大田种植数字农业建设

建设方案

建设目标

贯彻落实“十三五”国民经济和社会发展纲要、全国农业现代化规划关于实施智慧农业工程的部署，依据《数字农业建设试点总体方案（2017-2020年）》和我部相关项目管理规定，2018年重点建设大田种植数字农业建设试点项目。计划通过项目实施，建立完整的数字农业技术体系，开展全程精准作业与管理，打造国家级数字农业示范展示平台，实现主要农作物生产规模化、机械化、信息化、生态化、效益化。

实现农作物生产规模化和机械化：项目建设完成后，通过现代播种机、收割机实现大面积农作物统一种植，管理、生产。

实现信息化和智能化：项目建设完成后，以数字农业为核心，以农业物联网建设为载体，通过数字信息自动收集、分析处理，实现智能化精准环境控制、数字化精准种植。

项目完成建设后，成为国家现代化农业示范区，为今后科研工作和带动现代化农业发展起到良好做用，也使节约资源能源、高效生产、生态发展、食品绿色安全等现代农业发展观念深入人心，促进农业增效、农民增收和农村增绿成为数字农业发展的基本功能。

大田种植农业建设结构图：

工艺技术方案

大田种植数字农业建设是构建“天-空-地”一体化的物联网测控系统，即融合北斗定位系统BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS)、地理信息系统(Geographic Information System,GIS)、遥感技术(Remote Sensing,RS)、互联网、移动通信技术以及物联网等技术于一体而应用到农业生产中,对构建基于空天地一体化的农业物联网综合管理系统的可行化方案进行初步探索,为后期系统的开发建设提供指导依据。

一、北斗定位系统简介

北斗定位系统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。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。

二、北斗系统优势

北斗卫星定位系统卫星高度截止高、在亚太地区同步收到的卫星数量多以及北斗所有卫星都具有三频系统等等优势，在单系统或多系统联合解算应用时比单GPS或GPS+GLONASS效果要好很多，在城区、山区等等遮挡严重的区域使用效果得到了充分的验证，其定位精度、初始化速度、可靠性等方面与国外产品不分伯仲。

三、工作原理

农机上的卫星接收机接收北斗等GNSS卫星信号并接收基站差分信息可以输出厘米级精度的定位信息，可以把卫星定位的三维坐标实时的输入车载计算机，通过软件自动生成行驶路线图形，车载计算机实时比较农机的当前位置和设计路线，并输出校正控制信号控制设备对农机的行进方向进行控制，这种以绝对坐标X、Y、Z为基准的全新控制方式，相比传统依靠肉眼找准的方式，使得农田作业更准更快，大大提高了作业效率。

将GNSS、GIS和精细农业相结合，开发精细农业和田间实时导航监控相结合的地理信息管理系统，可实现了田间车辆多目标监控，建立农业机械装备数据库和查询系统，可方便地进行多种农业机械装备数据的查询、添加、删除、保存等操作;通过获取车辆的实时信息，调取地图中的信息，将田间动态的车辆信息与农业机械装备相结合实现了信息的可交互性、可扩展性和通用性。

地理信息系统：

1 GIS基本概述

1.1 GIS定义

美国国家地理信息与分析中心（National Center For Geographic Information and Analysis）1988年曾定义地理信息系统定义：为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。这几乎成为地理信息系统研究工作者和专业工作者普遍接受的标准定义。

1.2 GIS功能

GIS可执行如作物—土壤—天气—害虫之间的关系及害虫易成灾的区域等图形化查询, 优化资源管理，辅助决策和制图等。GIS系统一般具备以下功能：

（一）数据输人与贮存功能

用数字化仪或扫描仪把地图、图片(航空摄影照片)和规划图等输入计算机，并可对其进行修改或增补内容。

GIS处理的数据可分为两类：①空间数据：与地理位置有关的一些定位数据, 如地图上标注的行政区界、河流、公路及定点位置等。②属性数据：一些与地理位置无直接联系的数据，如人口、工农业产值、河水流速、交通流量等经济社会数据。又称为统计数据或非定位数据。与数据类型相对应的其存贮形式也有两种：①网格数据：面向面积的象素或规则的网格单元以线性扫描次序存贮，每个单元有特定的值，布尔操作很容易实现，但边界或直线操作非常困难。网格数据在不昂贵的微型机上很容易实现，且能提供相当快捷的GIS分析方法。网格数据在环境保护研究中应用很广(卫星遥感图片属于此数据格式)。②矢量数据：地理特征以一系列的x, y或x, y, z空间坐标表示的点、线或多边形，数据采集和构建相当耗时。矢量数据相对复杂得多，在微型机上实现较为困难, 但能提供许多复杂的操作。面向边界的数据特性在处理社会经济问题中广泛应用。

