GIS技術在精確農業中的應用研究

葉云霞

（新疆農業大學 機械交通學院，新疆 烏魯木齊 830052）

精確農業是信息和人工智能技術在農業宏觀及微觀運用的產物，是現代農業可持續發展的方向。其基本思想是利用信息技術宏觀決策、微觀控制整個農業生產過程，達到提高農業勞動生產率、農資利用率，降低成本，改善生態環境的目的，使經濟效益、社會效益、生態效益同步增長、持續發展。因此，可以說精確農業就是數字農業、信息農業。精確農業中的信息技術主要指3S技術（GPS、GIS、RS），其中GIS（地理信息系統）技術作為精確農業中整個信息系統的承載運作平臺和基礎，起著一個大腦和中樞的作用。精確農業作為一個完整的大系統，各種農業資源數據的流入、決策控制信息的流出均要在GIS技術的支持下執行完成。

1 GIS與農業工程的宏觀決策

現代農業的宏觀決策包括土地資源的規劃利用、作物產量的評估、以地域為基礎的農作物經濟效益分析、大面積土壤質量評估與分析、病蟲害防治、環境污染的控制、水資源的合理利用等。在這些方面GIS技術與RS（遙感）技術相結合，將使我們的宏觀決策提高到一個嶄新的水平。例如，通過遙感衛星提供的數字圖像，經過解譯、矢量化提供給GIS平臺可對觀測對象的面積、長度等空間實體屬性，給出定量的結果；利用GIS強大的分析功能，如：疊置分析、緩沖分析、分布分析、地形分析、拓撲分析、以及數值統計分析等，能對觀測對象進行實時定量的評估和發展趨勢的預測分析。下面就GIS幾種主要的分析功能在農業方面的應用作一討論。

1.1 疊置分析

疊置分析有兩方面的含義，一是不同空間數據層進行疊加，產生具有新特征的空間數據層。例如在土地資源規劃方面，可以將土地資源數據層與水利資源等相關數據層進行疊加，建立它們之間的空間實體關系，便于規劃時進行綜合分析。一是將同比例尺、同區域的多個數據層疊置，建立具有多重屬性的圖形，即多邊形疊加。利用這一功能可以得到同一地區的空間實體、在不同時域內的定量差異。可以準確確定不同年份土地資源的變化情況，包括面積、位置、程度（統計疊加分析）等。在水資源利用方面，通過不同時段的疊加分析可以看出水量（根據水域面積或河道寬度）以及水流方向（如河流的改道等）的變化情況。

1.2 緩沖分析

為了確定不同地理特征的空間接近度或鄰近性需要建立緩沖區。緩沖分析就是在點、線、面空間實體（緩沖目標）周圍建立一定寬度范圍的多邊形，這些多邊形將構成新的數據層。緩沖分析可以對緩沖區范圍以內的地理因素，對緩沖目標的影響進行分析。例如為防止水土流失，要求距河流兩岸一定范圍內規劃出禁止砍伐的林木地帶，緩沖分析可以根據河流類型、兩岸土質得出相應的緩沖寬度。在病蟲害防治方面，可以病蟲害發生地點為中心，根據相關分析模型（如以歷年樣本數據為基礎建立的統計模型）建立緩沖區，對病蟲害擴散范圍、受災程度進行預測分析，以制定相應的防治措施。

1.3 分布分析

分布分析是用不同顏色、灰度或圖形符號，表示某專題數據（對象）在不同區域的數量、程度等分布情況，可直觀表現出該研究對象的發展趨勢、演變過程。例如，在農業土壤分析方面，利用分布分析可對不同區域、不同年份土壤堿化程度、鹽分含量進行對比分析；在環境污染方面，利用分布分析的區域范圍分布，可對不同地區的污染程度進行評估、對污染的演變過程進行分析，并可預估環境污染的進一步變化趨勢；采用獨立值分布，可表示農作物的種植分布情況，并進行統計分析。

