GIS在精準農業中的應用進展及展望

GIS在精準農業中的應用進展及展望

陳 戀， 周衛軍*， 余 德， 曾花雨， 王凡榮， 樊滕芳

(湖南農業大學資源環境學院，湖南長沙 410128)

摘要精準農業是近年來國際上農業科學研究的熱點領域，是現有農業生產措施與新近發展的高新技術的有機結合，其核心技術是地理信息系統(GIS)、全球衛星定位系統(GPS)、遙感技術(RS)和計算機自動控制系統。該研究通過文獻梳理，介紹了GIS在農田環境要素信息采集、農田空間數據庫的建立、農田空間數據分析與專題制圖和管理決策支持系統建立等方面的應用概況，指出了當前GIS應用于精準農業時存在的問題和不足，并提出了GIS在精準農業中應用的發展趨勢和方向。

關鍵詞GIS；精準農業；數字農業；展望

中圖分類號S127

基金項目國家自然科學

作者簡介陳戀(1991- )，女，湖南湘鄉人，碩士研究生，研究方向：土地資源與環境信息技術。*

收稿日期2015-06-11

Application Progress and Prospect of GIS in Precision Agriculture

CHEN Lian,ZHOU Wei-jun*,YU De et al(College of Resources and Environment,Hunan Agricultural University,Changsha,Hunan 410128)

AbstractPrecision agriculture has attracted much attention in agricultural science research in recent years,it is the organic combination of the existing agricultural production measures and the newly developed high and new technologies,the core technologies include GIS,GPS,RS and computer automatic control system.Through literature review,this paper focuses on the applications of GIS in farmland environmental element information collection,the establishment of the spatial database in the farmland,farmland spatial data analysis and thematic mapping,the establishment of a management decision support system.The problems and deficiencies existed of GIS applications in precision agriculture are pointed out,and the direction and tendency of the domain are also proposed.

Key words GIS technology; Precision agriculture; Digital agriculture; Outlook

為了科學管理農業生產，減少在生產過程中的過多投入避免浪費，增加產量創造更多的利潤，減少污染保護環境，實現農業可持續發展，學者們提出了精準農業的理念，成為了農業科學的研究熱點[1]。精準農業通過分析單元農田的屬性差異，并結合先進的技術的手段分析影響這些差異的原因，以便進行農田優化管理[2]。針對農地的基礎地力、水分、作物病蟲害、氣候等因素的不同，進行相適宜的耕種、灌溉、施肥、除蟲、除草及收獲等，通過合理的投入帶來最好的經濟和生態效益，從而實現農業資源的可持續發展[3]。

GIS是精準農業的“大腦”，其通過信息存儲和管理功能能收集詳細的農田信息，為農業生產提供相應的農田管理數據庫。在精準農業中，獲取農田不同單元內生產狀況及其自然環境差異信息是進行精準農業管理的基礎。GIS的空間分析功能可以對農田的基礎信息進行統計、處理并制圖，為分析和調控提供直觀的農田信息空間分布圖，輔助制定決策方案，形成農田作物管理處方圖，分區指導精準農業管理[4-5]。

1GIS在精準農業中的應用現狀

1.1農田環境要素信息采集精準農業技術建立在農田環境要素數據采集與分析的基礎之上[6]，傳統的農田環境要素信息采集主要以定點觀測為主，耗資大、所需時間多，而精準農業中農田環境要素信息采集采用的是以計算機為中心的自動信息采集方法。通過傳感器、物聯網、3S等技術的支持，工作者可以便捷地獲取農田環境要素的基礎空間信息，如土壤肥力、土壤水分、作物病蟲害、自然災害、作物信息等[7]。

1.1.1土壤信息采集。土壤信息采集包括土壤水分信息和N、P、K等養分信息采集。土壤水分是作物生長的主要水源，及時掌握土壤的水分信息，是輔助進行精準灌溉決策的重要依據。土壤養分在作物生長發育中起著及其重要的作用，土壤養分信息的采集直接關系著精準農業中農田精準養分管理，將實現基于農田單元的推薦施肥成為可能，針對土壤養分豐缺進行科學合理的施肥，減少投入并提高產量[8]。張淑娟基于3S技術研究了田間信息自動采集方法，并對采集數據進行處理分析，建立了作物產量與土壤屬性的關系模型[9]。鄭立華等基于GIS開發了土壤水分和土壤電導率的專題圖模塊，從而指導田間土壤信息采樣[10]。

