李麗芬，云彩霞，陳曉芳

（燕京理工學院信息學院,河北三河 065201）

基于GPS技術下茶葉種植區(qū)域大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究

李麗芬，云彩霞，陳曉芳

（燕京理工學院信息學院,河北三河 065201）

規(guī)模化的茶葉種植區(qū)域往往面積大、范圍廣。在對茶葉種植區(qū)域的大氣環(huán)境監(jiān)測時，會受到地理位置上的限制。在了解空氣成分、發(fā)現(xiàn)污染源等方面，按照傳統(tǒng)的監(jiān)測方法存在困難。通過GPS技術的介入，可以為構建茶葉種植區(qū)域的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)提供思路和便利。文章闡述了GPS的發(fā)展過程，總結了GPS系統(tǒng)的工作原理，展現(xiàn)了GPS系統(tǒng)的應用普及情況。從茶葉生長本身的角度，分析了監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大氣環(huán)境質量對茶葉的作用及意義。最后，還得出GPS在構建大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用方法。

GPS技術；茶葉種植區(qū)域；大氣環(huán)境；監(jiān)測系統(tǒng)

在良好大氣環(huán)境下種植生長的茶葉，不僅口感和品質更好，而且由于凈化的空氣環(huán)境的作用，茶葉在質量安全方面有保障。因此，茶葉種植區(qū)域對大氣的環(huán)境監(jiān)測和治理格外敏感和嚴格。借助GPS技術，人們可以制作形成大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對茶葉生長區(qū)域的大氣環(huán)境進行實時監(jiān)測。

1 GPS系統(tǒng)功能與應用

GPS（Global Positioning System），即全球定位系統(tǒng)的意思。GPS系統(tǒng)由美國研發(fā)，在太空中圍繞地球運行軌道發(fā)射了一組人造衛(wèi)星，用以收集和處理一系列信息的系統(tǒng)。

1.1 GPS系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展

GPS最早的出現(xiàn)，是美國用于軍事目的的測定系統(tǒng)。從20世紀的中葉開始，美國軍方就致力于研究用于軍事目的的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。直到上世紀70年代，GPS系統(tǒng)才初具規(guī)模。目前，GPS系統(tǒng)發(fā)展到包括3顆備用衛(wèi)星在內(nèi)的24顆人造衛(wèi)星的定位網(wǎng)絡體系，按照一定的度數(shù)排列分布在距離地球地面約2萬公里的高空中。隨著人類向太空中發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量的增加，以及人們對定位系統(tǒng)科技領域的不斷挖掘，GPS系統(tǒng)的發(fā)展越來越成熟，定位精度極大提高。例如：在最早的衛(wèi)星定位開發(fā)系統(tǒng)中，定位精度能夠達到上百米，我們在茶葉種植區(qū)域內(nèi)，可以看到茶園的大概分布以及茶葉種植區(qū)域的面積形狀等。而發(fā)展成熟后的GPS系統(tǒng)，能夠將這一定位范圍縮小到10米甚至更多，即可以分辨出茶園內(nèi)縱橫的道路以及正在作用的采茶工人等。

1.2 GPS系統(tǒng)的工作原理

GPS系統(tǒng)的主要功能是對位置進行定位，實現(xiàn)的方式是通過地面上的手持設備與衛(wèi)星之間的相互信息傳播，目的是確定手持設備所處位置。其中所測的位置信息包括，手持設備所處的經(jīng)度、維度、海拔高度以及移動速度等。將手持GPS接受設備所在地區(qū)看作是一個立體空間，就可以構建一幅立體坐標系。其中，所處位置的經(jīng)線看作是X軸，緯線看作是Y軸，海拔高度的方向是Z軸，移動過程中移動后量減去前量，即為移動的變量。則接受設備所處的位置即為（x,y,z），移動速度為ΔV，4個變量需要至少4顆GPS衛(wèi)星的相互作用，才能得出具體的位置和變化數(shù)值。例如：手持GPS接受設備接受來自一顆衛(wèi)星的導航電文信號，通過時間計算距離，得到關于以上4個未知數(shù)的一個等式。在4顆衛(wèi)星發(fā)射導航電文的同時作用下，得到關于4個未知數(shù)的4個等式，經(jīng)過計算，得出x,y,z以及ΔV的值，即為手持設備所處的地理位置和變化情況。

