径及科学的综合防治提供及时的准确的数据 2 测面积功能的应用通过GPS与GIS的结合 可准确测量出病虫害发生区域的面积 为合理喷药提供科学依据 对灾害评估及病虫害防治测报工作的科学管理起着重要作用 6 在病虫害防治中的应用 基于GPS的变量喷洒农药技术 土壤类型 养分 墒情和地形在田间分布存在差异 为了达到整块农田出苗整齐 茁壮生长的目的 需要在行进间 根据播种处方图随时调整下种量和播种深度 播种机的位置信息由卫星接收机获取后 被传输至移动处理器 处理器读取播种处方图信息 通过液压系统控制播种机的下种量和播种深度 实现行进间变量播种作业 7 在变量播种中的应用 8 GPS技术用于森林防火 利用实时差分GPS技术 美国林业局与加里弗尼亚的喷气推进器实验室共同制定了 FRIREFLY 计划 它是在飞机的环动仪上安装热红外系统和GPS接收机 使用这些机载设备来确定火灾位置 并迅速向地面站报告 另一计划是使用直升飞机或轻型固定翼飞机沿火灾周边飞行并记录位置数据 在飞机降落后对数据进行处理并把火灾的周边绘成图形 以便进一步采取消除森林火灾的措施 三 GPS的发展展望 1 使用卫星定位技术在精准农业中的优势2 GPS测量误差及应对措施3 我国GPS发展现状4 我国GPS存在的问题及其解决措施 1 使用卫星定位技术在精准农业中的优势 1 卫星定位技术为农用机具提供实时位置信息 提高了行走和飞行精度 在作业幅宽较大的农机具和飞机上安装卫星定位系统 进行喷洒作业时 能有效地避免作业重叠和遗漏 显著提高作业精度 2 卫星定位技术与农田信息采集技术相结合 可以实现定点采集和分析农田状态信息 生成农田状态分布图 为精准农业实施变量投入和农民进行农业决策提供信息 3 使用卫星定位系统导航 农民可以不受时间和气候的限制 不必日出而作 日落而息 抢农时 在夜晚也可作业 有了卫星定位系统为拖拉机导航 驾驶员还可以加快行驶速度 提高作业效率 2 GPS测量误差及应对措施 与GPS卫星有关的误差 主要有卫星星历误差 卫星钟差 卫星信号发射天线相位中心偏差等 与传播途径有关的误差 主要有电离层延迟误差 对流层延迟误差 多路径效应误差等 与接收机有关的误差 主要有接收机钟差 接收机天线相位中心偏差 接收机软件和硬件造成的误差等 其他误差影响 主要有GPS控制部分人为或计算机造成的影响 数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响等 对于系统误差如卫星钟差 卫星星历误差 电离层延迟误差 对流层延迟误差 多路径效应误差等 可以采用各种模型或方法将其消除或减弱 而其他的随机误差只能用统计处理的方法 求出最佳值 3 我国GPS发展现状 20世纪80年代初 一些院校和科研单位已开始研究GPS技术 已建成了北京 武汉 上海 西安 拉萨和乌鲁木齐等地永久性的GPs跟踪站 进行对GPS卫星的精密定轨 为高精度的GPS定位测量提供观测数据和精密星历服务 致力于我国自主的广域差分GPS WADGPS 方案的建立 参与全球导航卫星系统 GNSS 和GPS增强系统 WAAS 的筹建 同时 我国已着手建立自己的卫星导航系统 双星定位系统 能够生产导航型GPS接收机 GPS技术的应用正向更深层次发展 GPS技术在农业中的应用也在日趋进步 4 我国GPS存在的问题及其解决措施 GPS技术开发存在难度大 高科技成分高 研究经费有限和行业的利润低等因素 国内农用GPS技术在应用中存在着很多问题 主要是行业研发的品种单一 功能不全和质量不过关等 很多还要依赖从国外引进 国内大多数农村用户还不能接受如此高昂的采购费用 因此 在激烈的市场竞争条件下 面对我国巨大的潜在市场 国家应增拨研发费用 对相关部门单位给予一定补助 科研及院校要提高产品的科技含量 集多种功能于一体 提高产品质量 加快流通体制 从而使GPS导航技术的农用能力不断增强 GPS在现代精准农业中具有核心地位 为精准农业提供实时高效准确的点位信息 为农机作业提供高效导航信息 没有GPS定位系统 现代精准农业也就无从谈起 随着精准农业向着更加精准的方向发展 GPS定位系统将会得到更加普遍的应用 将在现代化农业中起到愈加主导的作用 GPS技术在农业领域中的应用不仅是大面积种植 在小面积的农田 特别是在格网种植的小面积内 应用小型自动化设备 配合差分GPS导航设备 电子监测和控制电路 能够适应科学种田的需要 作到精确管理 这种投资较低 安装方便 操作灵活 总之 GPS技术在农业领域将发挥重要作用 在我国 尚需积极开展在农业中的应用研究以及相关设备的研制 特别在大平原地区 利用大规模的机械化生产的地区 应当重视GPS技术在农田作业和管理中的应用 偷菜 开心农场 Thankyou 请老师和各位同学批评指正