自然環境と農業農村の調和をめざして ~ 安全な水と土壌が健康な農作物を育て私たちの生命と地域を守ります~ 農作業用 GPS ガイダンスの概要 GIS フリーソフト Quantum GIS によるGPS データの活用方法 一般財団法人北海道農業近代化技術研究センター企画研究グループ南部雄二農業情報システムグループ大原譽丈 1. GPS の農業利用に期待する効果 1 次的効果 ~ 圃場大区画化 経営の大規模化に伴う生産性の向上 1 労働生産性 ~ 機械制御 制御支援営農 ( 機械 ) 作業の効率化 省力化 労働負荷の軽減 安全性確保 2 作物生産性 ~ 精密農業の取り組みへ土壌診断情報 作物収量 品質情報と位置情報の連係リアルタイムセンシングによる小麦追肥 ( 分肥 ) の可変施肥 収量 品質の均一性向上 化学肥料の適正施用 ( 資材コストの削減 ) GPS GNSS(Global b l Navigation Satellite System( ( 全地球航法衛星システム )) 2 1. GPS の農業利用に期待する効果 2 次的効果 ~ 環境保全型農業 1 機械作業の効率化 燃料代節約 CO 2 排出量削減 2 化学肥料節減 肥料製造 運搬の CO 2 排出量削減 3 肥料適正量施用 流出 溶脱の防止等 環境負荷軽減 2. GPS の種類と精度 単独測位 ( 誤差 ;10m 程度 ) カーナビ 携帯電話等 ~ 補正信号不要 単独測位 ( 受信機は 1 台 ) 相対測位相対測位 ( 受信機は2 台以上 ) ( 誤差 ; 数 m~ 数 cm) 2 台以上の受信機を使い 2 点間の相対的な位置関係を求めます 3 図は国土地理院ホームページより 4
2. GPS の種類と精度 DGPS ( 誤差 ;0.5m 05 程度 ) 海上保安庁中波帯ビーコン MSASの信号を受信 RTK-GPS ( 誤差 ;2~3cm) 移動局と固定局 (GPS 受信機 + 無線送信機 ) 移動局と仮想電子基準点 携帯電話 インターネットによる補正信号取得 MSASは 地上に設置された受信局でGPS 信号を受信し 信号に含まれる誤差を補正するための GPS 補強情報を作成し MTSAT を経由して航空機に提供する航法システム DGPS 測位 RTK-GPS 測位 図は国土地理院ホームページより 5 2. GPS の種類と精度 国土地理院は 5 月 10 日より 全国の電子基準点で観測した準天頂衛星 ( 日本 ) 及びグロナス ( ロシア ) のデータ提供を開始します 従来のGPS( 米国 ) に加えてこれらの衛星も利用すると 都市部や山間部で測量できる場所が広がり 測量時間の短縮も期待されます また民間が電子基準点データを用いてサービスしているリアルタイム測量の安定性も向上し 建設機械の制御を行う情報化施工等での活用が期待されます ( 国土地理院ホームページより ) これに伴い VRS 方式によるGPS+GLONASSを用いた補正データ配信が開始 GNSS 配信が開始され 従来のGPS 衛星に加えGLONASS 衛星の追加により さらに利用範囲が広がり これらの衛星を利用することにより今まで以上に利用拡大が期待される 6 2. GPS の種類と精度 VRS 方式 RTK-GPS(GNSS) の測位状況 X 座標 Y 座標 標高 1 kami-gnss-1-88829.6445-72627.0307 245.0151 2 kami-gnss-2-88829.6464-72627.0275 245.0211 3 kami-gnss-3-88829.6414-72627.0315 245.0201 4 kami-gnss-4-88829.6438-72627.0313 245.0211 5kami-gnss-5-88829.6442-72627.0318 245.0131 6 kami-gnss-6-88829.6399-72627.0333 245.0141 7 kami-gnss-7-88829.6412-72627.0339 245.0171 8 kami-gnss-8-88829.6452-72627.0289 245.0221 9 kami-gnss-9-88829.644-72627.0312 245.0211 10 kami-gnss-10-88829.6435-72627.0307 245.0211 