GIS技術在現代煙草農業中的應用研究進展

趙佳佳　方秀　張森

摘要 地理信息系統（GIS）是現代煙草農業發展的技術保障。簡介了GIS的基本原理及產生發展過程，綜述了國內外學者利用GIS在土壤養分精準管理、植煙區氣候與煙草種植區劃及烤煙生產病蟲害防治決策方向的研究進展，并探討了GIS在現代煙草農業應用中的發展前景。

關鍵詞 GIS；現代煙草農業；應用；研究進展

中圖分類號 S572 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）21-0014-03

Abstract Geographic Information System（GIS）is the foundation of space technology with modern tobacco agriculture. The basic principle and development of GIS were brielly introduced. The research progress of GIS in soil nutrient precision management，climate and planting area of tobacco growing areas and decision making of tobacco production pest control were summarized，the prospects of the researching and application were discussed in developing the modernization tobacco agriculture with the GIS.

Key words GIS；modern tobacco agriculture；application；research progress

我國是煙草種植大國，煙草是我國重要的經濟作物，隨著生產力的發展和現代信息化技術的提高，傳統模式的煙草種植已不能適應社會的發展。近年來，我國煙草生產部門堅持建設“規模化種植，集約化經營，專業化分工，信息化管理”的現代煙草農業，以進一步提升煙葉品質[1]。要加快實現我國煙草農業的現代化，必須綜合利用現代信息技術，發展具有中國特色的煙草農業生產體系，實現我國煙草農業的可持續發展。隨著現代農業數字化理念的提出，“數字煙草”的發展也成為必然趨勢，“數字煙草”的核心技術之一便是“GIS技術”，即地理信息系統[2]。GIS與現代煙草農業的結合能夠解決煙葉生產中產生的各種動態問題，為現代煙草農業的可持續發展提供了強有力的技術保障，加快推進我國現代煙草農業生產的自動化、精準化發展進程。

1 GIS的基本原理

地理信息系統（Geographical Information System，GIS）與許多學科都有密切聯系，是多門學科交叉的具有空間專業形式的數據管理系統。地理信息系統是一個采集、存儲、顯示地理信息的計算機系統，能夠綜合分析各種圖形及數據信息，具有多層次的數據結構和多功能的綜合分析能力[3]。該系統包括了多種軟件工具用于輸入、編輯、管理空間型和非空間型的地理數據，采用數據庫管理系統有效地存儲和管理大量地理信息，并提供多種模型支持空間分析和決策制定，有管理空間資源不均勻分布的能力，能夠把大區域范圍內測定點的地理數據與屬性數據結合起來，提高信息共享程度。目前，GIS技術已經得到了廣泛應用，主要應用于資源開發、環境保護、城市規劃、土地管理、農作物估產、交通運輸、地圖繪制等領域，并呈迅速發展的趨勢[4]。

2 GIS的產生與發展

地理信息系統技術的建立與發展，與地理空間信息的表示、處理、分析和應用技術的不斷發展緊密相連。地理信息系統的提出從20世紀60年代開始，發展成熟于70—80年代，由計算機輔助制圖逐步發展起來，并得到了較快的發展，目前技術已日益成熟，被認為是系統有效地利用地理信息的基本工具與手段。

世界第一個GIS系統是加拿大測量學家R F. Tomlinson于1963年提出的，并建立了加拿大地理信息系統，用于自然資源的規劃管理[5]。1987年美國成立了國家地理信息與分析中心，英國也成立了地理信息協會，加之此階段計算機技術的迅速發展，對GIS技術的傳播和發展起至關重要的作用，并由商業化實用系統進入市場[6]。隨著計算機技術的迅猛發展和專業化人才的飛速增加，GIS已經成為許多機構尤其是政府決策部門必備的工作系統，社會對GIS的認識普遍提高，這也使得GIS的應用更加擴大和系統化。隨著地理信息系統功能的不斷完善，越來越顯示出廣闊的應用前景，并成為地理學的“第三代語言”。

