GIS技術在土壤信息管理中的研究進展

摘 要：系統梳理了GIS技術在土壤信息管理中的國內外研究進展，綜述了GIS技術在土壤制圖、空間分析、土壤信息數據庫、土壤查詢與決策支持系統、土壤施肥系統、土壤評價與監測系統、土壤預測預警系統等方面的應用情況，并指出了其在土壤信息管理中的優勢與不足。在GIS技術的發展與支持下，土壤信息管理實現了數字化、可視化和智能化，但也存在數據準確度的不確定性、模型通用性差、數據集成度不高等問題。針對當前應用的不足，就GIS技術在土壤信息管理領域的發展方向進行了展望。

關鍵詞：GIS技術;土壤;信息管理;精準農業;空間變異

中圖分類號：S126 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2019）01-0110-04

Abstract： In this paper， the research progress of GIS （geographic information system） technology in soil information management at home and abroad is systematically reviewed， its applications in various aspects such as soil mapping， spatial analysis， soil information database， soil query and decision support system， soil fertilization system， soil evaluation and monitoring system， and soil prediction and pre-warning system are summarized， and its advantages and disadvantages in soil information management are also presented. With the development of GIS technology， soil information management has realized digitization， visualization and intellectualization. However， problems such as uncertainty of data accuracy， poor versatility of the model， and low data integration still exist. Accordingly， the development direction of GIS technology in soil information management for these problems is forecast.

Key words： GIS technology; soil; information management; precision agriculture; spatial variation

由于人類活動對自然生態環境的負面影響，作為地球陸地生態系統核心的土壤受到了嚴重的破壞與污染。眾多土壤科學家和技術人員不斷致力于土壤的保護與治理工作，將現代化技術和土壤科學研究緊密結合在一起，使土壤信息管理逐步實現數字化、模式化和信息化，克服了由于土壤信息量大，傳統紙質載體造成的查詢困難、精度低、數據陳舊、更新時間長、紙質資料保護不力導致的信息缺失嚴重等問題[1-3]。

地理信息系統（Geographic Information Systems，GIS）是一種基于地理空間數據庫的信息化管理技術，具備信息采集、屬性編輯、空間分析、數據管理和信息輸出等多種功能，進而實現空間信息和屬性信息的完美結合，能夠為單一的或有組織的決策過程提供有效信息[4]。利用GIS強大的空間分析、多要素綜合分析和動態預測的功能，可對原始數據模型的觀測和試驗獲得的新數據和知識，在基礎數據上深度挖掘出更多層次、更高質量的土壤空間信息，打破由于缺乏先進技術工具、研究深度不夠而發現不了更多科學現象的僵局[5]。隨著用戶需求的增長以及土壤科學研究的不斷深入，傳統GIS技術不斷發展以適應土壤資源管理的新要求。從國際及國內研究趨勢看，計算機、GIS、全球定位系統（GPS）、遙感（RS）和網絡技術的發展是21世紀初以來土壤學發展的驅動力，土壤信息管理逐步走向數字化、網絡化和智能化[6-7]。同時，新時期科學研究日漸呈現多學科交叉、綜合性的特點，土壤信息管理也勢必會在已有的研究基礎上與更多的先進技術、學科結合，構建出更科學、合理、高效的管理方式。因此，系統梳理GIS技術在土壤信息管理中的研究進展顯得非常必要，可為今后土壤信息管理研究提供更多的經驗借鑒。

2 GIS技術在土壤信息管理中的主要應用

2.1 土壤制圖與空間分析

土壤專題圖是精準農業中土壤管理的基礎，也是土壤特性空間變異性研究的基本方法之一。然而，土壤客觀存在于自然界，且土壤質量隨著時間變化而改變，因此，土壤圖不能像地形圖和行政圖那樣直接通過數字化現有地圖獲得，而是在野外采樣、室內化驗的基礎上，經過一系列數學處理方可制成。傳統的土壤圖大多采用手工繪制，制圖周期長、精度差，而且耗時長、人力投入多。3S技術（GPS、GIS、RS）的快速發展，使土壤專題圖的制作過程大大簡便和更為精確[7]。其中，GIS技術作為核心管理技術，在空間信息管理上有著數據采集便捷、儲存方便、管理高效、分析能力強、結果可視化等獨特的優勢，在土壤信息管理中起到了關鍵作用。