GNSS 平均 -88829.64341-72627.03108 245.0186 m 衛星数 =13 最大 -88829.6399-72627.0275 245.0221 m 最小 -88829.6464-72627.0339 245.0131 m 差 0.0065 0.0064 0.009 m 11 kami-gps-1-88829.6373-72627.0304 245.0161 12 kami-gps-2-88829.6424-72627.0336 245.0161 13 kami-gps-3-88829.6401-72627.0261 245.0161 14 kami-gps-4-88829.6439-72627.0262 245.0221 15 kami-gps-5-88829.6404-72627.0283 245.0201 16 kami-gps-6-88829.6535-72627.0257 245.0271 17 kami-gps-7-88829.6488-72627.0267 245.0251 18 kami-gps-8-88829.643-72627.0288 245.0241 19 kami-gps-9-88829.6419-72627.0252 245.0051 20 kami-gps-10-88829.6443-72627.0253 245.0171 GPS 平均 -88829.64356-72627.02763 245.0189 m 衛星数 =7 最大 -88829.6373-72627.0252 245.0271 m 最小 -88829.6535-72627.0336 245.0051 m 差 0.0162 0.0084 0.022 m 7 2. GPS の種類と精度 VRS 方式 RTK-GPS+GLONASS の測位時刻の衛星数と DOP 測位精度:DOP GNSS 衛星の数 配置によって DOP(Dilution of Precision: 精度低下率 ) が変化する 最も良い配置で 1 数値が大きくなるにつれ悪い配置を表す 目安として DOPが 5 程度までは観測上支障がないと言われている 8
2. GPS の種類と精度 VRS 方式 RTK-GPS の測位時刻の衛星数と DOP 3-1. 現行の GPS ガイダンスシステム TOPCON ホームページより Outback ホームページより TeeJet ホームページより 9 自動操舵システム NIKON-TRIMBLEホームページより satconsystem ホームページより 10 3-1. 現行の GPS ガイダンスシステム 農業用ガイダンスシステムの出荷状況 (H20~24) 調査先 ( 株 ) クロダ農機 ジオサーフ ( 株 ) ( 株 ) トプコン ( 株 ) ニコン トリンブル ( 株 ) IHIスター 年次次別出荷台台数 1000 2340 2500 900 800 2000 700 1510 600 1500 500 930 400 1000 300 450 200 500 100 100 100 350 480 580 830 0 0 H20 H21 H22 H23 H24 北海道 累加台数 北海道累加台数北海道農政部技術普及課調べ 11 3-1. 現行の GPS ガイダンスシステム GPS アンテナ ガイダンス本体 ライトバーでずれ具合を表示 誘導経路の表示 枕地での表示 経路内の表示 12
3-2~3. ガイダンス 自動操舵システムの動画 ガイダンスシステム 自動操舵システム 播種作業 田植作業 ( 動画提供 : ヰセキ北海道 ) 3-4. ガイダンスシステムの導入効果 機械作業ロス減少 ~ 代かき作業の重複回避 燃料の削減 労力節減 夜間作業可能 適期の作業時間拡大 ~ モニタをみなが設定作業ライン上を走行可能 肥料散布の重複回避 肥料代節約 できむらの軽減 ~ 作業幅の入力により ブロードキャスタ等肥料散布ラインの確認が可能 13 14 3-5. 農作業における GPS の使い分け 3-5. 