中國對地理信息系統的研究起步稍晚，1980年中國成立了地理信息系統研究室，標志著中國全面展開了對地理信息系統的研究，雖然較歐美一些發達國家起步晚，但發展極迅速[7]。1986年國家“七五”計劃中，GIS研究列入了國家科技攻關計劃，GIS在我國進入了初步發展階段。1996年國家“九五”計劃將“遙感、地理信息系統和全球定位系統的綜合應用”列入國家重中之重科技攻關項目，GIS進入了快速發展階段，強調GIS的集成化、實用化和工程化[8]。經過多年的努力，我國對地理信息系統的研究已躋身于國際領先水平，GIS技術及產品取得了長足進步，已廣泛應用于多個學科領域，成為精準農業研究中的熱點方向，因此深入開展地理信息系統（GIS）在煙草精準農業上的應用研究也是必然趨勢。20世紀90年代，我國將 GIS 應用于煙草農業領域，主要用于植煙土壤適宜性評價和施肥、農業氣候與煙草種植區劃、煙草病蟲害預測評估等方面，并取得了較大的成就，一些研究成果直接應用于煙草農業生產中，取得了很好的經濟和社會效益[9]。

3 GIS在現代煙草農業中的應用

3.1 GIS在土壤養分精準管理中的應用endprint

土壤在時空變化上具有連續性和不均一性。傳統農業生產由于對土壤養分的描述和定量調查存在困難，在施肥過程中缺少針對性，造成土壤養分供給失去平衡、肥料利用率低等問題，甚至施肥過多破壞了土壤肥力，加重了大氣環境負擔。與傳統農業相比，許多國內外學者高度重視土壤空間變異性，利用GPS、地統計學分析結合GIS分析土壤養分的空間分布狀況及其變異特征，在精準農業研究中初有成效。其中，GIS可以處理煙區氣候、地形地貌特征、土壤類型、煙草產量、煙草輪作制度、煙農施肥狀況及肥料施用等信息，并綜合起來錄入到GIS信息系統中[10]。將這些空間屬性描述歸類形成土壤養分分布圖，能指導各分區植煙土壤的肥料施用，這樣不僅可以整體調控肥料用量避免浪費，又能實現分區管理體制。

自20世紀60年代初國外學者開始嘗試應用GIS和地統計學結合的方法研究土壤空間變異情況之后，Yost等人最早研究了夏威夷島上土壤養分的空間關聯，并得到了可靠結論[11]。之后Goovaerts P[12]通過田塊型取樣模式，分析了不同單元格的土壤理化性狀，促進了GIS的發展。隨后人們利用GIS在農作物上取得了越來越多的科研成就，Masvaya等[13]研究了津巴布韋農業產業生態區農業管理對土壤養分的影響，并研究了作物吸收規律的空間變異性。Shi等[14]利用GIS研究了太湖土壤養分豐缺特性。

相比于國外，國內GIS發展較晚，但成果豐碩。在土壤養分及元素分布特性上方向，秦鐘立等[15]利用GIS和地統計法建立了貴州植煙土壤養分的理論模型；李 強等[16]則通過GIS技術綜合評價了曲靖煙區馬龍縣植煙土壤的速效養分狀況。在土壤施肥決策方向，王新忠等[17]利用GIS和GPS定位相結合的方法，通過控制播種機控制變量施肥，研究出了精準農業用肥體制，不僅達到了“用肥有效，綠色環保”的時代要求，更明顯提高了作物產量；陳偉強[18]通過在平頂山、洛陽、南陽三地烤煙區進行模型參數試驗，確立了區域施肥體制；張鑫[4]通過對煙區單元適應性的綜合評價結合GIS模型，設計了目標產量的精準施肥推薦系統。在土壤分區管理方向，郭治興等[19]通過網格化評價廣東烤煙的土壤生態適宜性，指導了煙草區化種植；宋艷春[20]也根據此方法將贛縣植煙土壤劃分為3類適宜區，促進了土壤養分的精準管理模式。

