摘要：針對農(nóng)田精細化管理的目的，采用了GIS技術(shù),、空間數(shù)據(jù)處理,、WiFi、ARM,、蘋果公司iOS等技術(shù),。建立土壤溫度,、濕度、光照強度,、光合有效輻射,、風(fēng)向風(fēng)速、雨量等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，可對采集數(shù)據(jù)進行分析處理和數(shù)據(jù)模型建立,，給出水分監(jiān)測探頭布設(shè)的方式，為農(nóng)田科學(xué)化精細生產(chǎn)管理提供可靠的,、實時的保證,。在農(nóng)田試驗表明：此系統(tǒng)可達到節(jié)水增產(chǎn)的目的。
關(guān)鍵詞：GIS,；WiFi：ARM,；節(jié)水增產(chǎn)
近年來，由于新疆農(nóng)田生產(chǎn)管理技術(shù)和管理模式停滯不前,，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理人員水平不一,，農(nóng)情基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息缺乏，資源不能合理利用和共享,，使該區(qū)農(nóng)業(yè)的進一步發(fā)展受到了嚴重的制約,。因此，隨著農(nóng)田膜下滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用,，迫切需要提出與現(xiàn)有的節(jié)水灌溉設(shè)備,、方式和灌溉技術(shù)等相配套的農(nóng)田生產(chǎn)檢測管理系統(tǒng)，以提升該區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)的管理技術(shù)和管理水平,。目前國內(nèi)已開發(fā)的一些農(nóng)田生產(chǎn)管理系統(tǒng)產(chǎn)品,，由于沒有解決農(nóng)田信息采集的空間變異、農(nóng)田灌溉,、施肥等的智能診斷決策,、渠系運行管理知識模型構(gòu)建等瓶頸問題，使農(nóng)田生產(chǎn)管理系統(tǒng)產(chǎn)品缺乏實時性,、時效性和有效性,，與灌溉、施肥等自動控制設(shè)備成為兩張皮,，不能真正達到精準控制灌溉,、施肥的目的。本系統(tǒng)應(yīng)用地理信息,、空間數(shù)據(jù)處理,、WiFi、藍牙,、ARM,、iOS等技術(shù),，建立土壤墑情,、溫度,、PH值等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并進行采集數(shù)據(jù)的分析處理和數(shù)據(jù)模型建立,，研究水分監(jiān)測探頭布設(shè)的方式,，為農(nóng)田生產(chǎn)管理系統(tǒng)的知識模型和決策模型的建立提供可靠的、實時的數(shù)據(jù)支持,。最終實現(xiàn)農(nóng)田灌溉,、施肥、施藥診斷的綜合診斷決策,。
1 設(shè)計原理
1．1 土地平整度
土地平整工程是土地開發(fā)整理項目的核心工程,，目的是要達到便于機械化耕作，發(fā)揮機械效率,，提高機耕質(zhì)量,，灌水方便均勻，利于壓鹽,、排水,、改良土壤等，滿足作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對水分及土質(zhì)的需要,。土地平整工程是實現(xiàn)農(nóng)田水利化,、農(nóng)業(yè)機械化的重要條件，是建設(shè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),、旱澇保收高標準農(nóng)田的重要措施,，內(nèi)容包括田塊優(yōu)化布局、田地平整及土壤改良等,，其中田地平整是核心內(nèi)容,。田地平整既要符合地面灌溉排水要求，又要便于耕作保水保肥和田間管理,，要結(jié)合整個項目區(qū)的地形,、土地利用方式和水土保持方案等綜合考慮,。平整后的田塊應(yīng)有利于作物的生長發(fā)育，有利于田間機械化作業(yè),，有利于水土保持,，滿足灌溉排水要求和防風(fēng)要求,，便于經(jīng)營管理,。田面平整精度是田塊設(shè)計的一個重要指標,。
在進行田塊設(shè)計時，可以用很多指標來描述其屬性,，如田塊的大小,、方向、田面平整度,、田面坡度等,，其中田面平整度(用P表示)和田面坡度(用θ表示)可以用來表征田塊平整精度。田面平整度是指衡量田面起伏程度的指標,，通常用各測點到擬合平面垂直距離的標準差來表示,，平整度的數(shù)值越小，說明田面起伏越小,，田面越平整,。田面坡度是指為了滿足田間灌溉的需要而設(shè)計的田面沿水流方向傾斜的角度。因此,，農(nóng)田平整精度評價系統(tǒng)的核心算法包括田面平整度算法和田面坡度算法,。
假設(shè)土地平整后的擬合平面方程為：Z=AX+BY+C