1.4 地形分析

以數字高程模型為基礎，可以獲得等值線圖、三維立體地形圖、透視圖等。GIS的地形分析在農業工程方面有著廣泛的應用。例如，將三維地形地貌與專題數據（如土壤、土地利用、植被等）進行組合分析；生成地下水水位、降深、埋深等值線、用其他連續變化的特征量代替高程后，可用三維圖形表示污染狀況、地下水水位、植被覆蓋程度、洪澇災害等。

還有網絡分析（拓撲分析）、集合分析、地學分析等，這些對農業的宏觀決策均是強有利的工具。采用GIS的分析工具對某項專題進行分析時，很多情況下要建立該專題的分析數學模型和計算方法，如：土地規劃模型、水資源平衡模型、農作物布局模型、土壤分析模型、經濟效益分析計算、地面徑流模擬等。

2 GIS與農業生產的微觀控制

GIS技術在農業生產的微觀控制中的作用，主要體現在“點”目標的精確定位和控制、以及根據實時信息制作各種農田作業狀態分布圖和用于決策的電子地圖上。例如，作業中的智能化農機具、某單元面積的農作物、灌溉設施以及它們的狀態等，都需要經GIS處理加工。對它們的數據采集和控制信息,以及實時的狀態信息都可通過GIS得到直觀的反映，同時利用GIS的分析功能與相應的智能專家系統結合，可及時對“點”目標進行控制和調度，如調度農機具、確定施肥量、調解灌溉水量、確定農藥施用量、耕地深度、播種量及密度、估產等。攜帶有GPS定位系統的“點”目標，通過傳感器或監測系統將數據提供給以GIS技術為基礎的 “農田作業智能決策系統”，經過該系統的分析決策，向“點”目標發出指令。精確農業田間生產體系如圖1所示。

圖1 精確農業田間生產體系

圖中“信息處理”反映了經GIS在GPS、RS以及監測反饋信息的支持下，生成田間現狀信息（土壤水分、肥料；作物病蟲害、生長情況、預估產量等），這些信息是決策系統（或決策者）作出決策的依據。在這一過程中，顯然GIS起著非常重要的作用。由于GIS可以實時的根據田間狀態信息，生成田間生產要素的分布圖（水分、肥料、病蟲害、產量等），根據分布圖提供的位置、區域、需求信息，決策系統可立即作出決策?！稗r田作業智能決策系統”主要由農田作業專家系統、農田作業模擬系統、決策支持系統等組成，而這些決策系統應是GIS與決策模型的集成。例如，新疆農業大學開發的基于GIS技術的“棉花施肥專家系統”，根據施肥模型的計算結果，實現了針對不同地塊棉田定點、定量的肥料投入，大大提高了肥料使用的合理性及肥料的利用率，目前已在自治區、兵團的部分地區使用，效果良好。

GIS具有強大的地理空間數據查詢能力，能及時反映控制目標的位置、狀態等信息。如：農機具的位置和工作狀態、灌溉系統的狀態、作物生長情況、土壤品質情況、病蟲害發展程度等。應該說精確農業中的大多數信息查詢工作，均可以在GIS地圖平臺上完成。GIS信息查詢擺脫了一般信息系統數據表格枯燥、呆板、抽象的查詢方式，利用地圖直觀反映數據信息，并且可以完成空間分析查詢，實時反映空間分析的結果數據。這些都是一般信息系統所無法完成的。

3 GIS的實際應用

精確農業中應用的GIS系統應具備如下一些特點：

（1）數據采集與接受功能。GIS應能夠接受并處理來自GPS、RS以及通過傳感器采集到的地理空間實體數據信息。目前大多GIS均可實現上述功能。

（2）空間數據格式相互轉換功能。在精確農業這個大系統中，一定會遇到多種GIS、RS應用系統相結合的情況，因此空間數據格式的轉換是必不可收的。

（3）空間分析能力。如：疊置分析、緩沖分析、分布分析、拓撲分析、地形分析等。這些分析應和各種專項模型相結合，為決策系統提供實時、可靠、快捷的決策依據。

（4）屬性數據分析。屬性數據是指描述地理空間實體的特征數據的集合，如土壤的類型、化學成分；河流的水流量、水深、河道寬度等等。屬性數據分析包括：屬性統計分析。如單屬性統計、單屬性函數變換、雙屬性分類統計；布爾邏輯操作；對象集合運算；重新分類分區等。

