GIS技術(shù)在現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究與展望

張春華 趙進恒 胡曉明等

摘要 地理信息系統(tǒng)（GIS）是現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)建設(shè)的空間分析技術(shù)基礎(chǔ)。介紹了地理信息系統(tǒng)的基本原理和發(fā)展過程，綜述了近年來國內(nèi)外學(xué)者利用GIS技術(shù)在植煙土壤適宜性評價、植煙土壤養(yǎng)分空間變異研究、養(yǎng)分管理分區(qū)及變量施肥、煙草病蟲害預(yù)測及農(nóng)業(yè)氣候與煙草種植區(qū)劃和評估等研究方面所取得的成就，并探討了GIS技術(shù)在未來煙草農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化中進一步應(yīng)用的前景。

關(guān)鍵詞 GIS；現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)；應(yīng)用研究；展望

中圖分類號 S127 文獻標(biāo)識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）20-06860-02

煙草是我國重要經(jīng)濟作物，隨著生產(chǎn)力的提高和信息化的推進，傳統(tǒng)煙草農(nóng)業(yè)已不適應(yīng)社會發(fā)展，向現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變是煙草行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求，實現(xiàn)從粗放管理轉(zhuǎn)向精益管理，不僅對提高煙葉品質(zhì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，而且對保護生態(tài)環(huán)境、節(jié)約資源、降低成本和提高生產(chǎn)效率等有重要意義。近年來，隨著計算機和GPS等技術(shù)的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）作為一門新興的學(xué)科也迅速發(fā)展起來，GIS與現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的有效結(jié)合可解決生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的動態(tài)問題，而且對水、肥、土、光等復(fù)雜多樣的資源環(huán)境有空間立體分析功能。隨著GIS系統(tǒng)的日益完善與發(fā)展，它將成為現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)研究的先進技術(shù)手段，為煙草農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化與可持續(xù)發(fā)展提供了強有力的技術(shù)支持。同時，應(yīng)進一步加大GIS技術(shù)在現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，建立科學(xué)完善的空間決策及專家系統(tǒng)，為優(yōu)質(zhì)煙葉的精益生產(chǎn)和信息化管理提供參考和依據(jù)。

1 GIS的基本原理及發(fā)展歷程

GIS是由地理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)與組織機構(gòu)等組成，主要以采集和存儲地球表面與空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)，并加以分析、顯示和應(yīng)用的計算機系統(tǒng)[1-2]，其主要涉及空間位置、模式模型、變化趨勢等功能。

GIS技術(shù)起始于20世紀(jì)60年代，發(fā)展成熟于七八十年代，由偏重于空間數(shù)據(jù)的處理，轉(zhuǎn)向自然資源開發(fā)、國土規(guī)劃及生態(tài)保護等領(lǐng)域。 90年代以來，隨著GIS理論、方法和技術(shù)的成熟，廣泛應(yīng)用在于環(huán)境資源保護、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、災(zāi)害預(yù)測和政府管理等領(lǐng)域。

1978年，國內(nèi)學(xué)者開始對地統(tǒng)計學(xué)的研究[3]，特別是近年來，地統(tǒng)計學(xué)與GIS的結(jié)合是國內(nèi)外學(xué)者研究農(nóng)田精準(zhǔn)施肥的熱點，GIS作為功能性的空間技術(shù)被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)管理和農(nóng)業(yè)分析科學(xué)研究中，主要應(yīng)用于精準(zhǔn)施肥、作物產(chǎn)值評估、病蟲害預(yù)測和專家決策系統(tǒng)等方面，極大地推動了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

2 地理信息系統(tǒng)在煙草農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

20世紀(jì)90年代中期，我國逐漸將GIS應(yīng)用在煙草農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)氣候與煙草種植區(qū)劃、植煙土壤適宜性評價、煙草病蟲害預(yù)測及評估和變量施肥等方面，取得了較大的成就，一些研究成果直接應(yīng)用于煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，取得了很好的經(jīng)濟和社會效益。

2.1 對植煙土壤養(yǎng)分的空間管理及應(yīng)用

2.1.1 植煙土壤適宜性評價。

土壤是一個具有空間變異的系統(tǒng)，經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)不能反映養(yǎng)分含量在空間上的分布情況。植煙土壤是優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)的基礎(chǔ)，對煙葉品質(zhì)風(fēng)格的形成具有重要作用。對植煙土壤養(yǎng)分空間變異性及煙草養(yǎng)分吸收規(guī)律的研究，可為實現(xiàn)植煙土壤適宜性的評價奠定基礎(chǔ)[4]。

