基于GPS技术下茶叶种植区域大气环境监测系统的研究

李丽芬，云彩霞，陈晓芳

（燕京理工学院信息学院,河北三河 065201）

基于GPS技术下茶叶种植区域大气环境监测系统的研究

李丽芬，云彩霞，陈晓芳

（燕京理工学院信息学院,河北三河 065201）

规模化的茶叶种植区域往往面积大、范围广。在对茶叶种植区域的大气环境监测时，会受到地理位置上的限制。在了解空气成分、发现污染源等方面，按照传统的监测方法存在困难。通过GPS技术的介入，可以为构建茶叶种植区域的大气环境监测系统提供思路和便利。文章阐述了GPS的发展过程，总结了GPS系统的工作原理，展现了GPS系统的应用普及情况。从茶叶生长本身的角度，分析了监测区域内大气环境质量对茶叶的作用及意义。最后，还得出GPS在构建大气环境监测系统中的应用方法。

GPS技术；茶叶种植区域；大气环境；监测系统

在良好大气环境下种植生长的茶叶，不仅口感和品质更好，而且由于净化的空气环境的作用，茶叶在质量安全方面有保障。因此，茶叶种植区域对大气的环境监测和治理格外敏感和严格。借助GPS技术，人们可以制作形成大气环境监测系统，对茶叶生长区域的大气环境进行实时监测。

1 GPS系统功能与应用

GPS（Global Positioning System），即全球定位系统的意思。GPS系统由美国研发，在太空中围绕地球运行轨道发射了一组人造卫星，用以收集和处理一系列信息的系统。

1.1 GPS系统的出现和发展

GPS最早的出现，是美国用于军事目的的测定系统。从20世纪的中叶开始，美国军方就致力于研究用于军事目的的卫星定位系统。直到上世纪70年代，GPS系统才初具规模。目前，GPS系统发展到包括3颗备用卫星在内的24颗人造卫星的定位网络体系，按照一定的度数排列分布在距离地球地面约2万公里的高空中。随着人类向太空中发射的卫星数量的增加，以及人们对定位系统科技领域的不断挖掘，GPS系统的发展越来越成熟，定位精度极大提高。例如：在最早的卫星定位开发系统中，定位精度能够达到上百米，我们在茶叶种植区域内，可以看到茶园的大概分布以及茶叶种植区域的面积形状等。而发展成熟后的GPS系统，能够将这一定位范围缩小到10米甚至更多，即可以分辨出茶园内纵横的道路以及正在作用的采茶工人等。

1.2 GPS系统的工作原理

GPS系统的主要功能是对位置进行定位，实现的方式是通过地面上的手持设备与卫星之间的相互信息传播，目的是确定手持设备所处位置。其中所测的位置信息包括，手持设备所处的经度、维度、海拔高度以及移动速度等。将手持GPS接受设备所在地区看作是一个立体空间，就可以构建一幅立体坐标系。其中，所处位置的经线看作是X轴，纬线看作是Y轴，海拔高度的方向是Z轴，移动过程中移动后量减去前量，即为移动的变量。则接受设备所处的位置即为（x,y,z），移动速度为ΔV，4个变量需要至少4颗GPS卫星的相互作用，才能得出具体的位置和变化数值。例如：手持GPS接受设备接受来自一颗卫星的导航电文信号，通过时间计算距离，得到关于以上4个未知数的一个等式。在4颗卫星发射导航电文的同时作用下，得到关于4个未知数的4个等式，经过计算，得出x,y,z以及ΔV的值，即为手持设备所处的地理位置和变化情况。

1.3 GPS系统的应用普及

GPS系统的开发目的源于军用，目前最高分辨等级的定位仍然被美国军方所掌控。但是民用部分已经对全球用户开放，广泛用于地理信息定位、测绘、导航等实际生活中。在许多中高端的汽车配置中，都应用了GPS的导航系统。汽车中的GPS系统应用集合了GPS的大部分功能。例如：当汽车驾驶员需要去到一个不熟悉的地址时，通过GPS的搜索，寻找目的地的坐标，然后与出发地之间建立起路径的联系，根据汽车的运动情况指引驾驶员到达目的地。其次，GPS系统可以实时计算汽车的运行数据，包括目前汽车所处的海拔高度、行驶速度，还可以根据运行时间、行驶里程等信息，辅助计算汽车的油耗、油量剩余行驶里程等数据。第三个GPS的功能就是应急救援。特别是在高档的汽车当中，都具备与汽车经营商后台进行互联网互通的功能。当车辆在路上抛锚或者遇险的时刻，可以随时随地向汽车经销商发送位置报告，达到及时救援的目的。

2 茶叶种植区域大气环境监测的必要性研究

茶叶属于天然生长的绿色植物，需要自然的光照、水文和大气条件。空气质量的状况通过植物的光合作用和呼吸作用，直接影响茶树的生长，影响茶叶质量安全。因此，对茶叶种植区域进行大气环境监测十分有必要。

2.1 保障茶叶食品安全

包括茶树在内的绿色植物的生长，离不开空气。白天，茶树在太阳的光照下进行光合作用，吸收大气中的二氧化碳并释放氧气。夜晚，茶树在呼吸作用下进行二氧化碳和氧气的相反运作。无论是哪一种作用，茶树都是直接从大气中吸收空气成分。空气中的所有成分都可以直接依附在茶叶表面，甚至被茶叶直接吸收。在如今经常出现的雾霾天气中，大气中的PM2.5颗粒数量急剧上升。这些颗粒在大气沉降的作用下，依附在茶叶表面。一方面，颗粒的存在阻隔了茶叶叶片对阳光的需求，以及必要的蒸腾作用，影响茶树的生长；另一方面，颗粒中的有害物质被茶叶叶片吸收，在被加工制作成为茶叶成品后，增加了流向消费市场的风险和危机。有毒茶叶一旦被消费者所饮用，就会引起对人体健康的损害。因此，对大气环境进行监测，是保障茶叶食品安全的必需。

