借助智能手机和gps制定作物精确栽培方案的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种借助智能手机和GPS制定作物精确栽培方案的方法，它通过智能手机装载农区基本信息数据，在农业生产现场利用GPS接收装置定位田块，选择田块栽培管理阶段，并输入田块的作物品种类型、产量目标和栽培管理措施数据或实时苗情数据，通过智能手机处理程序的作物管理知识模型模块进行运算决策，生成精确管理方案。本发明实施方法简单，使用主流的智能手机设备作为决策工具，方便携带，制定的方案具有实用性和可靠性。本发明还公开了一种借助智能手机和GPS制定作物精确栽培方案的系统，用于实现本发明的方法。
【专利说明】借助智能手机和GPS制定作物精确栽培方案的方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及作物精确栽培管理领域，特别涉及一种借助智能手机和GPS制定作物精确栽培方案的方法。
[0002]本发明还涉及一种借助智能手机和GPS制定作物精确栽培方案的系统。
【背景技术】
[0003]20世纪后半期世界农业的高速发展，除了依靠生物技术的进步和耕地面积、灌溉面积的扩大外，基本上是在化肥与农药等化学品和矿物能源的大量投入条件下获得的。由此引起的水土流失、土壤生产力下降、农产品和地下水污染、水体富营养化等生态环境问题，已引起了国际社会的广泛关注，并推动了农业可持续发展和精确农作理论的产生和发展。
[0004]精确农作(精确管理)的含义是按照田间每一操作单元的具体条件，精细准确地调整各项土壤和作物管理措施，最大限度地优化使用各项农业投入，以获取最高产量和最大经济效益。精确农作要实现3个方面的精确:定位准确即对于每一耕作小地块，如每亩或每100平方米亦或每平方米地块的精确定位；定量精确即根据作物的生育阶段及生长状况，精确给出最科学的施肥、灌溉、喷药配方及耕作措施等；定时精确即给出管理措施的最佳准确时间。
[0005]目前，精确农作田间作业管理实施的主要技术方法为:装载有GPS接收器和产量传感器的联合收割机，定时、连续采集田间位置数据和对应地块的产量数据；经过计算机处理形成作物产量图；根据田间地形、地貌、土壤肥力等参数的空间分布图；经作物生长模拟模型、投入产出模型、专家系统等建立的辅助决策系统进行管理决策，再经决策者做出决策，形成作业管理处方图；根据处方图进行定位作业管理。
[0006]这种方法存在的问题表现在:
[0007](I)机械化程度要求较高，仅适用于我国规模化经营的大型国营农场和较发达的地区，而在以家庭联产承包责任制为主要经济形式分散经营的大部分农村则难以应用。
[0008](2)管理处方图是在田间作业前于室内完成，当田间管理中实际情况发生改变时，例如选种作物品种改变时，需要在室内重新形成管理处方图，影响了管理的时效性。
[0009](3)管理方案只包括作物播前管理措施，没有涉及作物整个生育期的管理方法，因此无法根据作物生长过程中的具体情况进行产中因苗实时管理调控。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是提供一种能够适用于我国规模化经营的大型国营农场和较发达的地区，而且还有利于在以家庭联产承包责任制或种粮大户为主的大部分农村推广使用，并具有智能化、形象化、便携式的优点，能够基于农田差异的变量投入，获取较高产量和最大经济效益的作物精确栽培方案的制定方法和一个用于实现该方法的系统。
[0011]技术方案:一种借助智能手机和GPS制定作物精确栽培方案的方法，它通过智能手机装载农区基本信息数据，在农业生产现场利用GPS接收装置定位田块，选择田块栽培管理阶段，并输入田块的作物品种类型、产量目标和栽培管理措施数据或实时苗情数据，通过智能手机处理程序的作物管理知识模型模块进行运算决策，生成精确管理方案。实现最大限度地优化使用各项农业投入，节约农业生产资源，同时保护农业生态环境。
[0012]该方法包括:
[0013]一个数据导入步骤，将农区基本信息数据导入智能手机；
[0014]一个GPS接收步骤，通过GPS接收装置接收GPS卫星电文；
[0015]一个卫星电文解析步骤，解析GPS卫星电文以提取当前田块的位置信息；