陳海生等利用GIS技術(shù)，運用模糊數(shù)學(xué)和層次分析法，對烤煙種植區(qū)各項土壤肥力指標(biāo)進行了綜合評價，并繪制了土壤肥力評價圖，建立了河南省南陽市烤煙土壤肥力適宜性評價指標(biāo)體系[5]。徐大兵等以湖北省恩施市“清江源”現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)科技園區(qū)、恩施城郊和利川柏楊基地單元新整治區(qū)域的土壤屬性和速效養(yǎng)分為研究對象，在GIS平臺的基礎(chǔ)上，采用模糊數(shù)學(xué)法對新整治區(qū)域的土壤肥力適宜性指數(shù)進行了評價[6]。汪璇等對重慶黔江煙區(qū)土壤的速效養(yǎng)分和pH等6種主要植煙土壤肥力指標(biāo)進行了分析，研究了土壤養(yǎng)分要素與各地形因子之間存在的相關(guān)關(guān)系，在GIS的平臺下，利用模糊綜合評價法對丘陵山區(qū)的植煙土壤養(yǎng)分適宜性進行了綜合評價，并確立了黔江植煙土壤養(yǎng)分適宜性指數(shù)空間分布[7]。

2.1.2 植煙土壤養(yǎng)分空間變異研究。

土壤養(yǎng)分空間變異性是土壤重要屬性，隨著科學(xué)信息技術(shù)和GIS的快速發(fā)展，土壤養(yǎng)分空間變異性的研究成為了土壤科學(xué)研究領(lǐng)域的最前沿?zé)狳c之一[8-9]。利用GPS、GIS和地統(tǒng)計學(xué)等相結(jié)合的方法，對植煙土壤大、中、微量元素空間變異的研究，可為煙區(qū)的管理分區(qū)和變量施肥提供科學(xué)依據(jù)。

黃新杰等采用GPS技術(shù)，在GIS的基礎(chǔ)上，利用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)的方法，對湖南省典型稻煙輪作區(qū)3 255份土樣養(yǎng)分的總體特征和空間分布特征進行了研究，探明了其養(yǎng)分的空間分布，為該地區(qū)的養(yǎng)分精準(zhǔn)管理提供了理論依據(jù)[10]。董旭等采用GIS和地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法，對遼寧昌圖煙區(qū)的植煙土壤pH和有效態(tài)中量元素的空間變異及分布特征進行了研究，并繪制了其空間分布圖[11]。李強等探討微量元素精準(zhǔn)施肥，研究了馬龍縣植煙土壤有效態(tài)微量元素的總體特征和空間變異特征，利用GIS技術(shù)，繪制了微量元素空間分布圖，為該縣的微量元素精準(zhǔn)施肥專家系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)[12]。王新中等運用地統(tǒng)計學(xué)和GIS 技術(shù)，以平頂山郟縣的植煙土壤為研究對象，分析了土壤粒級和主要土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系，并對土壤粒級的空間變異規(guī)律進行了研究[13]。

2.1.3 植煙區(qū)土壤養(yǎng)分分區(qū)管理及變量施肥研究。

管理分區(qū)就是將具有相似土壤肥力及其養(yǎng)分利用率，以及相似生態(tài)環(huán)境的區(qū)域作為一個單元進行管理。變量施肥管理系統(tǒng)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的核心技術(shù)，在農(nóng)業(yè)上已取得了良好應(yīng)用效果[14-15]。利用GIS技術(shù)對植煙土壤進行管理分區(qū)研究，是在對每一管理單元的生態(tài)環(huán)境、土壤理化性質(zhì)、煙草需肥規(guī)律和病蟲害的綜合分析的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的施肥模型，并確立相對應(yīng)的施肥方案，進行變量施肥管理，達到優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)的目的，并且對保護煙田生態(tài)環(huán)境有重要意義。

Yang等對變量施用液態(tài)N和P肥作了研究，得出應(yīng)用變量施肥技術(shù)可以減少產(chǎn)量變化的差異，提高產(chǎn)量和增加回報[16]。Liu等研究了植煙土壤養(yǎng)分的空間變異，并采用半方差圖和克立格插值法進行土壤特性研究，為烤煙的變量施肥提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐[17-18]。江厚龍等以GIS為平臺，利用主成分分析和模糊聚類分析法，用平頂山典型煙區(qū)111個土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)對煙田進行管理分區(qū)研究，將研究區(qū)域分為3個區(qū)域進行管理，分區(qū)結(jié)果可以作為變量施肥的單獨作業(yè)單元進行施肥管理[19]。

