基于GIS的田間精細(xì)化管理

摘" 要：該文介紹基于GIS的田間精細(xì)化管理平臺的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。以玉米田間種植指標(biāo)的數(shù)字化為基礎(chǔ)，采集田間種植過程關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，獲取環(huán)境要素信息，對田間空間數(shù)據(jù)通過GIS進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理和分析，用以制定種植計劃、規(guī)范田間管理、保證品種質(zhì)量、建立種植績效考核體系及提高工作效率。同時，當(dāng)進(jìn)入種子加工廠后，通過產(chǎn)品數(shù)字化技術(shù)及質(zhì)量追溯平臺，對產(chǎn)品生產(chǎn)加工、包裝對應(yīng)、倉庫管理、訂單、物流和銷售等各個環(huán)節(jié)的信息進(jìn)行有效采集、對應(yīng)和管理，從而進(jìn)行產(chǎn)品生命周期的全程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)物流跟蹤、質(zhì)量控制及追溯等功能。

關(guān)鍵詞：GIS；種植指標(biāo)；精細(xì)化管理；標(biāo)準(zhǔn)化流程；田間種植

中圖分類號：S36" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2023）18-0017-04

Abstract： This paper introduces the design and implementation of field fine management platform based on GIS. Based on the digitalization of corn field planting index， the key index data of field planting process are collected， the environmental factor information is obtained， and the field spatial data are transformed， processed and analyzed by GIS， which can be used to make planting plan， standardize field management， ensure variety quality， establish planting performance appraisal system and improve work efficiency. At the same time， after entering the seed processing plant， through the product digital technology and quality traceability platform， we can effectively collect， correspond and manage the information of product production and processing， packaging correspondence， warehouse management， order， logistics， sales and other links， so as to monitor the whole product life cycle and realize the functions of logistics tracking， quality control and traceability.

Keywords： GIS; planting index; fine management; standardized process; field planting

發(fā)展民族種業(yè)是實(shí)現(xiàn)中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，黨的十八大以來，習(xí)近平總書記多次就種業(yè)振興作出重要指示，在海南省三亞市崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室考察調(diào)研時強(qiáng)調(diào)：“只有用自己的手攥緊中國種子，才能端穩(wěn)中國飯碗，才能實(shí)現(xiàn)糧食安全。[1]”為種業(yè)改革發(fā)展指明方向。玉米種子質(zhì)量（例如種子的純度、芽率等）絕大部分取決于在田間的種植技術(shù)及過程管理，如果種子在田間本身就長得不好，質(zhì)量差，后期加工技術(shù)再好也沒用。田間管理在玉米種植過程中是一項(xiàng)極其重要的工作，包含了種子從播種到采收的生產(chǎn)過程。在此過程中，一方面要千方百計滿足種子對水、肥、光、熱和氣等方面的要求，確保種子生長發(fā)育的正常；另一方面積極防御旱、澇、風(fēng)、霜、雹、凍、病蟲和雜草等危害，確保了種子的正常生長[2]。本文基于地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）的田間種植精細(xì)化管理系統(tǒng)，對制種的田間種植全過程實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控，從地溫測定、播種、灌溉、施肥、中耕、苗期管理、去雄去雜、產(chǎn)量預(yù)測到收獲的全過程實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化管理，提升種子的品質(zhì)（純度、芽率等），同時保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和土地等農(nóng)業(yè)資源，提高我國種業(yè)整體信息化水平，進(jìn)而推動我國種業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。

基于GIS的田間精細(xì)化管理平臺立足于數(shù)字化信息技術(shù)，對種子產(chǎn)量、性狀、品質(zhì)等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)各類資源數(shù)據(jù)的集中存儲和統(tǒng)一管理。同時，在種子生產(chǎn)前、生產(chǎn)中、生產(chǎn)后期，通過各類傳感器和智能化物聯(lián)設(shè)備，對氣象環(huán)境數(shù)據(jù)、土壤墑情數(shù)據(jù)、病蟲害信息、監(jiān)控影像和儀器檢驗(yàn)數(shù)據(jù)等進(jìn)行實(shí)時展示與分析，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象災(zāi)害和病蟲害防御提供了科學(xué)依據(jù)，利用科技手段節(jié)藥節(jié)肥，推動農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展[3]。

1" 田間管理量化指標(biāo)