1.1.2災害信息采集。災害信息采集包括作物病蟲害信息和自然災害信息，其中作物病蟲害是作物的主要災害之一，直接影響作物的產量和品質。作物病蟲害信息采集是實施變量施藥的基礎工作，可以有效地減少農藥對農作物及土壤的污染。劉向鋒等利用3S技術原理，設計實現了以移動GIS手段為基礎的作物蟲害信息采集，并提供實時防治措施的診斷系統[11]。鄒金秋基于無線網與網絡地理信息系統技術，研究了對農田參數實時采集、在線更新和農情監測的新方法[7]。

1.2農田空間數據庫管理農田環境要素信息類型多樣化，如數字地圖、遙感影像、空間圖形、圖像以及各種統計信息等，為便于管理、傳輸、統計分析海量的數據，GIS將每一種信息組成一個圖層，以數據庫的形式存儲，通過空間分析將多源數據信息組合形成新的圖層。在精準農業中，GIS以獨立的圖層形式將土壤類型、地形地貌、土壤養分、化肥和農藥等信息以及歷年產量數據等進行存儲，分層建立農田空間數據庫[12]。

農田空間數據庫主要包括基礎數據庫、專題數據庫、決策數據庫、元數據庫等，其中基礎數據庫包括農田的空間數據和屬性數據等；專題數據庫包括農業政策法規、畜牧專題數據庫等；知識庫中存儲數字農業相關的專業模型及其參數、數據處理的公式、解決具體問題的知識規則；元數據庫中存儲對農田環境要素數據字典的說明[13]。杜君基于ArcGIS平臺，以文件-關系混合結構模式設計并建立了小麥生態環境數據庫[14]。陳珂在總結了國際自然災害數據庫建設的先進經驗以及我國自然災害數據庫建設存在的問題的基礎上，提出了長江三角洲自然災害數據庫的建設思路，完成了以ArcGIS為平臺的長江三角洲自然災害數據庫的結構設計，建立了數據概念模型[15]。王海江等根據影響因子收集地圖、統計信息、數據資料，基于GIS系統分別建立了空間數據庫和屬性數據庫[16]。Abdelfattah等建立了基于GIS的UAESIS土壤信息系統存儲和管理土壤數據，指導農業用地利用規劃[17]。

1.3農田空間數據分析與專題制圖空間數據分析是GIS系統的核心，在精準農業中，GIS數據庫中原始形式的田間信息可以通過GIS進行數據類型轉換、空間插值、空間分析等處理，得到指導農業生產的各種農田環境要素專題圖。

1.3.1農田空間數據分析。GIS的空間分析包括空間量測與查詢、緩沖區分析、空間插值、疊置分析、表面分析、幾何分析等。其中幾何分析是地理信息系統最基本、最有效的分析功能之一，在農業資源研究中應用較廣。GIS的空間分析是挖掘數據的空間關系及其衍生出來的信息和新的知識的過程，其中以疊加分析、空間插值和緩沖區分析的應用最為典型。

觀測站點收集到的往往是離散數據，在精準農業中往往需要利用這些數據的空間自相關性，采用空間插值方法將它們形成空間連續分布的數據，從而得出其空間分布規律。于婧在研究耕地土壤養分的空間變異性中，借助ArcGIS8.3軟件的地理統計模塊進行半方差結構的擬合與插值，完成了趨勢面剔除與參數調整[18]。

疊置分析功能可將多個農田環境要素信息整合，并可分析出各種因子之間的相互作用和影響以及它們之間的關系。李白鴿等通過GIS疊加分析功能，分析了江淮地區冬小麥的生產潛力，確定了其可增產區和增產幅度，指導了江淮地區冬小麥增產精準管理[19]。Nourqolipour等通過建立基于GIS的模型分析了馬來西亞棕櫚油土地利用的時空發展[21]。Chanhda等運用ArcGIS9.3中map algebra功能分析了老撾土地利用變化的空間動態信息[22]。

1.3.2專題制圖。農業專題地圖是獲取作物空間變異特征和實現精準管理的最直觀的表達[23]。GIS能夠采用專題制圖將分析或查詢檢索結果表現的更為直觀，對不同的要素進行符號化，使圖像信息可視化，如：土壤地力等級圖、土地利用現狀圖、土壤圖、農業基礎設施分布圖以及其他一些精準農業管理所需的專題地圖。

張純潔使用凱斯AFS(Advanced Farming Systems)系統生成地塊谷物產量圖，對江漢平原的精準農業發展模式進行了研究[24]。李楠等采用地理信息系統集成技術，開發了農田旱情遠程自動監測系統，實現了旱情的可視化管理[25]。麻清源等基于ArcGIS的空間插值功能，運用Kriging方法獲得了上海市農工商現代農業園區土壤屬性空間分布圖[26]。王寶峰利用ArcGIS軟件生成坡地植煙區土壤速效養分的空間變異分布圖[27]。