2.2 预判茶叶生长状况

大气环境监测的主要功能就是对大气环境中的污染物进行分析和监测。大气中的污染物对茶叶存在直接的影响。通过监测过程，可以分析污染物的主要构成成分，以及对茶叶存在的影响方面，预判茶叶的生长情况，从而为寻找解决的突破口夯实基础。茶叶种植区域正好处于炼钢企业的下风向上，在季风的作用下，炼钢企业排出的废气被带到茶叶种植区域上方，经过大气环境监测，发现废气中含有大量的重金属元素，由此可以预判，该批茶叶可能会存在重金属含量超标的问题，在采摘加工后应当着重加强对重金属含量的检测。经过检测确实存在超标的情况，需要特殊手段的处理去除茶叶内所含的重金属，达标者可以流入市场，仍然超标者应当立即废弃。

2.3 研究茶叶种植区域气候变化

对大气环境的监测，可以帮助研究区域内的气候变化。例如：茶叶种植区域内出现了重度污染天气。通过监测可以分析得出重污染天气的形成原因。除了有污染源的因素之外，当时的气候条件应当是不具备污染物扩散的条件，才使得大量的污染物聚集，形成重污染天气。气候条件对于茶树的生长虽然并不能立刻体现，但也应当引起茶园管理者的重视，在湿度较大的污染天气，可以适当减少茶树的灌溉次数和频率，在重污染天气结束后，立即采取喷洗等措施对茶树叶片进行处理。

3 GPS技术构建茶叶种植区域大气环境监测系统的应用

对茶叶种植区域的大气环境监测，应当有相应的制度、方法、标准以及应对治理预案等。这些因素集合成为大气环境监测系统。利用GPS系统的定位功能，使监测系统的应用更加方便。

3.1 测定茶叶种植区域大气环境基础数据

研究茶叶种植区域的大气环境监测，应当首先对茶叶区域进行精准定位，再开展研究。例如：对茶园所处的经纬度位置在地图上准确标出，同时按照冬季风和夏季风风向的不同，查找上风向上可能存在的污染源。这就应用到GPS的另一项功能，即根据分析和判断，在地图上定位污染的发生地。针对污染制造企业，不但可以监视和记录其污染活动和污染信息，还可以分析企业的污染类型，污染程度和风险等级，为茶树的成长提供预判。当茶叶种植区域内有多个大气环境污染物和污染源时，GPS可以同时追踪多个标的物，在茶叶种植区域标出污染物类型及来源，按照动态分布图的形式呈现在茶园工程师或者环境保护部门面前，方便监控和管理。

3.2 管理大气环境监测设备运行

大气环境监测需要运用一定的设备和手段。在茶叶种植区域，往往地形比较空旷，而且地域面积较大，需要GPS的介入辅助管理监测设备的运行。在许多大气环境监测中已经投入了无人机的使用，来代替人工收集大气环境质量数据。无人机的控制需要GPS的帮助进行实时定位，在地面指挥人员的指令下，按照GPS给定的坐标方位，进行有目的性的飞行和收集作业。

3.3 调度大气环境污染事件应急处理

GPS系统可以参与茶叶种植区域大气污染紧急事件的处理。在茶叶种植区域突发降下酸性较大的酸雨，其不但对茶树有较大的损失，对茶园土壤的污染影响也较为深远，对以后茶树等作物的生长产生了不利因素。当事件发生后，借助GPS的分析，首先测定酸雨的降落范围，了解受害面积和范围，掌握基础数据。其次，根据周边的数据分析，查找定位污染源。环保部门根据对污染源的调查分析出酸雨的主要危害物后，方便对症下药，寻找解决的措施和治理方式。加入需要向土壤中播撒碱性物质来中和酸性危害，则需要GPS为无人机等飞行机器导航和明确喷洒范围。

4 结论

GPS的出现，将人类的活动范围从地球延伸到了太空。借助人造卫星的力量，人类可以对地面上的坐标和活动信息进行精确定位。对茶叶种植区域大气环境的监测关系茶叶的产品质量安全、茶树的成长趋势以及区域内的气候变化情况。大气环境监测系统的建立势在必行。借助于GPS的力量，大气环境监测系统可以对茶叶种植区域的大气环境信息进行基础收集，管理监测设备的运行，并且为大气污染事件提供紧急应对处理方法。

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[2]张宝健,高静,梁丽勤.基于GPS的大气质量监测系统设计的分析[J].科研,2016(09):33-34.

[3]王阳,李宝刚,章明奎.大气沉降对茶叶重金属积累的影响[J].科技导报,2011(21):55-59.

廊坊市科技支撑计划项目（2016011009）；河北省高等教育教学改革研究与实践项目（2016GJJG329）

李丽芬（1982-），女，河北平泉人，副教授，硕士，研究方向：嵌入式系统设计。云彩霞（1981-），女，吉林九台人，副教授，硕士，研究方向：无线通信计算机应用。陈晓芳（1984-），女，湖北枝江人，讲师，硕士，研究方向：控制理论与控制工程。