淺析3S技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展前景

郭銹

摘 要：當(dāng)今世界，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展正逐步向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)邁進(jìn)，我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，在農(nóng)業(yè)建設(shè)和發(fā)展中也在不斷加強(qiáng)高新技術(shù)的應(yīng)用。本文著重從3S技術(shù)體系及其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并對(duì)未來發(fā)展前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè);3S技術(shù);應(yīng)用

中圖分類號(hào)：S-1 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200930013

農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，隨著信息技術(shù)等高新技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)信息化已然成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，統(tǒng)一耕種、播種、施肥、收獲的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正逐步向定量化、定位化和高新技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。

1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)也被稱為因地制宜農(nóng)業(yè)（Site Specific Farming）、處方農(nóng)業(yè)（Prescription Farming），是廣泛應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代工業(yè)提供的生產(chǎn)資料和科學(xué)管理方法進(jìn)行的社會(huì)化農(nóng)業(yè)，是基于作物和資源環(huán)境的時(shí)空差異性，以最小投入、最大收益和最小環(huán)境危害為目標(biāo)，以管理信息系統(tǒng)（MIS）、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲(chǔ)技術(shù)為基礎(chǔ)，以3S技術(shù)為核心，以網(wǎng)絡(luò)為紐帶，將海量的農(nóng)業(yè)信息應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)行處方作業(yè)的一種新興的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施，不僅可以最大限度地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，穩(wěn)增農(nóng)村經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是可以推動(dòng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向高質(zhì)量、高產(chǎn)量、低消耗、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)轉(zhuǎn)變。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)首先在美國(guó)地區(qū)提出，雖然我國(guó)起步較晚，但隨著信息技術(shù)水平的提升，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化發(fā)展速度也在逐步加快。

2 3S技術(shù)

3S技術(shù)即指遙感技術(shù)（Remote Sensing，RS）、全球定位系統(tǒng)技術(shù)（Global Positioning System，GPS）和地理信息系統(tǒng)技術(shù)（Geographic Information System，GIS），是目前對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)中空間信息獲取、存貯、管理、更新、分析和應(yīng)用的3大支撐技術(shù)。3S技術(shù)綜合汲取RS、GIS、GPS的特點(diǎn)，開啟了農(nóng)業(yè)發(fā)展的信息化數(shù)字時(shí)代，各“S”各司其職，既獨(dú)立又統(tǒng)一，GPS負(fù)責(zé)精準(zhǔn)定位，RS負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)及監(jiān)控，GIS充當(dāng)最終的“大腦”對(duì)信息進(jìn)行空間管理和快速分析。

2.1 遙感技術(shù)（RS）

遙感一詞來自英語(yǔ)Remote Sensing，即“遙遠(yuǎn)的感知”，即不與探測(cè)目標(biāo)接觸，從遠(yuǎn)處把目標(biāo)的電磁波特性記錄下來，通過分析揭示出物體的特征性質(zhì)及其變化的綜合性探測(cè)技術(shù)。“遙感”一詞是20世紀(jì)60—70年代由美國(guó)地理學(xué)家艾弗林·普魯伊特提出的，其起初僅應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，到了20世紀(jì)80年代，該技術(shù)逐漸開始在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中推廣，其在有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的同時(shí)，還能通過分析農(nóng)業(yè)氣象大幅度降低氣象災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。

2.2 全球定位系統(tǒng)（GPS）

全球定位系統(tǒng)于20世紀(jì)70年代由美國(guó)開發(fā)，最早也是出于軍事目的，主要為美國(guó)海、陸、空3軍提供全天候和全球性的導(dǎo)航與情報(bào)收集服務(wù)。是由地面控制系統(tǒng)、空間和用戶裝置等組成的空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可以全天候?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行定位及導(dǎo)航處理，具有精密度高、抗干擾能力好、保密性強(qiáng)、定位速度快等特點(diǎn)。

2.3 地理信息系統(tǒng)（GIS）

地理信息系統(tǒng)是20世紀(jì)60年代中期開始逐漸發(fā)展起來的一門新技術(shù)，與遙感技術(shù)、全球定位系統(tǒng)幾乎同步發(fā)展，是一種將地理現(xiàn)象信息采集、存儲(chǔ)、管理、分析和顯示的綜合系統(tǒng)，可以稱為3S技術(shù)的“中樞神經(jīng)”。在高速網(wǎng)絡(luò)下，地理信息系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的及時(shí)更新與共享，搭配專業(yè)的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)的比對(duì)、分析，即可建立起各種專業(yè)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)模型，有助于決策者快速分析區(qū)域空間差異，從而提出科學(xué)“處方”。

3 3S技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

在遙感、全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)3大技術(shù)支持下，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可以對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行抽樣調(diào)查，獲取作物生長(zhǎng)的各種影響因素信息（如土壤結(jié)構(gòu)、含水量、地形、病蟲害等）。通過比對(duì)農(nóng)業(yè)小區(qū)內(nèi)作物的產(chǎn)量，獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中存在的空間和時(shí)間差異性信息，分析產(chǎn)生小區(qū)產(chǎn)量差異的原因，進(jìn)而根據(jù)每個(gè)地塊的農(nóng)業(yè)資源特點(diǎn)，因地制宜地實(shí)施微觀調(diào)控，在現(xiàn)代化和機(jī)械化的精耕細(xì)作下，實(shí)現(xiàn)高效益農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)。