2.2 煙草病蟲害預(yù)測及評估

煙草病蟲害是煙葉生產(chǎn)的制約因素，不僅嚴(yán)重影響煙葉品質(zhì)，而且造成煙農(nóng)經(jīng)濟損失。對煙草病蟲害進行統(tǒng)防統(tǒng)治是煙葉生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。利用GIS技術(shù)可以分析煙草病蟲害發(fā)生的趨勢及其影響發(fā)生的適宜環(huán)境因子，預(yù)測其發(fā)生的規(guī)律及時空動態(tài)，為防治煙草病蟲害發(fā)生提供準(zhǔn)確、及時、可視的科學(xué)決策。

Richam等利用GIS技術(shù)分析了不同地域間的氣象、不同年度、有益有害生物、煙草品種抗性、生態(tài)變化等信息，并利用模擬模型對煙草蚜蟲發(fā)生進行預(yù)測，建立煙草病蟲害的發(fā)生預(yù)測模型[20]。陶瓊等利用GIS對昆明市煙草的“六病四蟲”的發(fā)生率和發(fā)生指數(shù)進行分析，準(zhǔn)確地預(yù)測到病蟲害發(fā)生的程度和空間分布，對病蟲害進行有效的防治和預(yù)防有很好的應(yīng)用效果，并利用WebGIS建立了昆明市煙草病蟲害監(jiān)測預(yù)警體系[21]。劉長明等應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，以福建煙草病蟲害監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建福建省煙草病蟲害管理信息系統(tǒng)[22]。

2.3 植煙區(qū)氣候與煙草種植區(qū)劃

氣候是影響煙草生產(chǎn)和種植區(qū)劃的重要生態(tài)因素，不僅影響煙草的生物學(xué)性狀和病蟲害的發(fā)生，而且還對煙草的內(nèi)在品質(zhì)和產(chǎn)質(zhì)量有重要影響[23]。因此，將GIS 的空間分析功能與當(dāng)?shù)氐臍夂蛸Y源和種植水平相結(jié)合，進行精準(zhǔn)的氣候區(qū)劃，可為煙草種植區(qū)劃的調(diào)整和合理利用氣候資源提供科學(xué)依據(jù)。

莫建國等利用GIS技術(shù)，采用克里克插值和構(gòu)建模型的方法，對威寧縣烤煙生長期氣候條件及各氣象要素對烤煙品質(zhì)的影響進行了研究，實現(xiàn)了對威寧縣烤煙種植的精細(xì)氣候劃分[24]。符昌武等應(yīng)用GPS和GIS技術(shù)，對普洱煙區(qū)氣候要素進了空間分析，模擬繪制了氣候要素的地理空間分布細(xì)網(wǎng)格模擬數(shù)字地圖，為普洱優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)區(qū)劃奠定了基礎(chǔ)[25]。董謝瓊等利用氣象、土壤、地形、土地利用等多源數(shù)據(jù)，在GIS技術(shù)支持下，根據(jù)煙草生長發(fā)育生態(tài)條件，確定煙草種植適宜性氣候生態(tài)指標(biāo)和區(qū)劃原則，對云南省烤煙種植適宜區(qū)劃進行研究，區(qū)劃結(jié)果與云南省實際優(yōu)質(zhì)煙葉產(chǎn)地分布基本一致[26]。

3 GIS在我國煙草農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程中的研究與應(yīng)用展望

隨著煙草農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程的推進和GIS技術(shù)的不斷發(fā)展、成熟，GIS技術(shù)需要加強在以下4個領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用研究[27-28]。

3.1 以GIS、RS、GPS等技術(shù)為核心的“3S”空間決策支持系統(tǒng) 主要是GPS為RS和GIS提供監(jiān)測范圍的定位信息，RS為GIS提供重要的信息數(shù)據(jù)庫，能及時準(zhǔn)確提供監(jiān)測范圍內(nèi)的綜合性的定位定量信息，并有助于及時更新GIS數(shù)據(jù)庫，特別是對煙草生長過程的動態(tài)監(jiān)測。建立基于煙草“3S”技術(shù)的空間決策支持系統(tǒng)，可為煙草管理提供精確操作和決策服務(wù)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，其將成為今后現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)研究的熱點，也將是現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)精益生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

3.2 GIS和專家系統(tǒng)（ES）高度集成 具有人工智能的GIS在煙草農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)將得到廣泛應(yīng)用。目前，GIS的應(yīng)用還主要在煙田土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫的建立、精準(zhǔn)施肥、病蟲害的監(jiān)測和預(yù)測等方面，但煙草生長是一個動態(tài)過程，與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)氣候、種植制度和田間管理等緊密相關(guān)，單純的GIS研究，很少能為現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中復(fù)雜的空間問題的解決提供足夠的決策支持， 這需要大量的專家經(jīng)驗和知識。所以，GIS與專家系統(tǒng)的有機結(jié)合，為解決煙草生產(chǎn)過程遇到的各種問題