已知有若干的樣本點,，不妨設(shè)任意樣本點坐標為：(Xi,，Yi,，Zi)
根據(jù)最小二乘法的思想,，樣本點到擬合平面上對應(yīng)點的距離最小，即達到最佳擬合的目的,。因此,，考慮求解該距離平方和M的最小值,。計算公式如下：
假設(shè)土地平整后的擬合平面方程為：Z=AX+BY+C,，則求解實際田面上的某測點到擬合平面垂直距離的計算公式為：
對所有求得的距離求平均值d，以標準差P(cm)作為衡量土地平整度的指標,。則：
式中,，di為田塊內(nèi)第i個測點距離擬合平面的垂直距離，cm,；d為所有測點距離擬合平面垂直距離的平均值,，cm；n為田塊內(nèi)所有測點的數(shù)量,。當P值越小時,，說明田面起伏越小，田面越平整,。P=0是理論上可達到的最佳精度,，而較高的P值則意味著較差的土地平整精度,。在美國，常規(guī)平地方法和激光平地技術(shù)所能達到的田面最小P值分別為2～2．5 cm和小于1．2 cm,，在葡萄牙則是3～4 cm和小于1．7cm,。
標準偏差P反映了田面平整的總體狀況，要想評價田間地面形狀的分布差異及特征,，可利用分布偏差計算給出定量描述,。首先計算田塊內(nèi)各測點到擬合平面的垂直距離di(cm)，再根據(jù)小于某一數(shù)值(如3 cm)的測點的累積百分比數(shù)來反映地面平整度的分布狀況,。以美國土地利用局規(guī)定的標準為例，激光平地后,，田塊內(nèi)偏差值小于1．5 cm的測點的累積百分數(shù)最大可達80％以上,。
1．2 GPS面積測量儀原理
GPS面積測量儀采用GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠提供實時的經(jīng)度、緯度,、高程等導(dǎo)航和定位信息,，利用GPS的定位功能，得出各個點的坐標,，再通過數(shù)學(xué)方法計算出距離,、面積等數(shù)據(jù)。由于地球是一個橢球,，為了精確計算距離或面積,，一般采用投影的方式轉(zhuǎn)換成平面坐標。在我國,，對于大比例尺的地圖通常采用高斯一克呂格投影進行轉(zhuǎn)換,，然而投影法計算十分復(fù)雜，難以在單片機中實現(xiàn),。為了簡化計算,，將地球視為正球體。取地球半徑為6 371 116 m,，則可轉(zhuǎn)換成平面坐標：
式中：R為地球半徑,，x為經(jīng)度，m,；y為緯度,，m。則在地球表面Y經(jīng)度處,，經(jīng)度差,、緯度差各為一度的方格面積為：
2 農(nóng)田農(nóng)情監(jiān)控儀設(shè)計
農(nóng)業(yè)具有地域分散,、對象多樣,、環(huán)境因子不確定等特點,。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠人的經(jīng)驗進行，無法對農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)全程進行實時精準監(jiān)控,，實現(xiàn)最優(yōu)化的生產(chǎn),。快速,、有效采集和描述影響作物生長環(huán)境的空間變量信息,，是實踐“精細農(nóng)業(yè)”的重要基礎(chǔ)。因此進行農(nóng)田環(huán)境監(jiān)控,、隨時掌握農(nóng)業(yè)環(huán)境因素變化,，從而采取相應(yīng)的最優(yōu)對策顯得十分重要。
傳統(tǒng)的農(nóng)田信息監(jiān)測主要靠農(nóng)業(yè)技術(shù)人員實地現(xiàn)場采集數(shù)據(jù),、A／D轉(zhuǎn)換,、通過PC保存分析數(shù)據(jù)，或者通過數(shù)傳電臺的方式進行數(shù)據(jù)傳輸,。這些方式存在很多問題：由于農(nóng)業(yè)環(huán)境相對惡劣,，嚴寒、高溫,、高濕等氣候因素很容易導(dǎo)致PC無法正常工作：PC機因其體積較大,、費用較高、功耗顯著造成性能價格比低,；無法實現(xiàn)遠程監(jiān)測,，即便使用數(shù)傳電臺，也會受到地形的限制,，距離僅限于幾十公里之內(nèi),；無法進行24小時實時監(jiān)測。因此,，農(nóng)業(yè)環(huán)境的遠程實時監(jiān)控問題亟待解決,。
目前國內(nèi)外的研究大多采用單片機作為微控制器，由于其自身性能的局限性,，使得系統(tǒng)功能擴展時出現(xiàn)一系列不可預(yù)知的調(diào)試問題,。在數(shù)據(jù)傳輸部分有的采用CDMA模塊，但成本太高,，不宜推廣,。
本設(shè)計提出了基于ARM、WiFi,、藍牙的嵌入式農(nóng)田環(huán)境信息采集發(fā)送系統(tǒng)設(shè)計方案,，降低功耗和成本，可靠性強，易于升級,?？刹杉?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/農(nóng)田數(shù)據(jù)" title="農(nóng)田數(shù)據(jù)" target="_blank">農(nóng)田數(shù)據(jù)有：包括土壤墑情、鹽堿度,、養(yǎng)分,、土壤平整度、農(nóng)田長勢圖片,、主要蟲害狀況,，氣象信息，種植面積,，種植品種,，灌溉狀況，施肥情況,，測土情況等,。
