精确农业变量施肥精度研究
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摘要
精确农业（精准农业，Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ｏｒ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ
Ｆａｒｍｉｎｇ）是近年来国际上农业科学研究的热点领域。作为信息农业的一
种表现形式或组成部分，是近年来美国、加拿大、英国等发达国家正热衷
研究和探讨的未来农业的代名词。精确农业的核心是ＧＰＳ、ＧＩＳ、ＲＳ支持下
的精确定位与变量投入作业。
随着精确农业技术的发展，变量施肥技术的研究与应用也越来越引
起人们的注意。土壤养分存在明显的变异是变量施肥研究的出发点和依
据，传统的施肥方法往往选取一片面积较大的农田（如一个自然村的全部
农田）进行采样和测土，进而计算该片农田的施肥量，这种方法忽视了土
壤养分分布的时空变异，容易造成肥力低的土壤施肥不足，而肥力高的土
壤施肥过量。事实上土壤是“一步三变土”，即使在一块较小的农田里，
土壤肥力也是变化的、非均一的。
精确农业中的变量施肥技术的应用是指根据田块的不同要求，有针
对性地撒施不同配方及不同量的混合肥的实时控制技术。根据空间差异性
的分布，因地制宜，把大块农田细化为小块农田，针对小块农田进行采样、
测土和决策，按需要变量调整化肥使用，从而达到减少投入，增加产量，
提高农资利用率，减少环境污染的目的。可见为取得良好的经济效益和环
境效益，适应不同地区、不同作物、不同土壤和不同作物生长环境的需要，
变量处方施肥是未来施肥的发展方向。
在变量施肥技术系统中变量施肥机的作业精度对变量施肥的实施效
果有着至关重要的影响。经过施肥决策，不同田块单元对应不同的施肥量
-78-
摘要
而不是过去的所有单元都采用同一施肥量，最终达到减少投入和提高作业
经济性。但是如果施肥机的控制精度不能保证，必然又造成肥料浪费，使
精确农业体系的“精确”的概念失去意义。可见，研究变量施肥机的作业
施肥精度具有重要的意义。
本文的研究是吉林省科委项目：精确农业自动变量施肥技术的研究
（课题编号 ２００００２０１－３－１）的一部分。该项目的研究内容包括：建立吉
林省中部相关耕地土壤养分地理信息数据库； 建立吉林省中部相关耕地
施肥专家系统；ＧＰＳ 定位精度研究，以达到准确定位操作单元；建立自动
变量施肥系统；自动变量施肥机研究。签订的技术指标施肥量 ８０－４００ 公
斤／公顷，无级调节，误差不大于 ８％。对施肥系统施肥精度的研究是本
文研究的重点。本文的研究同时受到吉林省农业开发办公室项目“吉林省
榆树市变量施肥技术试验与示范”的资助。变量施肥技术是精确农业的重
要组成部分，也是发达国家研究较为成熟的部分，本文的研究对在我国发
展精确农业以及农业的可持续发展都具有积极意义。
本文的主要工作有：
1、系统地介绍了精确农业的概念、技术组成，分析了精确农业在国
内外的研究方法和现状以及变量施肥的意义。
2、介绍了本文研究的变量施肥系统的组成及变量施肥控制原理，重
点介绍了与本文研究关系密切的 GPS 系统以及变量控制系统。
3、分析了本研究中的施肥原理以及可能影响施肥量、施肥精度的主
要因素。
4、通过在模拟田间作业的土槽试验台对施肥机的性能测试和数据的
深入分析，从标定控制曲线入手，提高控制精度；通过对排肥器排肥精度
的测试与试验分析，提出提高排肥精度的措施，并经过试验验证，使排肥
器的性能得到改善，找出排肥器精度分布的曲线；对影响施肥精度的速度
-79-
吉林大学硕士学位论文
因素，设计两种类型速度传感器：角度数字编码器和接近开关测速传感器，
研究两种传感器对施肥精度的影响；通过模拟田间试验的实验室土槽试验
考查打滑率在变量施肥作业中的影响。
分析GPS定位、测速原理，深入分析GPS测速精度。GPS测速大致有3
种方法：第一是基于GPS高精度定位结果，通过位置差分获取速度；第二
是利用原始多普勒观测值直接计算速度；第三是利用载波相位中心差分所
获得的多普勒观测值来计算速度。这3 种方法之间有一定的联系，都源于
速度的数学定义公式。不过由于计算思路不同,所利用的观测量也不同,部
分方法还作了不同程度的近似假设,所以它们所确定的速度的精度也不
同。位置中心差分法、载波相位中心差分法只有在载体作匀速运动时才成
立，所以它们的测速精度不仅与载波相位观测值的精度有关，而且还受到
载体运动状态的影响。如果载体运动不符合匀速运动,其速度精度必定受
影响,而且速度变化越大,速度测量误差就越大。载体作非匀速运动, 对位
置中心差分法测速的影响要大于载波相位中心差分。载体匀速运动时,位
置差分和载波相位中心差分确定的速度的精度基本相同,但稍优于原始多
普勒观测值所确定的速度的精度均达到mm/s级精度。载体非匀速运动时
载波相位中心差分法和位置中心差分法分别达到厘米/秒级和分米/秒级精
度提出采用GPS速度代替地轮速度传感器。通过田间施肥精度检测验证
GPS测速对施肥精度的影响。
分析引起变量施肥机在低施肥量时排肥精度差的因素。主要是由于
步进电机的低频特性的影响
The precision agriculture or precision farming is the hot field of the national
agricultural research of science in recent years, which is the substitute word of
the future agriculture as one form of presentation or one part of information
agriculture in the recent hot research in USA, Canada, and the British. The
core of the precision farming is the precision location or variable process
supported by GPS, GIS, and RS etc.
With the development of the precision farming, the researches and
applications of variable fertilization technology are coming to issue more
people’s attentions. The system of variable fertilization technology is
becoming the most important part of technology system in precision farming.
The researches of variable farming are based on the differences of soil nutrient.