土壤的空間分析及模型庫建立是數字土壤建設的基礎，通過將不同要素專題地圖疊加分析，得到土地上各種限制因子的相關性，進而發現它們之間的關系，對土壤空間變異性研究具有重要意義。土壤基礎專題圖有土壤養分圖、土壤類型圖、土壤水分圖、土壤元素含量圖、土壤污染風險評價圖、土壤質量評價圖等。其制作步驟通常包括田間取樣、樣品分析、數據庫構建、采樣點導入、樣點空間分布圖制作、屬性鏈接、空間插值、定等分級、成圖等[8]。制作專題圖，使統計數據可視化，能直觀表達特定信息的空間分布規律，并得出各要素之間的內在聯系。在實際項目中，往往將各種專題要素地圖組合在一起，綜合分析、深度挖掘目標信息，并形成新的專題地圖表達研究結果。Preben Olsen等[9]在1998年基于USLE模型和GIS技術，結合土壤類型、氣候、坡度和作物數據進行硝酸鹽淋失評估系統和土壤侵蝕的空間分布制圖，該系統成功的應用于丹麥的硝酸鹽淋失和侵蝕風險評估。

2.2 土壤信息數據庫的建立

土壤信息數據庫是土壤地理學研究的核心內容之一，是連接基礎土壤研究（土壤發生和分類）和生產應用的重要橋梁，是區域土壤資源管理與決策的重要依據[10]。近年來，盲目追求快速發展而不惜犧牲生態環境為代價的粗放經濟增長模式造成了建設用地不斷擴張、耕地面積持續減小、土壤質量嚴重退化，面對如此嚴峻的土壤環境保護形勢，監測土壤環境動態變化、保持并提高土壤肥力、加快土壤污染治理已經成為土壤科學工作者面臨的巨大挑戰。而土壤是一個綜合的自然體，內在要素影響機理極為復雜，解決這一問題的有效途徑是將分散的土壤圖形數據和屬性數據進行數據庫統一管理，對土壤利用信息進行有效的宏觀調控，并以最合適的形式讓用戶與研究者獲得土壤資源的最新信息[11]。

早在20世紀70年代，發達國家就成功建成區域性乃至全國性的土壤數據庫系統，對農業、地力保持和土壤污染控制起很大的作用;目前，發達國家的土壤數據庫系統結合遙感、衛星定位等空間信息技術實現了精準農業，從專業領域應用成功地擴展到農場綜合管理[12-14]。我國土壤工作者在80年代開始著手于土壤數據庫的建立，在中國科學院南京土壤所、沈陽應用生態研究所和北京大學遙感研究中心等單位的共同努力下，一系列土壤數據庫相繼完成[15-20]，促進了土壤學、現代地學和信息科學的融合，為實現“數字土壤[2]”，推動土壤資源管理、測土配方施肥工作的順利開展，對土壤污染治理工作等起著巨大的作用。

2.3 土壤查詢與管理決策支持系統

土壤查詢系統是利用Web GIS技術，基于土壤屬性庫和土壤專題圖構建起來，對土壤的屬性和空間信息進行查詢。21世紀初，吳順輝等[22]應用ArcView IMS成功的建立了廣東省區域的Web GIS土壤資源信息系統空間信息服務，用戶可以對廣東省土地利用現狀圖、土壤有機質含量圖、土壤類型圖和土壤養分含量圖等17幅專題圖的空間和屬性信息進行自由查詢。周慧珍[23]利用Web GIS、ASP和Frontpage等網頁編輯和發布技術實現了1∶400萬中國土壤屬性信息和空間信息的分布式靜態查詢、動態查詢和遠程用戶進行圖形查詢與編輯。周斌等[24]在PAMAP GIS（V4.2）的支持下，應用基礎地理信息、GSIS專題信息和統計數據構建了貴州省土壤信息系統，實現了省、地區及縣市級土壤信息查詢、數據庫中的數據類型互相轉化以及空間數據庫的分析管理功能，廣泛的應用在土壤信息查詢、土壤地理研究、土地資源評價及定量水土流失調查與預測中，為貴州省的土壤信息服務平臺做出了巨大的貢獻。高鵬等[25]依托SIS China建設過程中長期積累的各種資料，建立了具備全國土壤類型分布、基本屬性、養分元素含量和微量元素在不同尺度的34種土壤專題地圖的土壤信息查詢系統，為土壤科學研究提供了有力的支撐。叢曉孺等[26]基于ArcGIS Server建立了阜新市的土壤地圖發布服務，并利用JavaScript編程語言在土壤地圖上實現了土壤信息數據的錄入、編輯、查詢、分析等功能。

近年來，土壤管理系統在管理中的應用在全國各地得到蓬勃發展，逐漸成為了各部門的常用工具。揚州市土壤肥料站研制的“縣域耕地管理信息系統”被農業部指定為全國耕地地力調查與評價工作規范化管理軟件，在所有試點縣應用。土壤科學工作者們嘗試不同的方式使土壤信息管理更加智能化，將土壤管理系統與專家知識等相結合進行研究，取得了一定的成績。周勇等[27]將GIS和決策支持系統（Decision Support Systems，DSS）結合，使GIS從以數據庫為核心的傳統GIS階段向以模型庫為核心的空間決策支持系統理論與實踐發展，擴大了GIS的應用范圍。