農作業における GPS の使い分け システム 測位の種類 測位精度 主な用途 システム 測位の種類 測位精度 主な用途 カーナビ携帯電話 ガイダンスシステム 自動操舵 高精度アンテナ 単独測位 10m オーダ 誘導 DGPS 1m 程度作業支援 DGPS 306,000 円 ( 標準パッチアンテナ ) 15~ 20cm 程度 作業補助 砕土 整地 施肥 代かき 防除 テッダ等作業走行ライン表示 砕土 整地 施肥 代かき 防除 テッダ等作業ステアリング操作 GPS レベラー RTK-GPS 2~3cm 程度 RTK-GPS で農作業機械の制御を実用化し 市販したのは GPS レベラーが初めて 作業支援作業機械制御 圃場均平作業 ( 測量 運土計画 作業状況確認 均平度評価 作業履歴) + 定価 :400,000000 円 定価 : 630,000 円 高精度アンテナ + + RTK-GPS 定価 :500,000 円 2~3cm 程度 高精度作業補助 播種 移植等高精度作業ステアリング操作 ガイダンス VRS 方式概算費用 GLONASS 対応定価 :500,000 円 + 約 1,000,000 円 +360,000 円 ( 補正信号受信契約料 パケット通信料は別途 ) 15 ロボット化 開発中 RTK-GPS 2~3cm 程度 自動走行作業機械制御の自動化 16
4-1. 大区画水田圃場では均平度の維持が重要 圃場の大区画化により均平度の維持が重要である 区画が大きいので 代かき作業だけでは対応が難しく レベラーによる均平作業が有効である 4-2. レベラーシステムの構成 レーザーレベラー 無代かき栽培 ( 移植 ) 乾田直播栽培では 必須の作業である 基準 計画基準 指標値 施工仕上り目標 ±35mm 施工管理基準 均平精度 <35mm (±50mm80% 以上 ) 栽培様式 標準偏差 均平精度 湛水直播栽培 15mm 以内 ±25mm 以内 90% 乾田直播栽培 20mm 以内 ±25mm 以内 80% 移植栽培 18mm 以内 ±25mm 以内 85% 日本土壌協会 : 大区画水田における先進的稲作技術導入の手引きより 17 RTK-GPS レベラー モニタ PC トラクタ GPS 受信機 無線受信機 GPS アンテナ GPS レベラー 補正信号 無線送信機 GPS 受信機 GPS アンテナ 18 GPS レベラーシステム GPS 基地局 ( 固定局 ) GPS アンテナ 4-3. 均平作業におけるレーザー制御 RTK-GPS 制御の比較 項目レーザー制御 RTK-GPS 制御 作業前後圃場測量 ( 高低差 区画 ) 測量 + 図面作成 リアルタイム 運土計画表測量 + 図面作成リアルタイム ノート PC GPS 受信機 コントローラ トラクタキャビン内機器搭載状況 GPS レベラー作業状況 19 作業範囲半径 300m 半径 5km 夜間運転 レーザーの干渉障害ありなし ( VRS 方式 : 補正信号受信エリアであれば制約なし ただし 通信の安定性が課題 ) 20
4-4. 4 RTK-GPS レベラーの特徴 1 圃場の外周 高低差を作業前に計測可能 2 圃場高低マップ作成 切土 盛土マップの作成 土量計算 面積計算が可能 3 レベラーの仕上げ区域 高さを 圃場内で自由に設定可能 4 リアルタイムで作業位置の位置 高低差を把握することにより 高能率な均平作業が可能 5 隣接する圃場で レベラーの複数台並行作業が可能 6 3 次元位置が高精度 ( 誤差 ± 2cm) に計測でき 最高均平精度は高低差 ± 2cmを実現 7 PCモニターを見ながら夜間作業が可能 圃場外周に近づくと警告音が鳴る 4-5. RTK-GPS レベラーの利用効果 GPSレベラーは 大区画圃場における均平 ( または緩傾斜化 ) 作業の省力化 コスト低減と均平精度向上 ~ 圃場標高測量 運土計画 運土実施の省力化 空間情報 作業状況情報の管理 ~ 圃場均平度の経年的な変化の有無の把握が可能 ~ 作業時間等の均平作業履歴の管理が可能 利用効果 GPS 測量により 作業前後の均平度評価のための水準測量作業は 削減率 85% PCモニタの確認により 運土箇所の重複がなく 均平 整地作業時間の削減率 32% 21 22 妹背牛町の直播栽培圃場で 来春の均平作業のために 圃場の高低測量を実施 -35160-25360 -25340-25320 -25300-25280 -25260-25240 -25220-25200 -25180-25160 -25140-35180 -35200-35220 -35240 A=1.3ha -35260 トラクタキャビン天井にガイダンス用 GPS 高低計測用 RTK-GPS のアンテナを設置 運転席前に GPS ガイダンスを設置して 10m ごとの測定ラインを表示 -35280-35300 -35320 高低計測用パソコン (GPS データを取り込む ) ~ 計測時の走行状況を表示 ~ 計測後すぐに高低マップを作成 A=1.9ha -35340-35360 -35380-35400 1.9ha の圃場で外周計測 5 分 高低計測 22 分 -35420-35440 圃場内を10m 間隔で走行して 高低差を計測 -35460-35480 23 24