[0016]一个当前田块在矢量地图中定位步骤，根据当前的位置信息，通过智能手机处理程序在当前农区矢量地图中定位，突出显示当前所在田块；
[0017]一个当前田块栽培管理阶段选择步骤，根据当前田块的农作物生长发育阶段，在智能手机上选择相应的田块栽培管理阶段；
[0018]一个数据输入步骤，如果田块管理阶段在播种或移栽前，则输入田块的作物品种类型、产量目标和栽培管理措施数据；如果在田块管理阶段在生长中期，则输入田块的作物品种类型、产量目标和实时苗情数据；
[0019]一个运算决策步骤，智能手机处理程序进行运算决策，生成播种或移栽前以及生长中期的栽培管理方案；
[0020]一个显示步骤，在智能手机可视界面上显示输出栽培管理方案。
[0021 ] 本发明中所述的作物包括水稻、小麦、玉米、大豆。
[0022]本发明中所述的农区基本信息数据包括:农区矢量地图数据、田块土壤数据、作物品种数据和农区常年气象数据；所述农区矢量地图数据，是描述农田小区各田块矢量信息的空间数据；所述田块土壤数据，是反映田块土壤性质的数据，包括耕层厚度、pH值、物理性粘粒含量、容重、裸土反射率、凋萎系数、田间持水量、饱和含水量、土壤有机质含量、全氮含量、矿化无机氮含量、速效磷含量、速效钾含量、盐分含量；所述作物品种数据，为不同作物品种的遗传特征参数，包括产量及产量结构、主要品质指标、收获指数、分蘖特性、生育期天数、对温度的响应、对光周期的响应、籽粒和秸杆中的氮、磷、钾含量、耐肥性及抗病性；所述农区常年气象数据，是农区常年逐日气象数据，包括日最高气温、日最低气温、日照时数和日降水量，常年是指近30年单点历史气象数据的平均值。
[0023]本发明中所述田块栽培管理阶段包括播种前或移栽前栽培管理阶段和生长中期栽培管理阶段。
[0024]本发明中所述的栽培管理措施数据包括:作物最早播期、最迟收获期、播种深度、整地质量、水分管理水平、肥料运筹水平、病虫草害防治水平、栽培技术水平、肥料利用率。
[0025]本发明中所述的实时苗情信息包括:叶龄、叶面积指数、茎蘖数、干物质积累量。
[0026]本发明中程序设计使用C#编程语言，详细算法见曹卫星、朱艳编著的《作物管理知识模型》，由中国农业出版社2005年出版。作物管理知识模型是基于作物与环境的关系，提炼和总结出的有关作物生育和管理调控指标的定量数学机理模型。本发明中所述的作物管理知识模型模块是根据作物管理知识模型算法编制的程序功能模块，它包括:播前栽培管理算法、产中因苗实时调控算法。所述的播前栽培管理算法，是生成作物播种或移栽前技术方案的知识模型算法，包括的子算法有:适宜播期算法，用以计算适宜播种期的算法；密度设计算法，用以计算合理基本苗和播种量的算法；肥料运筹算法，用以计算氮磷钾施用量、有机氮与无机氮的比例、氮磷钾肥的基追比的算法；水分管理算法，用以计算总灌溉量及灌溉时期的算法。所述的产中因苗实时调控算法，是生成作物生长中期调控方案的知识模型算法，包括的子算法有:肥料调控算法，用以计算是否需要追肥，以及追肥时期和追肥量的算法；水分调控算法，用以计算是否需要进行灌溉调控，以及调控时期和水分管理措施的算法。
[0027]本发明中所述的精确管理方案包括:播前栽培管理方案、产中实时调控方案；所述播前栽培管理方案，包括管理措施项:适宜播期、合理基本苗、播种量、氮磷钾肥施用量、有机氮与无机氮的比例、氮磷钾肥的基追比、总灌溉量；所述实时调控方案，包括管理措施项:下次施肥时期、施肥量、水分调节时期、水分管理措施。
[0028]本发明的智能手机处理程序由VS C#语言编写，智能手机的具体决策步骤为:
[0029](I)程序开始；
[0030](2)打开农区矢量地图；
[0031](3)获取GPS接收装置的卫星信号；
[0032](4)卫星电文解析，提取位置信息；
[0033](5)在农区矢量地图上根据当前位置信息定位，突出显示当前所在田块；
[0034](6)选择当前田块内种植作物的管理阶段；
[0035](7)如果管理阶段在播种(移栽)前，则提示输入田块的作物品种类型、产量目标和栽培管理措施数据，如果在生长中期，则提示输入田块的作物品种类型、产量目标和实时苗情数据；
[0036](8)调出该田块的土壤数据、作物品种数据和农区常年气象数据；