提高種子的產(chǎn)量和質(zhì)量，是種子生產(chǎn)的首要任務(wù)。影響種子產(chǎn)量和質(zhì)量的因素有很多，比如土壤質(zhì)量，貧瘠的土壤在先天條件上就限制了種子的豐產(chǎn)。品種選擇也很重要，一定要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件選擇合適的品種，否則也會影響產(chǎn)量。除了上述外在條件外，科學(xué)的田間管理也是必不可少的。種植高手和一般人的差別就在田間管理的操作上。

就玉米種植來說，農(nóng)作物學(xué)者根據(jù)玉米的生長發(fā)育規(guī)律，以及針對玉米各個生長發(fā)育時期的要求和特點(diǎn)，制定玉米田間種植的主要生產(chǎn)量化指標(biāo)（控制點(diǎn)），見表1[4]。

2" 標(biāo)準(zhǔn)化管理流程

種子質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到制種的成敗。只有培育性狀優(yōu)良、整齊一致、配合力高的種子，才能培植優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)良品種[5]。種子在播種、種植、收獲、加工、包裝、運(yùn)輸和儲藏等環(huán)節(jié)都要按照種子安全標(biāo)準(zhǔn)建立嚴(yán)格的管理制度，實(shí)行專人操作，明顯標(biāo)記，安全隔離，防止混入異系、異品種籽粒，抓好種子質(zhì)量檢驗(yàn)，加強(qiáng)種子收貯管理。

根據(jù)玉米種植需求，建立田間標(biāo)準(zhǔn)化管理流程，如圖1所示。該流程一經(jīng)啟動，田間精細(xì)化管理平臺將自動進(jìn)行任務(wù)創(chuàng)建、分配與跟蹤。工作人員可在手機(jī)上收到平臺發(fā)布的任務(wù)指令，并按任務(wù)要求進(jìn)行農(nóng)事操作與工作匯報。同時，管理者亦能在平臺中對工作人員進(jìn)行任務(wù)派發(fā)與工作效率監(jiān)督，隨時隨地了解田間生產(chǎn)情況。

3" 數(shù)據(jù)采集

從播種開始，對每一個制種地塊進(jìn)行采集繪圖，采集的方式主要有即刻和自動2種：對于規(guī)則的地塊，采用即刻采集，即通過控制點(diǎn)模式采集地塊邊角處坐標(biāo)，形成地塊輪廓并計算地塊面積；對于不規(guī)則的地塊，采用自動采集，即通過測繪終端App+厘米級RKT，圍繞實(shí)地地塊進(jìn)行測繪。地塊采集如圖2所示。

并對每一個采集的地塊進(jìn)行唯一的編號，按照地塊編號進(jìn)行田間生產(chǎn)過程的管理，每個地塊都采集播種、間距、間苗、苗期、去雄、父本割除、病蟲防治、灌溉及施肥等各個環(huán)節(jié)的詳細(xì)的數(shù)據(jù)，地塊編號還將被使用到田間鮮穗采收、收購點(diǎn)過磅、收獲數(shù)據(jù)統(tǒng)計的過程中，數(shù)據(jù)采集界面如圖3所示。

通過在田間基地部署傳感器、控制器、攝像頭等多種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，借助個人電腦、智能手機(jī)，就能實(shí)現(xiàn)對種植現(xiàn)場氣候變化、土壤狀況、作物生長、水肥使用和設(shè)備運(yùn)行等實(shí)時監(jiān)測展示，對異常情況的自動報警提醒，技術(shù)員可及時采取防控措施，降低生產(chǎn)風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)，減少人工成本的投入。

系統(tǒng)提供了多種數(shù)據(jù)采集方式：人工錄入、掃描條形碼、批量文件導(dǎo)入、與工控設(shè)備接口獲取和與其他生產(chǎn)/檢驗(yàn)系統(tǒng)（如水分儀等）接口獲取等多種數(shù)據(jù)采集方式。

管理者登錄系統(tǒng)，即可快速通過圖片、文字、實(shí)時視頻等方式，查看種植過程信息。

通過采集的數(shù)據(jù)，技術(shù)員可在平臺上向?qū)＜疫M(jìn)行遠(yuǎn)程技術(shù)咨詢，以獲取專家的指導(dǎo)。

4" 數(shù)據(jù)可視化

空間數(shù)據(jù)的可視化涉及到計算機(jī)圖形窗口的管理、圖形窗口的空間坐標(biāo)變換、色彩管理、符號庫管理、窗口的放大縮小、漫游操作及繪圖設(shè)備的連接等。窗口管理、窗口的放大縮小、漫游等屬于計算機(jī)方面的技術(shù)，而且不同的軟件，實(shí)現(xiàn)機(jī)制不完全相同。