The traditional methods of fertilization select a large area farmland for
sampling and examining of soil and calculate the unit of fertilization of the
selected farms, which neglect the differentiations of soil nutrition in space and
make less fertilization of the lower fertility soil, more of the higher soil. In fact,
the soil is “variable in different area”. That is variable and non-uniform in
even a smaller farm.
The applications of variable fertilization technology in precision farming,
according to the different pieces of farmrequirements, relatively distribute the
different prescription and different quantum fertility of real-time control
technique. According to the space difference in distribution, adjust measures to
-81-
吉林大学硕士学位论文
local conditions thin the larger piece of farm and sample, measure and decide
the smaller pieces of farm for the usage of the fertility based on the needs so as
to reduce the cost , promote the production and boost the utilization of
agricultural equipments, lessen the pollution. So, for better economic profits
and environmental benefit, adapt to the needs of different areas, crops and the
different growth environment of different crops, variable prescription
fertilization is our development direction for future fertilization.
The precision of fertilization machine in variable fertilization technology
system has the vital effect in the process of variable fertilization. After the
deciding of fertilization, different units of farm adapt to the different
fertilization quantity, which differ the every unit has the same quantity of
fertilization as what we’ve done, so as to finally reduce the devotion and
promote the economy of the operations. However, if the control precision of
fertilization machine can’t be guaranteed, it will definitely wastes the fertilizer
and makes the “precision”lose the meaning of the precision agricultural
system. Therefore, the research of units of fertilization has the important
meaning.
The research in this paper is based on the item of the academic committee
of Jilin province: part of the research of precision agricultural variable
fertilization technology (no. ２００００２０１－３－１). This research includes the
following parts: create the GIS database of the soil nutrition in the middle part
of plantation in Jilin province; create the fertilization expert system according
to the relative plantation in the middle part in Jilin province; the research of
the precision location so as to location precisely the operation units; create the
auto variable fertilization system; the research of auto variable fertilization
-82-
Ａｂｓｔｒａｃｔ
machine. The technological guideline units is 80~400kg/ha without adjustment
and the error is not higher than 8%. The research of the fertilizationprecision
in fertilization system is the emphasis in this paper. This paper is imbursed
by the development office of Jilin province agriculture “the examination and
demonstration of variable fertilization technology, Yushu city, Jilin province.