[0037](9)根据7、8两步输入和调出的相关数据，使用作物管理知识模型模块进行运算决策，生成播种(移栽)前或生长中期的栽培管理方案；
[0038](10)显示管理方案；
[0039](11)程序结束。
[0040]本发明还包括一种用于实现所述借助智能手机和GPS实现作物精确管理的方法的系统，它包括:
[0041]一个控制模块，用以控制地图显示、模型执行、用户输入、结果输出和数据库更新；
[0042]一个属性数据库，它同控制模块相连，用以存储农区田块土壤数据、作物品种数据和农区常年气象数据；
[0043]一个空间数据库、一个GPS接收装置和一个地图模块，该空间数据库和GPS接收装置通过地图模块与控制模块相连；其中，空间数据库用以存储农区矢量地图数据；GPS接收装置用以接收GPS卫星电文，提供当前的位置信息；地图模块用以显示农区矢量地图，和根据位置信息定位，突出显示定位田块；
[0044]—个模型模块，它同控制模块相连，用以决策计算，进行程序运行；
[0045]一个传输模块，它同控制模块相连，用以更新属性数据库和空间数据库；
[0046]—个输入模块，它同控制模块相连，用以选择田块管理阶段，或输入田块的作物品种类型、目标产量、栽培管理措施数据和实时苗情数据；[0047]一个输出模块，它同控制模块相连，用以显示输出结果。
[0048]本发明的主要优点有:实施方法简单，使用者可为农业生产者、管理人员或农技推广人员等，有利于全国范围内大面积推广；使用主流的智能手机设备作为决策工具，方便携带，可随时随地根据需要制定决策结果；使用作物管理知识模型作为决策模型，实现了作物生长过程的“因天、因地、因苗”调控管理，具有好的普适性和科学性。
【专利附图】
【附图说明】
[0049]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0050]图1是本发明的系统架构图。
[0051]图2是本发明的系统流程图。
[0052]图3是本发明的产量目标模型的基本算法流程图。
[0053]图4是本发明的密度设计模型的基本算法流程图。
[0054]图5是本发明的总施肥量模型的基本算法流程图。
[0055]图6是本发明的旱田水分管理模型的基本算法流程图。
[0056]图7是本发明的水田水分管理模型的基本算法流程图。
[0057]图8生理发育时间模型的基本算法流程图。
[0058]图9适宜叶面积指数动态模型的基本算法流程图。
[0059]图10适宜干物质积累动态模型的基本算法流程图。
[0060]图11因苗实时调控模型(追肥)的基本算法流程图。
[0061]图12示范区田块及土壤基础肥力分布图。
[0062]图13示范区总施氮肥量处方图。
【具体实施方式】
[0063]本发明的实施例系统由以下几部分组成(如附图1):
[0064]空间数据库，用以存储农区矢量地图数据；
[0065]GPS接收装置，用以接收GPS卫星电文，提供当前的位置信息；
[0066]地图模块，用以显示农区矢量地图，和根据位置信息定位，突出显示定位田块；
[0067]控制模块，用以控制地图显示、模型执行、用户输入、结果输出和数据库更新；
[0068]属性数据库，用以存储农区田块土壤数据、作物品种数据和农区常年气象数据；
[0069]传输模块，用以更新属性数据库和空间数据库；
[0070]输入模块，用以选择田块管理阶段，或输入田块的作物品种类型、目标产量、栽培管理措施数据和实时苗情数据；
[0071]模型模块，用以决策计算，是根据作物管理知识模型算法编制的程序功能模块；
[0072]输出申旲块，用以显不输出结果。
[0073]其中，输入模块、地图模块、模型模块、输出模块、传输模块和属性数据库均与控制模块连接，GPS接收装置和空间数据库同地图模块相连。
[0074]结合附图1和附图2，对本发明借助智能手机和GPS制定作物精确栽培方案的方法和步骤，作进一步描述为:
[0075](I)使用传输模块将农区矢量地图数据导入智能手机的空间数据库中，将田块土壤数据、作物品种数据、农区常年气象数据导入智能手机的属性数据库中；
[0076](2)打开智能手机的GPS接收装置及处理程序，控制模块开始初始化，并向地图模块发送初始化命令，地图模块调用空间数据库，打开当前农区矢量地图，并开始接收GPS卫星电文；