2.4 土壤施肥系統

變量施肥技術，是精準農業的重要組成部分，是GIS結合決策系統研究的重大進步。該技術可以實現對最小管理單元按需施肥，有效控制養分的輸入和輸出，防止作物的品質變壞和化肥過度積累造成環境的污染和破壞。在生產過程中，變量施肥技術可以有效的實現資源節約利用。而近些年興起的Web GIS很好的把網絡技術和GIS技術結合到一塊，將GIS技術發展成為用戶能夠實時進行查詢、檢索、統計、發布與更新等交互操作，且不需單獨安裝專業GIS軟件的跨平臺系統，使GIS更加大眾化。相對大型的GIS專業軟件，Web GIS操作簡便，大大的提高了土壤管理行政部門的工作效率和農業推廣的現代化水平[6]。Web GIS還能很好的進行數據共享，達到客戶與服務器的動態交互，使土壤施肥管理更加智能化，為決策者們可以提供更多、更好的服務。于成江等[28]建立的基于Web GIS測土配方施肥系統，在測土配方施肥工作原理掌握的基礎上，從試驗區的實際情況出發為測土配方提供了輔助決策支持。莊衛東等[29]根據大豆變量

施肥播種機自動控制的需要，開發了基于GPS和土壤養分圖的變量施肥控制軟件，利用土壤養分圖的簡易可行實現了精準變量施肥控制，并且同步記錄生成作業數據，反饋給用戶，為下次的施肥控制提供依據。

2.5 土壤監測與評價系統

土壤生態系統在現如今受到嚴重破壞，土壤信息的動態監測和評價是保證基本農業活動正常運作的基礎，是提高土地生產力、保證食物鏈安全的有效手段，是土壤科學研究的重要組成部分。GIS技術和網絡技術的發展為土壤的監測與評價提供了強有力的工具，成為了土壤信息采集和快速監控以及防止災害的有效手段。

土壤監測系統和土壤環境質量評價系統是用來監測、管理、分析和評價土壤環境質量的系統。實地監測點的設立，能夠及時提供數據反饋，系統通過空間分析及相關模型可以反映土壤的變化情況。李衛江等[30]

在上海市基本農田數據庫基礎上，利用Web GIS技術、空間數據庫技術和計算機網絡，結合相關模型，建立了基本農田土壤環境質量評價系統（PFSEGIS），為農產品安全生產認證、農田土壤環境保護和污染治理提供信息技術支持。楊紹輝等[31]為提高監測點傳輸距離和進行不間斷連續監測，開發了土壤墑情信息采集與遠程監測系統，能實時監測大面積區域內的土壤墑情狀態，并制作土壤墑情空間分布圖的關鍵技術。王衍斐等[32]通過深入分析突發性土壤污染事故的特點和應急監測業務流程，總結其中存在的問題與技術障礙，利用GIS技術的空間分析優勢解決了應急監測方案中涉及的空間問題，將空間數據管理、查詢、分析、可視化等功能綜合運用在土壤事故應急監測中的事故定位、數據變化監測等工作，有效解決了土壤事故的緊急處理問題，拓展了GIS技術的應用方向。

2.6 土壤預測預警系統

由于GIS具有空間分析功能和模型支持，能夠在可視化環境下對土壤信息交互式分析，從而快速實現土壤污染及破壞范圍、破壞程度的預測預警。土壤預警是對未來一段時期內的土壤狀況進行分析、評價及預測，在綜合分析已有土壤數據及其影響機理的基礎上，總結土壤質量變化的趨勢、質量退化速度并分析將達到危險閾值的時間等，通過引入預測模型和專家系統，按需要適時地給出變化和惡化的各種警戒信息和相應對策。嚴加永等[33]以ArcView 3.3為基礎平臺，使用Avenue編程的二次開發語言構建了土壤質量和土壤重金屬超標年限的預測模型功能版塊，然后對其單獨設計了用戶界面并編成了一個標準擴展包。楊紹輝等[34]通過組件式GIS開發，利用氣象數據、固定站數據、巡視站數據、墑情站信息、農情信息和統計數據建立了北京地區的土壤墑情監測與預測預報系統，實踐結果表明，該系統能夠滿足北京市土壤墑情的預測預報要求。劉勇洪等[35]將RS和GIS考慮預報參數的空間變異性引入用于農田灌溉現狀預報模型，分別設計了250 m×250 m分辨率網格化的農田需水量灌溉預報模型和土壤濕潤層灌溉預報模型，并對北京冬小麥灌溉量預報進行了實證研究。