1.3 GPS系統(tǒng)的應用普及

GPS系統(tǒng)的開發(fā)目的源于軍用，目前最高分辨等級的定位仍然被美國軍方所掌控。但是民用部分已經(jīng)對全球用戶開放，廣泛用于地理信息定位、測繪、導航等實際生活中。在許多中高端的汽車配置中，都應用了GPS的導航系統(tǒng)。汽車中的GPS系統(tǒng)應用集合了GPS的大部分功能。例如：當汽車駕駛員需要去到一個不熟悉的地址時，通過GPS的搜索，尋找目的地的坐標，然后與出發(fā)地之間建立起路徑的聯(lián)系，根據(jù)汽車的運動情況指引駕駛員到達目的地。其次，GPS系統(tǒng)可以實時計算汽車的運行數(shù)據(jù)，包括目前汽車所處的海拔高度、行駛速度，還可以根據(jù)運行時間、行駛里程等信息，輔助計算汽車的油耗、油量剩余行駛里程等數(shù)據(jù)。第三個GPS的功能就是應急救援。特別是在高檔的汽車當中，都具備與汽車經(jīng)營商后臺進行互聯(lián)網(wǎng)互通的功能。當車輛在路上拋錨或者遇險的時刻，可以隨時隨地向汽車經(jīng)銷商發(fā)送位置報告，達到及時救援的目的。

2 茶葉種植區(qū)域大氣環(huán)境監(jiān)測的必要性研究

茶葉屬于天然生長的綠色植物，需要自然的光照、水文和大氣條件?？諝赓|量的狀況通過植物的光合作用和呼吸作用，直接影響茶樹的生長，影響茶葉質量安全。因此，對茶葉種植區(qū)域進行大氣環(huán)境監(jiān)測十分有必要。

2.1 保障茶葉食品安全

包括茶樹在內(nèi)的綠色植物的生長，離不開空氣。白天，茶樹在太陽的光照下進行光合作用，吸收大氣中的二氧化碳并釋放氧氣。夜晚，茶樹在呼吸作用下進行二氧化碳和氧氣的相反運作。無論是哪一種作用，茶樹都是直接從大氣中吸收空氣成分。空氣中的所有成分都可以直接依附在茶葉表面，甚至被茶葉直接吸收。在如今經(jīng)常出現(xiàn)的霧霾天氣中，大氣中的PM2.5顆粒數(shù)量急劇上升。這些顆粒在大氣沉降的作用下，依附在茶葉表面。一方面，顆粒的存在阻隔了茶葉葉片對陽光的需求，以及必要的蒸騰作用，影響茶樹的生長；另一方面，顆粒中的有害物質被茶葉葉片吸收，在被加工制作成為茶葉成品后，增加了流向消費市場的風險和危機。有毒茶葉一旦被消費者所飲用，就會引起對人體健康的損害。因此，對大氣環(huán)境進行監(jiān)測，是保障茶葉食品安全的必需。

2.2 預判茶葉生長狀況

大氣環(huán)境監(jiān)測的主要功能就是對大氣環(huán)境中的污染物進行分析和監(jiān)測。大氣中的污染物對茶葉存在直接的影響。通過監(jiān)測過程，可以分析污染物的主要構成成分，以及對茶葉存在的影響方面，預判茶葉的生長情況，從而為尋找解決的突破口夯實基礎。茶葉種植區(qū)域正好處于煉鋼企業(yè)的下風向上，在季風的作用下，煉鋼企業(yè)排出的廢氣被帶到茶葉種植區(qū)域上方，經(jīng)過大氣環(huán)境監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)廢氣中含有大量的重金屬元素，由此可以預判，該批茶葉可能會存在重金屬含量超標的問題，在采摘加工后應當著重加強對重金屬含量的檢測。經(jīng)過檢測確實存在超標的情況，需要特殊手段的處理去除茶葉內(nèi)所含的重金屬，達標者可以流入市場，仍然超標者應當立即廢棄。

2.3 研究茶葉種植區(qū)域氣候變化

對大氣環(huán)境的監(jiān)測，可以幫助研究區(qū)域內(nèi)的氣候變化。例如：茶葉種植區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了重度污染天氣。通過監(jiān)測可以分析得出重污染天氣的形成原因。除了有污染源的因素之外，當時的氣候條件應當是不具備污染物擴散的條件，才使得大量的污染物聚集，形成重污染天氣。氣候條件對于茶樹的生長雖然并不能立刻體現(xiàn)，但也應當引起茶園管理者的重視，在濕度較大的污染天氣，可以適當減少茶樹的灌溉次數(shù)和頻率，在重污染天氣結束后，立即采取噴洗等措施對茶樹葉片進行處理。