[0077](3)地图模块对卫星电文进行解析，提取当前的位置信息；
[0078]( 4 )地图模块根据位置信息，在当前农区矢量地图中定位，突出显示当前所在田块；
[0079](5)地图模块将当前所在田块的名称传送给控制模块，由控制模块调用输入模块，显示当前田块栽培管理阶段的选择界面；
[0080](6)如果所选田块栽培管理阶段为播种(移栽)前，则输入模块显示输入田块的作物品种类型、产量目标和栽培管理措施数据界面；如果为稻麦生长中期，则显示输入田块的作物品种类型、产量目标和实时苗情数据界面；
[0081](7)控制模块根据当前所在田块的名称和作物品种类型调用属性数据库，获取该田块的土壤数据、作物品种数据和农区常年气象数据；
[0082](8)控制模块将当前田块的栽培管理措施数据或实时苗情数据，及田块的土壤数据、作物品种数据和农区常年气象数据传入模型模块进行运算决策；
[0083](9)如果管理阶段在播种(移栽)前，则模型模块生成播种(移栽)前的栽培管理方案，如果在生长中期，则模型模块生成生长中期的栽培管理方案；
[0084]( 10)控制模块获得模型模块的决策方案，并传送给输出模块；
[0085](11)输出模块显示决策方案。
[0086]为了更好的验证本发明的实用性和可靠性，以水稻作物为例，于2011年其生长季节(6月?10月)，在江苏省吴江市同里镇北联村进行生产试验。总体选取18块田块作为示范实施地块，田块分布见图12，其中9块作为精确农作管理示范实施田块，编号为精确1、精确2、精确3 (对应田块编号为4、5、6、7、10、11、12、15、16);4块作为传统专家方案实施田块(对应田块编号为1、8、13、14)，方案由当地高产栽培专家制定；4块作为农户方案实施田块(对应田块编号为2、3、9、17、18)，方案为当地农民习惯栽培方案。
[0087]本实施例就水稻的精确施肥管理过程进行说明。水稻移栽前，将农区矢量地图数据、田块土壤数据、水稻品种数据、农区常年气象数据导入智能手机。农区矢量地图数据，描述了图12所示农田小区各田块矢量信息的空间数据；田块土壤数据，是图12所示田块土壤性质的数据，包括耕层厚度、PH值、物理性粘粒含量、容重、裸土反射率、凋萎系数、田间持水量、饱和含水量、土壤有机质含量、全氮含量、矿化无机氮含量、速效磷含量、速效钾含量、盐分含量；水稻品种数据，是吴江地区常用水稻品种的遗传特征参数，包括千粒重、主要品质指标、收获指数、分蘖特性、生育期天数、对温度的响应、对光周期的响应、籽粒和秸杆中的氮、磷、钾含量、耐肥性及抗病性，表I中列出了示范区主要的土壤肥力数据；农区常年气象数据，是吴江市常年逐日气象数据，包括逐日最高气温、最低气温、日照时数和降水量。
[0088]表I移栽前土壤基础肥力情况
【权利要求】
1.一种借助智能手机和GPS制定作物精确栽培方案的方法，其特征是它通过智能手机装载农区基本信息数据，在农业生产现场利用GPS接收装置定位田块，选择田块栽培管理阶段，并输入田块的作物品种类型、产量目标和栽培管理措施数据或实时苗情数据，通过智能手机处理程序的作物管理知识模型模块进行运算决策，生成精确栽培管理方案。
2.根据权利要求1所述的一种借助智能手机和GPS制定作物精确栽培方案的方法，其特征是它包括: 一个数据导入步骤，将农区基本信息数据导入智能手机； 一个GPS接收步骤，通过GPS接收装置接收GPS卫星电文； 一个卫星电文解析步骤，解析GPS卫星电文以提取当前田块的位置信息； 一个当前田块在矢量地图中定位步骤，根据当前的位置信息，通过智能手机处理程序在当前农区矢量地图中定位，突出显示当前所在田块； 一个当前田块栽培管理阶段选择步骤，根据当前田块的农作物生长发育阶段，在智能手机上选择相应的田块栽培管理阶段； 一个数据输入步骤，如果田块 管理阶段在播种或移栽前，则选择或输入田块的种植作物品种类型、产量目标和栽培管理措施数据；如果田块管理阶段在生长中期，则输入田块种植作物品种类型、产量目标和实时苗情数据； 一个运算决策步骤，智能手机处理程序进行运算决策，生成播种或移栽前以及生长中期的栽培管理方案； 一个显示步骤，在智能手机可视界面上显示输出栽培管理方案。
3.根据权利要求1或2所述的任一种借助智能手机和GPS制定作物精确栽培方案的方法，其特征是所述作物包括水稻、小麦、玉米、大豆。