3.1 RS在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

3.1.1 農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)及產(chǎn)量估算

農(nóng)作物在不同的生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期，其外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都具有一定的周期性和差別性變化，并且對(duì)于不同的作物，發(fā)育期和長(zhǎng)勢(shì)也不盡相同，不同農(nóng)作物、不同時(shí)期的光譜反射率也不同。農(nóng)作物的葉面指數(shù)（LAI）可以表征農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)，而葉面指數(shù)與生物產(chǎn)量之間又存在良好的線性關(guān)系，利用這一特性可以通過測(cè)定葉面指數(shù)來監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)，并進(jìn)行產(chǎn)量估算。借助遙感技術(shù)形成的影像圖集，可以對(duì)農(nóng)作物估算產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量進(jìn)行對(duì)比，依據(jù)出現(xiàn)的偏差以及偏差程度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的模型可以快速高效地對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況和產(chǎn)量進(jìn)行估測(cè)。

3.1.2 農(nóng)作物播種面積監(jiān)測(cè)及估算

根據(jù)不同的輻射光譜，分析多光譜影像呈現(xiàn)出的不同顏色，能夠區(qū)分不同的農(nóng)作物。搭載遙感器的衛(wèi)星或飛機(jī)在田地上空飛行時(shí)，可以準(zhǔn)確迅速地獲取某類農(nóng)作物的具體播種面積，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)和分布圖的分析處理，即可估算出該類農(nóng)作物的播種面積。在估算的過程中，也可以很大程度上避免個(gè)別區(qū)域?qū)ΣシN面積的數(shù)據(jù)造假。

3.1.3 農(nóng)作物災(zāi)害監(jiān)測(cè)

農(nóng)作物葉面指數(shù)（LAI）和葉綠素含量（CHL.C）的高低能夠反映植物的生長(zhǎng)狀況，同時(shí)也可以作為監(jiān)測(cè)植物是否處于受脅迫或被外界環(huán)境因子干擾的指標(biāo)。當(dāng)農(nóng)作物發(fā)生病蟲害時(shí)，植物葉片的葉面指數(shù)及葉綠素含量都會(huì)降低，利用遙感技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并與正常植物的波段進(jìn)行比對(duì)，能夠以此判斷出農(nóng)作物的受災(zāi)害程度。據(jù)了解，全世界每年約有20%～40%的糧食被病蟲害侵蝕，我國(guó)也是農(nóng)業(yè)病蟲害頻發(fā)、廣發(fā)的國(guó)家，借助遙感技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)快速、動(dòng)態(tài)、無損、大面積地農(nóng)作物病蟲監(jiān)測(cè)，結(jié)合其它自然災(zāi)害模型，還能對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的旱災(zāi)、洪澇、凍害等發(fā)生、發(fā)展、災(zāi)情、損失等進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

3.2 GPS在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

GPS可持續(xù)、實(shí)時(shí)地向用戶提供精準(zhǔn)的三維位置、三維速度和時(shí)間信息，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中主要應(yīng)用于智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)中。為了提高精度，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)廣泛采用了DGPS（Differential Global Positioning System）技術(shù)，即“差分校正全球衛(wèi)星定位技術(shù)”，這類產(chǎn)品定位精度一般可達(dá)分米和米級(jí)。將GPS接收機(jī)與農(nóng)田機(jī)械相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)精確定位、田間作業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航和測(cè)量地形起伏狀況的功能。

3.2.1 地質(zhì)測(cè)繪

GPS在使用過程中受地形的影響很小，精度又高，可以利用這一特性在農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)時(shí)對(duì)所屬地形進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)繪，并對(duì)地形地勢(shì)準(zhǔn)確分析，有助于后續(xù)的一系列田間耕作。

3.2.2 土壤養(yǎng)分分布調(diào)查

結(jié)合采樣車輛在農(nóng)作物播種前對(duì)農(nóng)田中的土壤進(jìn)行采樣，GPS接收機(jī)通過將采集的土壤樣品點(diǎn)位置精準(zhǔn)定位并錄入計(jì)算機(jī)，即可得到土壤樣品點(diǎn)位分布情況，有助于對(duì)不同地區(qū)、土壤差別和土壤中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對(duì)分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微量元素與有機(jī)化肥的科學(xué)配比。

3.2.3 精準(zhǔn)施肥、灌溉及耕作

依據(jù)農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量分布情況實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物施肥的科學(xué)配比，搭配GPS接收機(jī)的噴施器即可實(shí)現(xiàn)田間精確施肥。同樣，利用GPS動(dòng)態(tài)定位及GIS的系統(tǒng)命令，結(jié)合其它農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)，可在田間作業(yè)時(shí)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉以及精準(zhǔn)耕作。如，歐美一些國(guó)家在收割機(jī)上安裝DGPS和GIS，通過DGPS進(jìn)行精準(zhǔn)定位和高度測(cè)量，利用GIS記錄和顯示收割機(jī)的當(dāng)前位置、農(nóng)田單位面積產(chǎn)量和地面地形起伏情況。