外周計測 高低計測時の走行軌跡オレンジのラインは 畦畔接近警報線で畦畔に近づくと警報音が鳴る ガイダンスの走行データもパソコンに取り込み 軌跡 作業幅 速度等のマップ作成が可能 圃場ごとの作業履歴として活用することが可能 25 26 外周計測 高低計測後 すぐに高低マップを作成できる 切盛表の出力 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 170 165 160-1 1 2 2 1 0 155 2 3 4 3 2 1 1-2 -3 150 0 2 3 4 3 1 1 0 0-2 -3-4 -5 145 1 1 2 3 3 2 1 1 1 0 0-1 -2-3 -4-6 140 1 3 3 3 3 2 2 1 1 2 0 1 0-1 -2-2 -4-5 -9 135 5 4 4 3 3 3 3 0 1 1 1 1 1 0 0-1 0-2 -6-7 -5-8 130 2 4 4 4 4 3 3 1 0 0 0 1 1 1 0-1 1 1-2 -2-4 -7-6 -8-10 125 3 4 4 4 4 3 2 2 1 2 0 1 2 1 1 1 2 1-2 -1-4 -3-3 -4-3 -5 120 2 4 5 5 4 3 3 1 1 1 0 2 2 2 2 2 2 2-2 0-2 -3-1 0 0-1 115 1 2 3 3 3 3 3 0 1 0 2 2 3 4 3 2 2 3-3 -1-2 -1-1 -2 0 1 110 4 2 2 1 2 3 1 1 0 0 2 3 3 3 3 3 2 3-2 -1 0-1 -1-4 -2-2 105 2 2 2 1 2 2 0 0-1 0 2 3 3 3 2 3 2 2 0-2 0-3 -1-3 -2-1 100 2 1 1 1 2 2 1 0-1 -1 1 1 2 3 3 3 2 0-2 -2-4 -4-1 -3 1-1 95 1 2 2 1 2 3 2 1-1 0 0 1 1 1 2 3 0-2 0-1 -3-2 -1 0 2-1 90 0 1 2 2 2 2 2 0-2 0 0 0 1 0-1 3-1 -4-1 -2-4 -3-2 -2 3-1 85 0 2 2 2 2 3 2-1 -1 0 0-1 -1-2 0 0-2 -3-2 -2-4 -4-2 -3 3-1 80 1 2 2 1 1 1 1-1 0 0-1 -2-2 -1 0-3 -2-3 -2-2 -4-5 -3-2 2-1 75 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0-2 0 0 2 0-1 -2-2 -2 0-4 -4-5 -4 0 0 70 0 2 0 0 1 1 0 0 0-1 -1 0 0-1 -1-1 0-1 -2-3 -4-6 -4-5 -2 0 65 2 1-1 -1 1 2 0 0-1 -1 0 0-1 -2-1 -2-1 -2-3 -3-4 -6-4 -5-4 0 60 1 0-1 0 1 2 1 0 0 0-1 0-2 -1-2 -4-4 -4-4 -2-5 -4-3 -3-3 3 +6 55 1 0 0 0 3 4 2 2 2 0 0-1 -1 0-2 -4-5 -7-6 -3-4 -2-1 -2-2 1 +5 50 0 0 0 1 2 3 2 2 2 1 1 1 1 1-1 -5-6 -7-4 -2-1 0 0-2 -2-1 +4 45 2 2 0 1 2 2 1 2 2 1 2 2 2 2 3-3 -4-6 -3-1 -2 0 0-2 -2-2 +3 40 3 1 1 1 2 1 1 1 2 1 0 0 2 3 6 2-3 -1-2 0-1 1-1 -1-1 -2 +2 35 2 