（5）空間數據與屬性數據的查詢。這是在標準SQL查詢方式基礎上，添加支持空間概念描述、空間函數運算等空間操作的查詢方式。

（6）多種數據庫格式接口。通過ODBC（數據庫驅動接口）或數據庫專用接口進行數據轉換的能力，是任何一個信息系統所必需的。

（7）網絡功能。利用WebGIS技術構造Internet/Intranet結構的GIS，是精確農業GIS應用的發展方向。

此外，還可以考慮裝配三維地形圖顯示操作功能。

在精確農業中GIS技術的應用體系歸納起來，應包含如下兩方面的含義：

（1）負責總的控制、調度、協調、決策任務的GIS應用系統。這時應采用功能較強大、完善的大型GIS軟件，如ARC/INFO等。在這方面的應用，主要突出了系統的各項分析功能，對操作人員的素質要求較高。這類GIS系統一般投資較大。

（2）作業地點的GIS應用。如各種智能化農機具配套的GIS應用系統、作業人員隨身攜帶的專項GIS應用系統、實地監測站點應用的GIS系統等。這類GIS系統除了具有基本的分析功能外，應突出體現操作簡單、靈活、易于掌握的特點。要達到這一目的，最好的方法是采用GIS系統集成技術，開發出專用的GIS應用系統。GIS系統集成是指利用GIS二次開發功能，通過GIS與通用開發平臺 （如流行的Visaul Basic、Visual C++、PowerBuild、Delphi等）提供的集成技術（如OLE自動化、API編程等），將GIS“嵌入”到應用系統中。在這方面，ArcView、MapInfo等桌面GIS系統均是不錯的選擇。上面提到的“棉花施肥專家系統”以及新疆農業大學開發的其它系統，如“克孜勒蘇柯爾克孜自治州國民經濟和社會綜合發展信息系統”、“和田河流域水資源管理規劃模型”、“塔里木盆地世行貸款二期項目阿克蘇子項目信息系統”、“哈密市西郊水政水資源信息管理系統”等均是采用MapInfo與PowerBuild的系統集成技術完成的。這類GIS系統投資一般較少。

GIS實際應用的另一個重要問題，就是地圖的選擇與制備。在宏觀決策方面由于多考慮對整個項目區的宏觀分析，因此可采用比例尺較小的地形圖，如1：1萬到1：50萬地圖；在微觀控制與規劃方面，由于工作對象是“點”目標或某個局部地區的詳細狀況，應采用1：1萬以下較大比例尺地形圖，才能滿足精度要求。如“棉花施肥專家系統”采用的是1：1萬地圖、“克孜勒蘇柯爾克孜自治州國民經濟和社會綜合發展信息系統”、“和田河流域水資源管理規劃模型”、“塔里木世行二期項目阿克蘇子項目信息系統”采用的是1：25萬～1：50萬地圖。繪制地圖時的精度控制關系到整個GIS應用的精度。影響地圖制作精度的主要因素有：（1）繪圖方法。推薦盡量采用矢量跟蹤法，這樣不僅大大減少繪圖工作量，而且精度易得到保證。（2）投影體系。國產GIS軟件與國外GIS軟件所采用的投影體系不同，因此要注意選擇正確的投影體系。（3）轉換方法。桌面GIS系統的繪圖功能一般比較弱，多采用由其他GIS系統制作好地圖向桌面系統轉換，由于格式不一樣，需采用正確的轉換方法，而且盡量避免多次轉換。

4 結束語

精確農業是一項高投入、高產出的工程，GIS技術在其中起著重要的作用。因此，結合具體情況研究GIS技術的推廣與應用，必將對精確農業的應用發展起著良好的推動作用。

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