3S技術在精準農業方面的應用與發展研究

王夢晗 杜英坤

山東農業大學信息科學與工程學院,山東 泰安 271018

引言

“3S”技術是指全球定位系統(GPS)、遙感(RS)和地理信息系統(GIS)，是目前對地觀測系統中空間信息獲取、存貯管理、更新、分析和應用的三大支撐技術。目前被廣泛應用與國土、水利、農業、林業、軍事等領域。近年來3S技術更是成為農業現代化的必要手段。

我國作為一個人口大國，在農業生產方面有著相對更高的要求，解決十幾億人吃飽、吃好的問題，最主要途徑的就是發展農業，然而我國的傳統農業已經無法應對人口增長過快、耕地面積下降、水土流失嚴重等問題，因此，開辟出一條新的農業發展模式已成為當務之急。而精準農業的產生對于最大限度挖掘耕地生產潛力、實現生產要素的高效利用和保護農田生態環境有著重大意義。本文重點闡述了精準農業中3S技術的應用與發展。

1 精準農業概述

1.1 精準農業涵義

所謂精準農業，是主要應用3S技術,還有作物生產管理輔助決策支持系統和智能化農業機械裝備技術, 在定位采集地塊信息的基礎上，按照田間每一操作單元的環境條件和作物產量的時空差異性，精細準確地調整各種農藝措施，最大限度地優化水、肥、種子、農藥等的量、質和時機，以期獲得最高產量和最大經濟效益，同時保護農業生態環境，確保農業可持續發展[1]。

1.2 精準農業技術體系

一般來說，精準農業系統體系結構可以概括為以下10個系統，即全球定位系統(GPS)、農田信息采集系統、農田遙感監測系統(RS)、農田地理信息系統(GIS)、農業專家系統(ES)、智能化農機具系統、環境監測系統、系統集成、網絡化管理系統和培訓系統，其核心是3S(即GIS、GPS、RS)技術[2]。精準農業技術體系結構圖如圖1所示：

圖1 精準農業技術體系結構圖

2 3S技術與精準農業

2.1 遙感技術（RS）在精準農業中的應用與發展

（1）作物長勢監測和大面積估產 RS是精準農業獲得田間數據的主要來源，在精準農業中，遙感技術在于利用高分辨率遙感信息，獲取小區域長勢與背景的差異，從而提供精準農業所需的信息。

作物長勢監測是運用高分辨率傳感器，在不同的作物生長期，實施全面監測，利用遙感數據對作物的環境動態與分布情況進行宏觀估測，即使了解作物的分布狀況、生長狀況、便于采取管理措施。這種監測是持續進行的，在監測過程中不斷提供農業資源的數字變化和圖件依據，為作物生產管理者或管理決策者提供及時準確的數據信息平臺。

在我國，近20多年來，農作物遙感監測一直是遙感應用的一個重要主題。從“七五”利用氣象數據進行北方十一省市小麥估產起步，經過“八五”重點糧區主要農作物估產研究，到“九五”建立全國遙感估產系統，使我國的遙感技術在農業領域不斷向實用化邁進。

（2）提供資源調查及動態監測數據源在精準農業體系中，遙感將為精準農業實施提供大量的田間時空變化信息，包括農田灌溉、施肥、病蟲害防治、雜草控制及作物收獲等方面信息。遙感技術將成為檢測土壤和作物的主要數據源。

從20世紀60年代將多光譜原理應用與遙感后，人們根據各種植物和土壤的光譜反射時特性，建立了豐富的地物波普和遙感圖像解譯標志在農業資源調查與動態監測等方面開展了大量并成功的應用。2000年，農業部遙感應用中心設立草地遙感監測和預警系統，建立起了技術先進、快速準確的中國草地退化和草畜動態平衡遙感監測系統。

（3）遙感災害監測和損失評估 在地理信息系統的支持下，可實現對遙感獲取的災情信息與地面現實信息的有機結合，進行森林病蟲害、水污染、火災、以及旱澇等方面的遙感監測。由于遙感技術能夠及時準確的獲取有關信息，已廣泛應用于信息采集和信息處理，實現災前預警、災情監控、災后評估。目前我國主要應用于洪災、作物病蟲災害、旱災、土地沙化以及森林火災等。[3]