3.2 GIS在植煙區氣候與煙草種植區劃中的應用

生態條件決定烤煙的區域特色，不同生態區的烤煙在化學成分、物理特性評吸等指標上有很大差異，其受制于土壤，但受氣候因素影響最大。可利用GIS的空間分析功能，并結合多年的氣候資源，確定煙草適宜性氣候生態指標和種植區劃，為煙草種植區域的劃分和合理利用氣候資源提供依據。董謝瓊等[21]利用氣候、土壤等數據，在GIS平臺下，研究了云南省煙草種植適宜區劃，研究結果與云南省優質煙葉分布地區一致。方 紅等[22]利用等級劃分法和GIS小網格技術，綜合分析了湘西煙草生長期內的氣候數據和氣象災害指標，結合湘西的土地資源信息，對植煙區煙草氣候進行了區劃，與實際植煙區域基本吻合。操筠[23]統計分析了煙草不同生育期遭受的主要氣象災害，利用GIS技術進行了恩施植煙區煙草氣候災害風險區劃，為煙草種植合理布局及防災減災提供依據。楊揚[24]利用GIS技術，將河南省煙草種植區的氣候、土壤等信息以空間和屬性數據相結合的形式組織起來，綜合評價了河南省煙草生態適宜性，科學合理的區劃了河南省煙草種植區域。楊鵬武等[25]通過收集云南省昭通市多年的氣候資料，運用GIS 技術，研究了昭通市煙草種植的動態氣候區劃，提高了作物氣候區劃的生產指導性，得出烤煙生態適宜性綜合評價圖，建立了河南省煙草生態適宜性評價指標體系。謝華東等[26]用模糊綜合評價的方法，根據煙葉生長的特性，在GIS平臺下，篩選出影響黔江煙草種植區的氣候指標，定量評價了黔江烤煙種植氣候的適宜性。李蒙等[27]收集了云南省普洱市氣候資料，運用GIS技術，分析了普洱市的氣候特征，并構建了煙草種植氣候適宜性評價系統，精細區劃了烤煙種植氣候的適宜性。莫建國等[28]通過GIS平臺，運用相關分析法分析了氣候因素對煙葉品質的影響，并將貴州省煙區劃分了5個氣候類型區。

3.3 GIS在烤煙生產病蟲害防治決策中的應用

隨著烤煙生產病蟲害防治工作的長期進展，植物保護方向已取得了巨大進展，但重“治”的過程中科研工作者卻忽視了“防”的重要性。近年來，學者將病蟲害防治工作中積累的大量年際數據通過綜合分析年際間和區域間的烤煙品種、病蟲害發生時期及特點、田間管理、氣象條件等因素，運用GIS制圖的方式來呈現，可以直觀有效地預測經濟損失及提供病害防治決策[29]。林惠彬[30]將互聯網、數據庫及GIS相結合，不僅構建了煙蚜監測模型，并通過整合病蟲害的年際變化完善了煙草病蟲害管理系統。趙鑫[31]利用GIS技術分析得出了煙草害蟲及天敵的種群分布特征，對煙田害蟲的綜合治理提供了參考依據。姜紅花等[32]的研究與此相似，通過及時有效地發布病蟲害信息，實現了動態的實用功能。

4 展望

4.1 利用GIS技術為煙葉基地單元選址

在卷煙工業原料煙葉基地選址方面，可以利用GIS技術，將當地煙草種植生產氣候相關因子及烤后煙葉內在品質與企業品牌原料煙葉需求有機結合，借助GIS二次開發數學模型對其綜合評價，并通過決策分功能確定對應品牌煙葉原料基地單元選址最適宜區。

4.2 建立煙草農業種植的資源共享平臺

煙草農業與生態環境之間的關系復雜，需要的數據量大且要求精度高。但因為儀器設備和人力、物力的限制，許多數據難以獲取，且測量時誤差較大，數據精度不高，現有的數據來源不一且年代不同，導致數據質量難以保證，并且數據格式不一，導致各地區數據難以共享，影響了GIS的資源共享。在未來的發展中，應把先進的技術手段融入煙草產業結構中，集中人力和物力，建立完善的煙草農業信息數據庫，按照“統一平臺、統一數據、統一網絡”的原則，實現信息資源共享，啟動數字化的煙草建設，為煙草農業現代化的開發提供幫助。endprint

4.3 建立以GIS、RS、GPS技術為核心的“3S”空間決策支持系統

RS能準確地提供監測物的信息，發現其各種變化，GPS能夠快速地提供監測物的空間位置，GIS能夠對多種來源的大量信息進行快速處理，提出決策方案。因此，建立基于煙草“3S”技術的空間決策支持系統，可為煙草種植管理提供精確的操作，通過數字管理、動態監測和系統決策，實現煙草生產的數字化、智能化和信息化。隨著信息化的迅速發展，“3S”技術將成為今后現代煙草農業的研究熱點。

4.4 GIS 和專家系統（ES）高度集成

現階段GIS主要應用于煙田土壤養分數據庫的建立、精準施肥、植煙區氣候與煙草種植區劃、病蟲害的監測等方面，但煙草生長過程是動態的，與當地生態環境、種植制度等相關密切，單純的GIS研究，不能解決現代煙草農業生產中復雜的空間問題，還需要大量的專家知識經驗。因此，GIS與專家系統結合，可有效解決煙草生產過程的問題。

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