3 GPS技術構建茶葉種植區(qū)域大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應用

對茶葉種植區(qū)域的大氣環(huán)境監(jiān)測，應當有相應的制度、方法、標準以及應對治理預案等。這些因素集合成為大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。利用GPS系統(tǒng)的定位功能，使監(jiān)測系統(tǒng)的應用更加方便。

3.1 測定茶葉種植區(qū)域大氣環(huán)境基礎數(shù)據(jù)

研究茶葉種植區(qū)域的大氣環(huán)境監(jiān)測，應當首先對茶葉區(qū)域進行精準定位，再開展研究。例如：對茶園所處的經(jīng)緯度位置在地圖上準確標出，同時按照冬季風和夏季風風向的不同，查找上風向上可能存在的污染源。這就應用到GPS的另一項功能，即根據(jù)分析和判斷，在地圖上定位污染的發(fā)生地。針對污染制造企業(yè)，不但可以監(jiān)視和記錄其污染活動和污染信息，還可以分析企業(yè)的污染類型，污染程度和風險等級，為茶樹的成長提供預判。當茶葉種植區(qū)域內(nèi)有多個大氣環(huán)境污染物和污染源時，GPS可以同時追蹤多個標的物，在茶葉種植區(qū)域標出污染物類型及來源，按照動態(tài)分布圖的形式呈現(xiàn)在茶園工程師或者環(huán)境保護部門面前，方便監(jiān)控和管理。

3.2 管理大氣環(huán)境監(jiān)測設備運行

大氣環(huán)境監(jiān)測需要運用一定的設備和手段。在茶葉種植區(qū)域，往往地形比較空曠，而且地域面積較大，需要GPS的介入輔助管理監(jiān)測設備的運行。在許多大氣環(huán)境監(jiān)測中已經(jīng)投入了無人機的使用，來代替人工收集大氣環(huán)境質量數(shù)據(jù)。無人機的控制需要GPS的幫助進行實時定位，在地面指揮人員的指令下，按照GPS給定的坐標方位，進行有目的性的飛行和收集作業(yè)。

3.3 調度大氣環(huán)境污染事件應急處理

GPS系統(tǒng)可以參與茶葉種植區(qū)域大氣污染緊急事件的處理。在茶葉種植區(qū)域突發(fā)降下酸性較大的酸雨，其不但對茶樹有較大的損失，對茶園土壤的污染影響也較為深遠，對以后茶樹等作物的生長產(chǎn)生了不利因素。當事件發(fā)生后，借助GPS的分析，首先測定酸雨的降落范圍，了解受害面積和范圍，掌握基礎數(shù)據(jù)。其次，根據(jù)周邊的數(shù)據(jù)分析，查找定位污染源。環(huán)保部門根據(jù)對污染源的調查分析出酸雨的主要危害物后，方便對癥下藥，尋找解決的措施和治理方式。加入需要向土壤中播撒堿性物質來中和酸性危害，則需要GPS為無人機等飛行機器導航和明確噴灑范圍。

4 結論

GPS的出現(xiàn)，將人類的活動范圍從地球延伸到了太空。借助人造衛(wèi)星的力量，人類可以對地面上的坐標和活動信息進行精確定位。對茶葉種植區(qū)域大氣環(huán)境的監(jiān)測關系茶葉的產(chǎn)品質量安全、茶樹的成長趨勢以及區(qū)域內(nèi)的氣候變化情況。大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的建立勢在必行。借助于GPS的力量，大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以對茶葉種植區(qū)域的大氣環(huán)境信息進行基礎收集，管理監(jiān)測設備的運行，并且為大氣污染事件提供緊急應對處理方法。

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廊坊市科技支撐計劃項目（2016011009）；河北省高等教育教學改革研究與實踐項目（2016GJJG329）

李麗芬（1982-），女，河北平泉人，副教授，碩士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計。云彩霞（1981-），女，吉林九臺人，副教授，碩士，研究方向：無線通信計算機應用。陳曉芳（1984-），女，湖北枝江人，講師，碩士，研究方向：控制理論與控制工程。