2.7 土壤信息平臺搭建與應用

近年來，隨著手機、平板電腦移動端工具的頻繁使用，加速了土壤信息化時代的到來，對傳統的土壤信息管理模式提出了更多的挑戰，尤其是在新時期數據共享、動態管理等要求下，土壤信息管理應具備大數據、可視化、實時性、交互性、精準化等特點，土壤信息平臺的搭建與應用應運而生，根據不同用戶的需求，設計出不同功能的土壤信息平臺，實現高效益、實時性土壤信息的規范化管理，并提高土壤調查成果的利用率。土壤信息平臺的搭建往往包含了上述應用的功能，根據用戶需求集成所需模塊，實現便捷與科學管理的目的。

1986年，北京大學遙感應用研究所完成了國內第一個土壤侵蝕信息系統。近些年，土壤信息系統的建立在全國各地得到重大支持，土壤信息技術也得以蓬勃發展，為廣大土壤學者學習與交流提供了便利，為農業現代化建設提供了有力支撐。李紹靜等[36]為解決在水稻種植、育種等研究工作中資料查找需要依靠大量紙質信息且信息不全面、實時性差等問題，通過設計山東省水稻及土壤信息共享平臺，將水稻研究相關的土壤信息、種植信息、氣象信息等構建數據庫集成并實現共享，大大增強了相關研究人員的工作效率。張耕等[37]在7 000多個土壤樣點實測數據的基礎上，構建了廣東省云浮市森林土壤信息平臺，為用戶提供了林地選擇、造林規劃、森林撫育、施肥指導等技術支撐，大大提高了森林管理的科學性。

3 GIS技術在土壤信息管理中存在的不足

3.1 數據準確度存在不確定性

受成土母質、人類活動歷史及強度、土地利用方式等綜合影響，土壤特性在空間分布上存在很大的變異，在利用GIS技術制作土壤信息專題圖時，樣點布設情況、插值方法選擇等在一定程度決定了土壤信息空間分布的準確度。另外，傳統土壤數據的年代久遠、數字化過程中造成的誤差也增加了數據準確度的不確定性，導致在土壤制圖、施肥決策等應用中與現實情況存在一定偏離。

3.2 模型的通用性差

現有的專業模型通常只針對特定地區、特定條件，難以形成統一、便于推廣的通用模型。專業模型往往獨立于GIS系統，規模和模塊相對復雜，造成兩者結合后的應用系統非常龐大;同時，空間數據的復雜性增加了GIS與模型結合的難度。

3.3 集成性差

多源數據的異構性、坐標信息不統一、專業模型與GIS連接困難、GIS系統多語言開發環境、用戶需求與功能的復雜性等現實問題，造成了GIS系統在土壤信息管理中難以形成一個整合各模型與功能版塊優點的整體。

4 展 望

統一標準與格式的基礎數據是推進GIS系統應用效率的關鍵。用戶需求的增長以及現代信息技術的快速發展，GIS的改革創新已經迫在眉睫。隨著信息化和共享經濟模式的加速推進，信息的公開與共享已成為必然，GIS技術的社會化、大眾化客觀需求也在一定程度上要求地理數據成本的降低，加上地理數據的共享和交互操作等操作需求，使得源數據的標準化和格式統一已迫在眉睫。對于不同GIS軟件數據的格式，采用統一標準的格式或采用中間件技術進行高效轉換。

4D GIS技術是滿足土壤信息時空分布特征研究的重要技術支撐。GIS的數據，本質上是三維連續分布的，能夠體現出空間的分布特征，但這已不足于滿足研究的需求，地理對象往往還具有時間的屬性，即時態，這樣才能更好的反映地理事物的時空變化特征。因此，4D GIS技術的發展是一個很重要的方向。3S技術的集成，即GIS、RS、GPS技術的集成可以很好的互補，滿足4D GIS技術的發展需求，實現實時的、動態的GIS。加上虛擬GIS技術、大數據和云技術的發展，將GIS與虛擬環境技術相結合，用戶可以在終端方便快捷地在真三維客觀世界的虛擬環境中分析、使用和管理空間實體數據。

多技術整合是未來土壤管理決策的必然路徑。在預測預警系統、土壤管理決策系統、信息化管理平臺等應用中，智能化、網絡化和實時化勢在必行。可將專家知識庫和模擬系統引入其中，結合網絡信息的實時反饋，對不同現象加以指標化、定量化進行推理模擬以快速解決實際問題。

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（責任編輯：夏亞男）