1.4管理決策支持系統的建立GIS的輔助決策功能是針對系統建立的目的，通過分析收集到的數據生成為管理生產的服務信息，從而實現精準農業。精準農業管理決策支持系統能夠將農田環境要素信息的空間分析結果與作物生產模型和專家知識庫結合，對產量的空間差異性進行分析與診斷，繼而提出科學方案對當地的農業生產進行指導，使農業生產結構和生產要素投入調整至最優[28]。

許鑫等利用GIS、數據庫等技術在NET平臺上構建了“基于WebGIS的小麥精準施肥決策系統”[29]。于合龍等基于農業生產要素的空間差異性，結合農業生產實踐和精準農業決策需求，建立了精準農業智能決策體系[30]。江厚龍等基于GIS設計了平頂山市郟縣烤田分區管理及烤煙推薦施肥模型[31]。

2GIS在精準農業發展中存在的主要問題

2.1信息化基礎設施不健全，農民素質不高目前，我國農村信息化基礎設施普及度不高，農村缺乏操作精準農業技術設備的高學歷技術人才，使得精準農業發展推廣力度不夠。隨著城鎮化水平的提高，農村文化程度較高者紛紛進城務工，留下來的務農人員整體文化程度偏低。并且我國農業生產仍以傳統生產經營管理方式為主，使得現有的農業生產條件難以滿足精準農業的技術實施要求。

2.2成本過高，農民購買力相對低下近年來，精準農業技術設備不斷推陳出新，農田信息采集和數據處理的儀器、軟硬件設施和精準農業變量作業機械裝置等價格昂貴，在我國仍以家庭經營為主的農業生產模式下，大多數農民的購買力不足以承擔精準農業所需的巨額投入，嚴重阻礙了精準農業的發展與推廣。

2.3基礎數據缺乏精準農業實踐依賴于大量的基礎地力數據和實時更新的農業生產要素數據，如土壤養分變化數據、耕作區災害數據、實時遙感數據等，還需要大量生產區精確的氣象基礎數據，如降雨量、光照、溫度等，由于這些數據的空間差異性太大，加大了這些數據的獲取難度。在面積遼闊的耕作區，需要布設更多的觀測站點及傳感器，加大了精準農業工程在數據獲取方面的投入。

3GIS應用于精準農業的發展趨勢

精準農業是農業現代化發展的重要途徑，是糧食安全的重要保障[32]。隨著我國現代化信息技術的發展，精準農業中GIS技術的發展趨勢主要有以下幾個方面。

3.1“3S”技術集成成為必然趨勢RS是獲取農業生產要素實時數據的重要手段，它有助于GIS數據更新，確保數據的現實可用性，尤其是在資源環境動態監測和氣象災害預警方面表現突出。GPS的精準定位功能可以為農業要素信息以及農業機械自動化提供精確的位置信息。GIS則可以根據RS和GPS提供的信息加以分析，并提供管理與決策服務。“3S”技術的集成有利于實現系統各部分功能的最大化，有利于實現精準農業管理的一體化、實時化、空間化和自動化。

3.2建立基于WebGIS、OpenGIS以及組件式GIS應用系統WebGIS是GIS與互聯網的有機結合。開放式地理信息系統可以根據用戶的需求，提供更多高交互性、可操作、高兼容性的優質服務。組件式GIS將GIS系統化整為零，將功能模塊單獨分開，簡化了操作系統，降低了系統對硬件的要求。隨著計算機技術的發展，采用分布式體系結構的WebGIS系統、OpenGIS和組件式GIS將為實現我國農業現代化和農業精準管理提供強大的技術支持[33]，這可以有效地降低成本和提高效率。

3.3集成專家系統與地理信息系統，實現具有人工智能的GIS系統農業要素復雜多樣，要素之間相互制約相互影響，共同構成了這個有機的農業生態系統，要實現對這個系統的監測和管理，必須依靠人工智能的GIS系統。在GIS理論的基礎上，以GIS為平臺集成專家系統，建立基于GIS的數據自動采集和分析的專家系統和決策支持系統。

4結語

精準農業是實現低投入、高產出、優質、環保農業的重要方式，是現代農業發展的指向標。精準農業提倡實施時間和空間上的變量管理和精準決策支持，并且支持精準農業的專用硬件、軟件和作業設施正在不斷得到開發和完善，以GIS系統為代表的先進技術將成為精準農業的強大技術支撐。因此，GIS在精準農業中的應用研究顯得非常重要。

目前我國精準農業還處在研究階段，在此階段應當深入研究精準農業的內涵，發展相關的現代信息技術，學習國外成熟的理論并加以實踐，研制精準作業設備，建立實驗示范點。在示范點的農業生產過程中，嚴格管理，針對示范區的實際情況進行科學決策并加以指導，從而展現出精準農業的優勢并進行推廣。

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