对这两种数据存贮格式的优劣曾有过十多年的争议，因为数据存贮格式对GIS的数据传送和过程有着较大的影响，选择何种数据格式也受软件功能、性质、人员素质及以往的应用基础等因素的限制[1]。以往的系统通常只能处理一种类型的数据格式，现在，虽然各个系统有所侧重，但多数都能通过格式转换进行数据交换，有的甚至可以同时处理两种格式数据。（二）综合分析功能

可以进行传统的统计分析或对空间定位数据的特定统计分析，可分为空间分析和网络分析，常用的有叠加分析和邻近分析等。

（三）数据查询功能

对空间定位数据或属性数据分别查询或一一对应查询，对多个数据层进行简单或非常复杂的查询。

（四）输出功能

把经过分析做出的结果(文字报告或图形)以地图或其他图形通过显示器、打印机或绘图仪表达出来，直观形象，可视性强。

1.3 GIS构成

GIS的主要功能是检索和综合分析空间定位数据，由于采用了数据库技术，所以它能把地物的空间定位数据和属性数据一一对应地联系起来, 从而大大提高了对数据的综合分析能力。

1.3.1 GIS功能模块

GIS是软件，可有数十乃至上百个程序模块组成，但按功能分类可分为以下三个主要组：①核心模块提供输入、贮存、管理和显示数据的基本实用程序。②分析环模块提供主要图形分析工具。③外围环模块提供系统与其他程序的数据通信或存贮格式转换实用程序。

1.3.2 系统软件组成

GIS的功能各异，各自的侧重点不同，软件组成可能不尽相同，但是真正称之为GIS的一般其软件都应有以下几部分：①空间及属性数据库：这是的核心部分，存放地图及其相关的数字化信息。在一些系统中这二者截然分开，而在其他系统中它们紧密结合在一起。②制图显示系统：为GIS中央数据库周边软件中最基本的部分，它允许通过选择数据库中的记录，产生并在屏幕或其他硬件（如打印机、绘图仪等）上输出地图。③地图数字化系统：这为另一最基本的周边软件，通过它可以把现有的地图转换为数字形式，输入计算机。④数据库管理系统：这又是GIS另一必备的周边软件，它不仅可以对属性数据库进行输入、管理、分析，而且也可以对空间数据库进行类似的操作。传统的数据库管理系统能提取和处理属性数据，通过地图分析系统生成空间定位的地图，但其处理过程并不涉及空间定位数据，也就是说其过程是不可逆的。GIS数据库管理系统不仅具有传统的数据库管理系统的功能，而且拥有管理地理数据的大量实用软件。有了数据库管理系统，才能输人诸如表格和统计数据之类的属性数据，而后通过提取特定的列表和统计报告生成新的报表，且能以地理有关的形式重新输入数据库。⑤地理分析系统：具有以上成分的系统还不能称为真正的GIS(市面上有些只具有以上部件的软件称自己为GIS, 其实是传统的数据库管理系统加上图形处理系统而已)，GIS 还必须有分析空间特征数据的能力。有了地理分析系统，我们才能把传统的数据库查询功能延伸到可以分析空间定位数据，如某种昆虫暴发成灾区域的风险估计。与GIS的数据库管理系统一样，其地理分析系统可以分析数据库中的地理数据，生成地图, 并且把此新地图输人数据库。⑥图像处理系统：不是每个GIS都有这部分，但是要处理遥感图像, 并进行特定的统计分析，缺此不可。⑦统计分析系统：进行传统的统计分析和空间数据的特定的统计分析。

2 GIS在农业上的应用

社会的需求推动着社会的发展和进步。当诺基尔·汤姆林逊博士发现地图存在着一些弊端时，在1960年提出了一个新颖的思想，要把地图变成数字形式的地图，便于计算机存贮、处理