The variable fertilization technology is the most part of t
Ｆａｒｍｉｎｇ）是近年来国际上农业科学研究的热点领域。作为信息农业的一
种表现形式或组成部分，是近年来美国、加拿大、英国等发达国家正热衷
研究和探讨的未来农业的代名词。精确农业的核心是ＧＰＳ、ＧＩＳ、ＲＳ支持下
的精确定位与变量投入作业。
随着精确农业技术的发展，变量施肥技术的研究与应用也越来越引
起人们的注意。土壤养分存在明显的变异是变量施肥研究的出发点和依
据，传统的施肥方法往往选取一片面积较大的农田（如一个自然村的全部
农田）进行采样和测土，进而计算该片农田的施肥量，这种方法忽视了土
壤养分分布的时空变异，容易造成肥力低的土壤施肥不足，而肥力高的土
壤施肥过量。事实上土壤是“一步三变土”，即使在一块较小的农田里，
土壤肥力也是变化的、非均一的。
精确农业中的变量施肥技术的应用是指根据田块的不同要求，有针
对性地撒施不同配方及不同量的混合肥的实时控制技术。根据空间差异性
的分布，因地制宜，把大块农田细化为小块农田，针对小块农田进行采样、
测土和决策，按需要变量调整化肥使用，从而达到减少投入，增加产量，
提高农资利用率，减少环境污染的目的。可见为取得良好的经济效益和环
境效益，适应不同地区、不同作物、不同土壤和不同作物生长环境的需要，
变量处方施肥是未来施肥的发展方向。
在变量施肥技术系统中变量施肥机的作业精度对变量施肥的实施效
果有着至关重要的影响。经过施肥决策，不同田块单元对应不同的施肥量
-78-
摘要
而不是过去的所有单元都采用同一施肥量，最终达到减少投入和提高作业
经济性。但是如果施肥机的控制精度不能保证，必然又造成肥料浪费，使
精确农业体系的“精确”的概念失去意义。可见，研究变量施肥机的作业
施肥精度具有重要的意义。
本文的研究是吉林省科委项目：精确农业自动变量施肥技术的研究
（课题编号 ２００００２０１－３－１）的一部分。该项目的研究内容包括：建立吉
林省中部相关耕地土壤养分地理信息数据库； 建立吉林省中部相关耕地
施肥专家系统；ＧＰＳ 定位精度研究，以达到准确定位操作单元；建立自动
变量施肥系统；自动变量施肥机研究。签订的技术指标施肥量 ８０－４００ 公
斤／公顷，无级调节，误差不大于 ８％。对施肥系统施肥精度的研究是本
文研究的重点。本文的研究同时受到吉林省农业开发办公室项目“吉林省
榆树市变量施肥技术试验与示范”的资助。变量施肥技术是精确农业的重
要组成部分，也是发达国家研究较为成熟的部分，本文的研究对在我国发
展精确农业以及农业的可持续发展都具有积极意义。
本文的主要工作有：
1、系统地介绍了精确农业的概念、技术组成，分析了精确农业在国
内外的研究方法和现状以及变量施肥的意义。
2、介绍了本文研究的变量施肥系统的组成及变量施肥控制原理，重
点介绍了与本文研究关系密切的 GPS 系统以及变量控制系统。
3、分析了本研究中的施肥原理以及可能影响施肥量、施肥精度的主
要因素。
4、通过在模拟田间作业的土槽试验台对施肥机的性能测试和数据的
深入分析，从标定控制曲线入手，提高控制精度；通过对排肥器排肥精度
的测试与试验分析，提出提高排肥精度的措施，并经过试验验证，使排肥
器的性能得到改善，找出排肥器精度分布的曲线；对影响施肥精度的速度
-79-
吉林大学硕士学位论文
因素，设计两种类型速度传感器：角度数字编码器和接近开关测速传感器，
研究两种传感器对施肥精度的影响；通过模拟田间试验的实验室土槽试验
考查打滑率在变量施肥作业中的影响。
分析GPS定位、测速原理，深入分析GPS测速精度。GPS测速大致有3
种方法：第一是基于GPS高精度定位结果，通过位置差分获取速度；第二
是利用原始多普勒观测值直接计算速度；第三是利用载波相位中心差分所
获得的多普勒观测值来计算速度。这3 种方法之间有一定的联系，都源于
速度的数学定义公式。不过由于计算思路不同,所利用的观测量也不同,部
分方法还作了不同程度的近似假设,所以它们所确定的速度的精度也不
同。位置中心差分法、载波相位中心差分法只有在载体作匀速运动时才成
立，所以它们的测速精度不仅与载波相位观测值的精度有关，而且还受到
载体运动状态的影响。如果载体运动不符合匀速运动,其速度精度必定受
影响,而且速度变化越大,速度测量误差就越大。载体作非匀速运动, 对位
置中心差分法测速的影响要大于载波相位中心差分。载体匀速运动时,位
置差分和载波相位中心差分确定的速度的精度基本相同,但稍优于原始多
普勒观测值所确定的速度的精度均达到mm/s级精度。载体非匀速运动时
载波相位中心差分法和位置中心差分法分别达到厘米/秒级和分米/秒级精
度提出采用GPS速度代替地轮速度传感器。通过田间施肥精度检测验证
GPS测速对施肥精度的影响。
分析引起变量施肥机在低施肥量时排肥精度差的因素。主要是由于
步进电机的低频特性的影响
The precision agriculture or precision farming is the hot field of the national
agricultural research of science in recent years, which is the substitute word of
the future agriculture as one form of presentation or one part of information
agriculture in the recent hot research in USA, Canada, and the British. The
core of the precision farming is the precision location or variable process
supported by GPS, GIS, and RS etc.
With the development of the precision farming, the researches and
applications of variable fertilization technology are coming to issue more
people’s attentions. The system of variable fertilization technology is
becoming the most important part of technology system in precision farming.
The researches of variable farming are based on the differences of soil nutrient.
The traditional methods of fertilization select a large area farmland for
sampling and examining of soil and calculate the unit of fertilization of the
selected farms, which neglect the differentiations of soil nutrition in space and