3 基于iOS的農(nóng)田數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)設(shè)計
資源緊張是我國和世界面臨的嚴重問題。對于水資源本來就匱乏的新疆來說,，干旱發(fā)生十分頻繁,，水資源供求矛盾日趨尖銳。但另一方面,，農(nóng)業(yè)用水由于灌溉設(shè)施,、技術(shù)、方式落后,，又存在著嚴重的浪費現(xiàn)象,，水分利用效率低。本研究以農(nóng)田節(jié)水灌溉和提高水分利用效率為目標,，建立新疆部分農(nóng)田水分動態(tài)監(jiān)測,、預(yù)報和灌溉決策系統(tǒng)。從獲得最佳經(jīng)濟效益和提高水分利用效率的角度進行綜合分析,，提出灌與不灌,、灌溉期和灌溉量等決策建議，服務(wù)于各級政府和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門,。本項目將區(qū)域氣候模式,、遙感測墑模型、土壤水分預(yù)報模型和灌溉決策模型有機結(jié)合在一起,，實現(xiàn)了較長時段內(nèi)的土壤水分預(yù)報和灌溉決策,。灌溉決策引入了目標函數(shù)模型，將灌溉決策和經(jīng)濟效益,、水分利用效率有機地結(jié)合起來,。體現(xiàn)了資源利用的科學(xué)性,；將數(shù)值天氣預(yù)報產(chǎn)品應(yīng)用到土壤水分預(yù)報模型中，可提供格點化的土壤水分預(yù)報信息,，更便于大范圍應(yīng)用,；研究了單點土壤水分預(yù)報模型和區(qū)域土壤水分預(yù)報模型，實現(xiàn)了點面結(jié)合,，可同時滿足地方和區(qū)域需要,，并進行周年服務(wù),，有利于提高服務(wù)質(zhì)量和效果,。
以作物管理知識模型為智能決策支撐，建立基于田區(qū)作物產(chǎn)量,、土壤養(yǎng)分和苗情監(jiān)測的農(nóng)田精確施肥決策支持系統(tǒng),。本系統(tǒng)可接收GPS信號、錄入與修改屬性數(shù)據(jù),，查詢和分析農(nóng)田信息的時空差異,，生成基于田區(qū)差異的肥料運籌和播種密度處方。
iOS是由蘋果公司為iPhone開發(fā)的操作系統(tǒng),。它主要是給iPhone,、iPod touch以及iPad使用。就像其基于的Mac OSX操作系統(tǒng)一樣,，它也是以Darwin為基礎(chǔ)的,。iOS的系統(tǒng)架構(gòu)分為4個層次：核心操作系統(tǒng)層(the Core OS layer)，核心服務(wù)層(the Core Services layer),，媒體層(the Media layer),，可輕觸層(the Cocoa Touch layer)。
iOS的用戶界面的概念基礎(chǔ)上是能夠使用多點觸控直接操作,?？刂品椒òɑ瑒樱p觸開關(guān)及按鍵,。與系統(tǒng)交互包括滑動(swiping),、輕按(tapping)、擠壓(pdnching)及旋轉(zhuǎn)(reverse pinching),。
通過監(jiān)控儀采集到的各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)絠Pad后,。基于iOS的數(shù)據(jù)軟件可對數(shù)據(jù)進行管理,。
4 應(yīng)用實例
系統(tǒng)已成功應(yīng)用在某農(nóng)業(yè)示范基地的農(nóng)作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)中,，系統(tǒng)包括農(nóng)田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)對比分析,、水分監(jiān)測探頭布設(shè),。軟件主界面如圖2所示,。
通過對農(nóng)田數(shù)據(jù)的采集和分析?？梢詫r(nóng)作物實施精細化種植,。
5 結(jié)束語
針對目前的農(nóng)田手持機功能單一，無法進一步給出診斷和決策,，以上采用多變量數(shù)據(jù)采集的分析診斷決策系統(tǒng),。使用基于iOS的數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)，并采用多種傳感器監(jiān)測土壤,，以達成多變量綜合采集分析的目的,。經(jīng)過對某農(nóng)業(yè)示范基地實際應(yīng)用，結(jié)果表明,，基于iOS的便攜式多變量農(nóng)田數(shù)據(jù)監(jiān)控儀可以對農(nóng)田實施更加精細化的種植,，在解放勞動力和提高經(jīng)濟收益方面，有著明顯的效果,。