2.2 全球定位系統（GPS）在精準農業中的應用與發展

GPS功能在于實時動態地定位作業對象和作業機械的空間位置，并將此信息轉變為地理信息系統能存儲、管理的格式。

（1）智能化農業機械作業的動態定位自動導航田間作業機械，實現變量施肥、灌溉、噴藥等作業。

（2）農業信息采集樣點定位 在農田設置的數據采集點、自動或人工數據采集點和環境監測點均需GPS定位數據，以便形成數字信息進行存儲與共享。

（3）遙感信息GPS定位 即對遙感信息中的特征點用GPS采集定位數據，以便于與GIS配套應用。

由于GPS 具有精確定位功能, 農業機械可以將作物需要的肥料送到準確位置, 也可以將農藥噴灑到準確位置。這不僅有助于提高作物產量, 也可以降低肥料和農藥的消耗。上世紀80、90 年代以來, 用GPS同時測定三維坐標的方法將定位測繪技術從陸地與近海, 擴展到整個海洋和外層空間; 從靜態擴展到動態;從事后處理擴展到實時、準實時定位與導航; 定位精度也越來越高。[4]

2.3 地理信息系統（GIS）在精準農業中的應用與發展

GIS是精準農業的核心技術，應用該系統可以將土地邊界、土壤類型、地形地貌、灌水系統、歷年的土壤測試結果、化肥和農藥使用情況以及歷年產量結果做成各自的地理信息系統圖管理起來。

（1）數據采集和接受功能 GIS能夠接受并處理通過RS、GPS及傳感器采集到的各種農業資源數據并能管理所采集到的數據。精準農業作為一個完整的大系統，各種農業資源數據都通過GIS流入、決策、控制、流出。

（2）空間分析 可進行分布分析、拓撲分析、地形分析、緩沖分析等，與各種專項模型相結合，可以為決策系統提供實時、可靠、快速的依據。

（3）繪制專題圖 GIS提供強大的制圖功能，除了管理數據，還可以進行空間圖形的矢量化和聚類處理，生成指導操作的農作物相關專題圖。

3 3S技術在精準農業中存在的問題

3.1 成本較高，難以平民化

按照目前我國的技術情況，要真正實現全部室內作業，農民需要每隔3-5天得到一張農田地區高分辨率遙感圖片。這需要很高的成本以及技術水平，而且對于我國廣大的農民群眾而言，既沒有能力投入這么高的資金，也無法短時間內掌握影像判讀技術。因此發展低成本的遙感圖像和智能化提取農作物征兆信息的技術對提高我國農業管理有十分重要的意義。

3.2 缺乏完善的核心技術體系

GIS雖然強大，但要求有精確實時的數據源，目前系統的數據獲取和實時更新，對于我國廣闊的耕地分布來說，是個困難。

3.3 “條塊分割”現象嚴重

各部門間出現了技術、資源的屏障，容易造成重復投入、資源浪費現象的發生。管理機制有待提高。

4 3S技術打造我國精準農業的發展

4.1 建立適合我國國情的發展模式

相對于國外，我國的農業生產要考慮人口多、資源短缺、耕地不均勻等特點，因此我國精準農業的實施必須找到適合國情的農業生產的出路。開展精準農業戰略研究，增加農業信息基礎設施建設，提高軟硬件水平。

4.2 建立適合我國國情的發展模式

我國各地的自然條件、社會經濟條件差異明顯，農業生產水平差距較大，需要因地制宜的發展現代農業技術[7]。可先在農業綜合實驗區不斷開展實驗，吸取經驗教訓，改進做法，再進一步推廣到農業化生產水平較高的地區，合理利用3S技術進行精準農業發展，逐步延伸。

4.3 積極學習交流，完善技術集成體系

在我國，精準農業所依托的3S技術仍處于研究階段，很多技術尚不成熟，應加大自主開發力度，并積極學習國外先進技術。加強與國外精準農業研究機構和企業在技術和經貿方面的合作，逐步完成我國自己的技術體系。

5 結束語

隨著科技的不斷發展，我國農業信息化的腳步也在逐步加快，3S的應用為精準農業提供了快速、準確、有效的發展基礎。積極發展3S技術，是農業實現現代化與信息化的必經之路。

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