make less fertilization of the lower fertility soil, more of the higher soil. In fact,
the soil is “variable in different area”. That is variable and non-uniform in
even a smaller farm.
The applications of variable fertilization technology in precision farming,
according to the different pieces of farmrequirements, relatively distribute the
different prescription and different quantum fertility of real-time control
technique. According to the space difference in distribution, adjust measures to
-81-
吉林大学硕士学位论文
local conditions thin the larger piece of farm and sample, measure and decide
the smaller pieces of farm for the usage of the fertility based on the needs so as
to reduce the cost , promote the production and boost the utilization of
agricultural equipments, lessen the pollution. So, for better economic profits
and environmental benefit, adapt to the needs of different areas, crops and the
different growth environment of different crops, variable prescription
fertilization is our development direction for future fertilization.
The precision of fertilization machine in variable fertilization technology
system has the vital effect in the process of variable fertilization. After the
deciding of fertilization, different units of farm adapt to the different
fertilization quantity, which differ the every unit has the same quantity of
fertilization as what we’ve done, so as to finally reduce the devotion and
promote the economy of the operations. However, if the control precision of
fertilization machine can’t be guaranteed, it will definitely wastes the fertilizer
and makes the “precision”lose the meaning of the precision agricultural
system. Therefore, the research of units of fertilization has the important
meaning.
The research in this paper is based on the item of the academic committee
of Jilin province: part of the research of precision agricultural variable
fertilization technology (no. ２００００２０１－３－１). This research includes the
following parts: create the GIS database of the soil nutrition in the middle part
of plantation in Jilin province; create the fertilization expert system according
to the relative plantation in the middle part in Jilin province; the research of
the precision location so as to location precisely the operation units; create the
auto variable fertilization system; the research of auto variable fertilization
-82-
Ａｂｓｔｒａｃｔ
machine. The technological guideline units is 80~400kg/ha without adjustment
and the error is not higher than 8%. The research of the fertilizationprecision
in fertilization system is the emphasis in this paper. This paper is imbursed
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引文
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［１０］ ＡＢＭｃ Ｂｒａｔｈｅｙ ａｎｄ ＭＪ Ｐｒｉｎｇｌｅ， Ｓｐａｔｉａｌ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ
ｓｏｉｌ－ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ
ｔｈｅ Ｆｉｒｓｔ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，
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吉林大学硕士学位论文
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