3.3 GIS在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

GIS作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的主導(dǎo)部分，是3S體系的“大管家”，可以用于農(nóng)田土地?cái)?shù)據(jù)管理，對(duì)土壤、自然條件、作物苗情、作物產(chǎn)量等情況實(shí)時(shí)查詢，并以此快速繪制各種農(nóng)業(yè)專題地圖，同時(shí)還能對(duì)不同類型的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、編輯及統(tǒng)計(jì)分析。

3.3.1 農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)管理

GIS是空間數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng)，是對(duì)農(nóng)業(yè)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯和管理的空間信息系統(tǒng)，可以用于農(nóng)田數(shù)據(jù)管理，即可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤狀況、自然條件、作物長(zhǎng)勢(shì)、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)的查詢。如，歐美國(guó)家在使用安裝DGPS和GIS的新型收割機(jī)進(jìn)行農(nóng)間收割作業(yè)時(shí)，實(shí)時(shí)記錄收割機(jī)的位置，并依據(jù)產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)自動(dòng)稱出農(nóng)作物的重量，糧倉(cāng)中農(nóng)作物流入速度和流出的總量也可通過量?jī)x器隨時(shí)測(cè)出，這些數(shù)據(jù)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄并傳遞給收割機(jī)操控室。

3.3.2 農(nóng)業(yè)專題地圖分析

依據(jù)采集的各種離散農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)、GPS傳感器的數(shù)學(xué)計(jì)算，形成各種類型的農(nóng)業(yè)專題地圖，再利用GIS復(fù)合疊加功能將不同的專題數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，形成新的數(shù)據(jù)集以便于綜合分析。如，對(duì)土壤類型、水分分布、地形、農(nóng)作物覆蓋面積等進(jìn)行專題數(shù)據(jù)采集，并將這些不同類型的點(diǎn)、線、面進(jìn)行空間重疊，建立不同數(shù)據(jù)在空間上的聯(lián)系，有助于決策者數(shù)字化和可視化分析。

4 3S技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用中面臨的問題與解決途徑 ?我國(guó)雖是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但并不是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)，我國(guó)人均可耕地面積少、資源利用率低、自然災(zāi)害頻繁，受農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展進(jìn)程的制約，我國(guó)3S技術(shù)在20世紀(jì)70年代末才開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。而美國(guó)是最早在收割機(jī)上安裝全球定位系統(tǒng)的國(guó)家，德國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的使用率已超過了90%。相較于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)3S技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的廣度跟深度還有一定差距。

4.1 農(nóng)業(yè)規(guī)模化經(jīng)營(yíng)

受家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制制約，目前我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大多是每家每戶“各自為政”，難以形成規(guī)模，先進(jìn)的大型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)施難以推廣，不利于3S技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有效管理。這就需要加快農(nóng)業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，推進(jìn)農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)，放大生產(chǎn)單位，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)規(guī)模化、集約化、高效化經(jīng)營(yíng)。

4.2 優(yōu)化3S技術(shù)集成

相較于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)高新農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備比較少、使用率低，3S技術(shù)與高新農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備結(jié)合不緊密，且3S技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域一體化集成程度不高，如空間坐標(biāo)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)時(shí)間線不一致、受制于計(jì)算機(jī)硬件等原因，3S技術(shù)在應(yīng)用過程中大部分停留在各“S”之間的功能互補(bǔ)，難以形成高度自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化、智能化的3S系統(tǒng)。因此，要進(jìn)一步加強(qiáng)農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)，加大3S技術(shù)研究資金投入及高新農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備投入，注重3S技術(shù)集成與農(nóng)業(yè)相銜接，促進(jìn)農(nóng)業(yè)建設(shè)發(fā)展。

4.3 注重專業(yè)人才培養(yǎng)

遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)及全球定位系統(tǒng)都是高科技手段，需要專業(yè)性的人才進(jìn)行操作，但我國(guó)目前從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)人員中這類專業(yè)人才少之又少，難以將此項(xiàng)技術(shù)推廣到基層農(nóng)民手中。所以，要加大3S技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的廣度，就必須注重相關(guān)人才的培養(yǎng)，要加強(qiáng)與高校、科研機(jī)構(gòu)的合作，壯大農(nóng)業(yè)專業(yè)人才隊(duì)伍。

5 前景展望

在信息化時(shí)代，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)代表著農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向，而3S技術(shù)作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基石，是目前世界上公認(rèn)的一項(xiàng)高新技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)這一目標(biāo)具有重要意義。雖然目前我國(guó)在3S技術(shù)發(fā)展和農(nóng)業(yè)應(yīng)用上還有不足，但隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，3S技術(shù)必然能夠克服各種障礙，助力于提升我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力，優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，有效緩解資源短缺困境，最終實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高產(chǎn)量、低消耗、環(huán)保的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

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（責(zé)任編輯 ?賈燦）