基地的田間地塊具有地理實(shí)體的空間分布特性，通常用點(diǎn)、線、面3種類型來表示，可以通過矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲。為了實(shí)現(xiàn)對基地所有的田間地塊之間的空間關(guān)系的處理，并進(jìn)行空間分析，需要用點(diǎn)、線、面3種簡單空間實(shí)體構(gòu)建地塊的拓?fù)淠Ｐ停負(fù)淠Ｐ褪堑貕K的數(shù)據(jù)處理和分析的基礎(chǔ)[6]。

圖2" 地塊采集

地圖庫模塊存儲各田間地塊的數(shù)字化圖，數(shù)字化地圖可以通過轉(zhuǎn)換CAD數(shù)據(jù)獲得，也可以讀取地理數(shù)據(jù)庫中的要素類，生成田間地塊的數(shù)字化圖，其格式是在MapControl里加載的.shp文件或.mxd地圖文檔。

本文研發(fā)的田間精細(xì)化管理平臺，是將GIS與動態(tài)的Web應(yīng)用結(jié)合，形成一個在Internet環(huán)境下存儲、處理、分析、顯示和應(yīng)用地理信息的計算機(jī)信息系統(tǒng)[7]。它通過采集田間地塊的各種傳感器的實(shí)時參數(shù)，并將參數(shù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫，GIS管理系統(tǒng)分析和顯示當(dāng)前田間地塊生產(chǎn)（播種、苗期、去雄、灌溉和施肥等）情況。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由3個部分組成，即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理3個部分。數(shù)據(jù)采集在上一節(jié)已經(jīng)介紹，數(shù)據(jù)通過線路傳輸，數(shù)據(jù)處理是以GIS為數(shù)據(jù)處理平臺的控制中心。

5" 數(shù)據(jù)追溯與質(zhì)量管理

田間鮮穗進(jìn)入種子加工廠后，通過建立大數(shù)據(jù)信息平臺，構(gòu)建從品種培育到種子零售的數(shù)據(jù)鏈，用信息化貫穿種業(yè)管理全過程。通過過程數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，與全國信息平臺對接和數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)可查詢、可追溯。

以傳統(tǒng)質(zhì)量管理理論為基礎(chǔ)，全面地將設(shè)備、環(huán)境、生產(chǎn)和檢測等各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)納入質(zhì)量分析范疇，構(gòu)建面向全信息表達(dá)關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)的質(zhì)量數(shù)據(jù)分析體系。基于產(chǎn)品生產(chǎn)過程的各種質(zhì)量檢測手段和產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)的自動采集、自動判斷、自動統(tǒng)計分析報表及自動通知預(yù)警。如果出現(xiàn)異常，可以自動提醒生產(chǎn)管理人員采取措施，避免批次質(zhì)量事故發(fā)生，減少損失成本，以獲得持續(xù)改進(jìn)的質(zhì)量狀況和優(yōu)良率的提升。

通過質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果見表2。一方面能夠?qū)⒏黝悪z測中的問題及解決方法固化為知識，提高解決問題的效率；另一方面，將各類質(zhì)量問題定位到相關(guān)工序后，通過對生產(chǎn)工序的監(jiān)控，可以大大減少各類質(zhì)量問題發(fā)生的概率。

6" 結(jié)束語

基于GIS的田間精細(xì)化管理平臺的建立，可以對田間種植過程與環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，及時獲取各個傳感器的真實(shí)數(shù)字化信息，并利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)將歷史數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以及空間位置數(shù)據(jù)同時存儲，實(shí)現(xiàn)兩者的空間關(guān)聯(lián)，這樣，品種的性狀數(shù)據(jù)可以更加真實(shí)和直觀地展現(xiàn)。通過對這些數(shù)字化信息的分析和模擬，不僅增加了企業(yè)決策和各種生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)劃的科學(xué)性，同時還減少了人為因素造成的決策失誤，大大提高了生產(chǎn)管理水平和企業(yè)建設(shè)的科技含量，最終促進(jìn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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