4.根据权利要求1或2所述的任一种借助智能手机和GPS制定作物精确栽培方案的方法，其特征是所述的农区基本信息数据包括:农区矢量地图数据、田块土壤数据、作物品种数据和农区常年气象数据； 所述农区矢量地图数据，是描述农田小区各田块矢量信息的空间数据； 所述田块土壤数据，是反映田块土壤性质的数据，包括耕层厚度、PH值、物理性粘粒含量、容重、裸土反射率、凋萎系数、田间持水量、饱和含水量、土壤有机质含量、全氮含量、矿化无机氮含量、速效磷含量、速效钾含量、盐分含量； 所述作物品种数据，为不同作物品种的遗传特征参数，包括产量及产量结构、主要品质指标、收获指数、分蘖特性、生育期天数、对温度的响应、对光周期的响应、籽粒和秸杆中的氮、磷、钾含量、耐肥性及抗病性； 所述农区常年气象数据，是农区常年逐日气象数据，包括日最高气温、日最低气温、日照时数和日降水量，常年是指近30年单点历史气象数据的平均值。
5.根据权利要求1或2所述的任一种借助智能手机和GPS制定作物精确栽培方案的方法，其特征是所述田块栽培管理阶段包括播种前或移栽前栽培管理阶段和生长中期栽培管理阶段。
6.根据权利要求1或2所述的任一种借助智能手机和GPS制定作物精确栽培方案的方法，其特征是所述的栽培管理措施数据包括:作物最早播期、最迟收获期、播种深度、整地质量、水分管理水平、肥料运筹水平、病虫草害防治水平、栽培技术水平、肥料利用率。
7.根据权利要求1或2所述的任一种借助智能手机和GPS制定作物精确栽培方案的方法，其特征是所述的实时苗情数据包括:叶龄、叶面积指数、茎蘖数、干物质积累量。
8.根据权利要求1或2所述的任一种借助智能手机和GPS制定作物精确栽培方案的方法，所述作物管理知识模型模块是根据作物管理知识模型算法编制的程序功能模块，它包括:播前栽培管理算法、产中因苗实时调控算法； 所述的播前栽培管理算法，是生成作物播种或移栽前技术方案的知识模型算法，包括的子算法有: 适宜播期算法，用以计算适宜播种期的算法； 密度设计算法，用以计算合理基本苗和播种量的算法； 肥料运筹算法，用以计算氮磷钾肥施用量、有机氮与无机氮的比例、氮磷钾肥的基追比的算法； 水分管理算法，用以计算总灌溉量及灌溉时期的算法； 所述的产中因苗实时调控算法，是生成作物生长中期调控方案的知识模型算法，包括的子算法有: 肥料调控算法，用以计算是否需要追肥，以及追肥时期和追肥量的算法； 水分调控算法，用以计算是否需要进行灌溉调控，以及调控时期和水分管理措施的算法。
9.根据权利要求1或2所述的任一种借助智能手机和GPS制定作物精确栽培方案的方法，其特征在于所述的精确管理方案包括:播前栽培管理方案、产中实时调控方案； 所述播前栽培管理方案，包括管理措施项:适宜播期、合理基本苗、播种量、氮磷钾肥施用量、有机氮与无机氮的比例、氮磷钾肥的基追比、总灌溉量； 所述实时调控方案，包括管理措施项:下次追肥时期、追肥量、水分调节时期、水分管理措施。
10.一种借助智能手机和GPS制定作物精确栽培方案的系统，其特征在于它包括: 一个控制模块，用以控制地图显示、模型执行、用户输入、结果输出和数据库更新； 一个属性数据库，它同控制模块相连，用以存储农区田块土壤数据、作物品种数据和农区常年气象数据； 一个空间数据库、一个GPS接收装置和一个地图模块，该空间数据库和GPS接收装置通过地图模块与控制模块相连；其中，空间数据库用以存储农区矢量地图数据；GPS接收装置用以接收GPS卫星电文，提供当前的位置信息；地图模块用以显示农区矢量地图，和根据位置信息定位，突出显示定位田块； 一个模型模块，它同控制模块相连，用以决策计算，进行程序运行； 一个传输模块，它同控制模块相连，用以更新属性数据库和空间数据库； 一个输入模块，它同控制模块相连，用以选择田块管理阶段，或输入田块的作物品种类型、目标产量、栽培管理措施数据和实时苗情数据； 一个输出模块，它同控制模块相连，用以显不输出结果。
【文档编号】G06Q50/02GK103745407SQ201310750814
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】刘小军, 邱小雷, 朱艳, 曹卫星, 姚霞, 田永超 申请人:南京农业大学