1 0 1 2-1 1 2 2 1-1 0 1 2 3 2-2 -2-2 -2 0 1-1 0 0-1 +1 30 3 1 1 3 2 1 1 2 1 2 0 0 1 1 2 1 0-1 -1-2 0 1 0-1 1-3 ±0 25 0 0 2 2 2 0 0 0 0 2-1 1 0 0 2 0-1 -2-3 -1 0 0-1 -3 0-1 -1 20-1 1 2 2 1 1 0-3 -2 0 0 0 0-2 1-1 -2-2 -4-2 -1 0-2 -2 0 3-2 15-1 1 2 1 0 0 0-2 -2-1 0 0 0-2 -1-2 -3-5 -4-1 0-1 -2-3 2 3-3 10 2 2 3 1 1 1 1-3 -4-2 -2 0-1 -1-3 -2-5 -5-2 0 0-1 -1-1 0 0-4 5 1 1 4 3 2 2 1-1 -2-6 -2 0-1 -1-2 -2-4 -4-2 -1 0 0 0 2-3 0-5 0 0 2 1 0-2 0 0-3 -4-6 -6-7 -7-8 -8-6 -5-4 -4-1 0 1 2 1 0-6 切土 165 m3 盛土 165 m3 切盛表は パソコンで容易に加工でき レベラー作業時の参考にすることができる 27 28
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 170 165 160-1 1 2 2 1 0 155 2 3 4 3 2 1 1-2 -3 +6 150 0 2 3 4 3 1 1 0 0-2 145 1 1 2 3 3 2 1 1 1 0 +5 140 1 3 3 3 3 2 2 1 1 2 135 5 4 4 3 3 3 3 0 1 1 130 2 4 4 4 4 3 3 1 0 0 125 3 4 4 4 4 3 2 2 1 2 120 2 4 5 5 4 3 3 1 1 1 115 1 2 3 3 3 3 3 0 1 0 110 4 2 2 1 2 3 1 1 0 0 105 2 2 2 1 2 2 0 0-1 0 100 2 1 1 1 2 2 1 0-1 -1 95 1 2 2 1 2 3 2 1-1 0 90 0 1 2 2 2 2 2 0-2 0 85 0 2 2 2 2 3 2-1 -1 0 80 1 2 2 1 1 1 1-1 0 0 75 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 70 0 2 0 0 1 1 0 0 0-1 65 2 切盛表は 1 5m -1 10m -1 など任意のメッシュ間隔に設定できる 1 2 0 0-1 -1 圃場内の高低状況の把握が容易である +4 +3 +2 +1 ±0-1 -2-3 -4-5 -6 29 均平作業画面 白い部分は 均平作業終了エリア トラクタ走行位置 GPSレベラーソフトのPC 画面イメージ 30 5. 農作業用 GPS ガイダンスデータの活用 5-1. ガイダンスデータの構成 CFX750( ニコン トリンブル ) のデータを例に GIS でデータ活用を図る ( データの構成は EZ-Guide 250 500 も同様 ) データの構成 使用するデータ Q-GISによる軌跡データの解析例 速度 map 標高 map 作業面積 重複面積積等 GPS と GIS の活用 31 32
5-1. ガイダンスデータの構成 5-1. ガイダンスデータの構成 EventHistory.dbf Boundary.dbf Boundary.shp Swaths.dbf Swaths.shp Coverage.bdf Coverage.shp origin.kml 作業履歴ファイル外周ファイル作業基準線 (A~B ライン ) ファイル作業範囲ファイルスタート地点位置データ.bdfは属性ファイルで エクセルでファイルを開くことが可能.shp は作業範囲のポリゴン ( 面 ) データファイル origin.kmlは Google Earth で参照可能 33 34 5-1. ガイダンスデータの構成 EventHistory 5-1. ガイダンスデータの構成 Boundary 35 36
5-1. ガイダンスデータの構成 Swaths 5-1. ガイダンスデータの構成 Coverage 37 Speed の単位 m/s 38