激光平地仪平整土地技术研究与应用

激光平地技术作为世界上最先进的土地平整方式，是现代化农业机械装备的标志之一。该项技术自20世纪80年代在欧美发达国家已广泛应用于农业发展。我国1996开始从国外引进激光控制自动平地系统，2000年在华北地区开始开展激光平地技术在农业生产中的推广应用研究。黑龙江、新疆等省（区）较早且较大面积地进行了该技术的推广。宁夏自2001年起通过项目支持在暖泉农场引进激光平地技术。

一、激光平地系统工作原理

激光控制平地技术是涉及光学、电子、机械和液压等多学科的一门高新技术，利用激光作为非视觉控制手段代替平地设备操作人员的目测判断能力，用以控制液压平地机具的升降高度，达到精细平整土地的目的。

激光发射器发射一束极细的能旋转360°的激光束（图3-4-1），形成空间激光面，为整个施工场所提供一个恒定的水平或倾斜基准面。激光接收器安装于平地铲上方的桅杆上，从激光平面到铲刃之间这段固定距离即为标高测量基准。接收器检测到激光信号后，不停地给控制器发送相对高程信息，如果激光束扫在接收器的上半部，表明平地铲处于水平基准的下方，一个提升平地铲的修正信号就发送给液压阀；如果激光束扫射在接收器的下半部，则平地铲处于水平基准的上方，一个降低平地铲的修正信号发送给液压阀。液压阀控制平地铲的油缸，其收到控制器的修正信号后提升或降低平地铲以保持水平基准的标高，从而达到土地平整的目的。

图3-4-1　激光控制平地系统的工作原理

二、激光平地系统组成部分

激光控制平地系统集光学、机械、电子及液压为一体，主要由激光发射器、激光接收器、控制器、液压系统和平地铲等五部分组成，其中分立式液压系统由齿轮泵、液压调节器、油箱和液压油缸等部分组成（图3-4-2）。

①激光发射器（蓄电池作电源）。激光发射器安在三脚架上，设有水平仪，能自动检测并调平光束，使激光扫射面为一水平或倾斜基准面，以作为土地平整作业的基准参照面。激光发射器的旋转轴转速为600～900 r/min，其有效光束半径为300～500 m（根据激光发射功率而定）。激光发射器是一个由电池驱动的激光发射装置。在激光发射器内，有一只功率为4 mW的氦氖激光管。激光管发射出一束极细的红色平行光束，在地面上空形成激光控制平面，为作业场地提供一个恒定的基准参照面。该基准参照面不受作业面平整作业活动的影响和干扰，代替常规平整中操作人员的目测判断和不连续的人工测量点构成的参照面。

图3-4-2　激光平地系统构造

1.激光发射器　2.激光接收器　3.液压调节器　4.控制器　5.拖拉机　6.平地铲　7.液压缸　8.油箱　9.齿轮泵

图3-4-3　激光控制平地工作现场

②激光接收器。激光接收器固定安装在平地机的伸缩杆上，并用电线与控制箱连接。当接收到来自激光发射器发出的旋转的红色光束时，即将激光信号转换成电信号，并通过连接线输送给控制箱。

③控制器。激光平地机的驾驶员靠驾驶室内的控制器来操作各控制开关，因此控制器应安装在驾驶员容易监视、并能伸手操作控制开关的位置上。控制器从接收器中接收和处理信号，接收到的信号经数据处理后转换成控制信号，控制信号被直接传送到液压调节器的电磁铁上，控制电磁换向动作。控制器设有手动和自动功能，并设有自动开关和手动开关（手动开关允许操作手在控制器上进行电子升降平地铲操作）。

④液压调节器。液压调节器收到来自控制箱上升和下降的信号，机油液压系统就提供压力控制油缸来提高或者降低平地铲来维持正常的标高。

三、田间操作方法

第一步，确定平整单元（一般不易大于6 667 m2），且平整区域内无杂物。

第二步，确定平整单元地面平整基准点，将激光接收器固定在铲运设备桅杆，架设激光放射器（注意激光辐射半径），调整激光放射器高度。

第三步，拖拉机牵引的铲运机具即可在田块内按一定行进规律往复运动，自动完成对整个地块的平整作业。

四、应用效果分析

（一）耕地平整高差

宁夏农垦传统的常规土地平整设备主要由推土机、铲运机和刮平机组成。耕地平整精度主要依靠拖拉机操作手对推土机和刮平机的施工精度。由于推土铲的液压装置为手工控制，平地作业过程中操作人员无法准确地控制推土铲的升降高度，耕地平整后高差在20 cm以上，土地平整精度在达到一定程度后无法继续提高。

激光平地技术依靠激光形成空间基准平面，自动控制平地铲升降。结合宁夏农垦耕地集约化度高的特点，按照10亩耕地为一个平整单元，平整后的地面高差小于1～2 cm（在特殊要求下，平整后地面会形成倾角，有利于灌水或其他农艺措施实施）。

（二）增加耕地面积

利用激光技术精密平地增加了方田面积，减少了畦埂占地面积，能够充分利用土地，增加总产。2006年，在宁夏农垦平吉堡农场5队，利用60亩（40 m×1 000 m）原始耕地开展激光平地后，统计计算得出可减少畦田埂占地面积0.355亩。

（三）提高资源利用率

激光平地后，不仅缩短了灌溉所用时间，而且亩均减少灌溉量130 m3，比传统平整耕地节约用水20%。利用激光技术精密平地后，地块平整，田面误差小于2 cm，可达到寸水不露泥，使播种深度均匀，出苗整齐，并使水稻在整个生长阶段都能获得所需的最佳水层，水温高，提高了作物产量，降低了高低地势所造成的产量损失。2003年暖泉农场对比测产结果，单产提高8.4%，暖泉农场2004年的测算结果表明，节水率达21%。

（四）激光平整保持时间

平吉堡和暖泉农场激光平地后，第一年的田面平整精度变化范围为1.5～2.0 cm;第二年变化范围为3.0～4.1 cm;第三年变化范围为5.0 cm以上;激光精平效果的持续期一般为3～4年，以此为周期进行土地激光复平可保持田块具有较好的地面微地形条件。