【摘 要】精細(xì)農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，也是農(nóng)業(yè)的主要研究方向。從精細(xì)農(nóng)業(yè)的思想內(nèi)涵為入口，主要介紹3S技術(shù)以及各自在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，并討論3S集成技術(shù)在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的作用，并指出3S技術(shù)在精細(xì)農(nóng)業(yè)中面臨的主要問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】3S技術(shù)；精細(xì)農(nóng)業(yè)；應(yīng)用；發(fā)展現(xiàn)狀

0.引言

我國(guó)是世界上最重要的農(nóng)業(yè)國(guó)之一，用占世界7%的耕地面積養(yǎng)活了世界22%的人口。農(nóng)業(yè)是一個(gè)國(guó)家的基本產(chǎn)業(yè)，依據(jù)農(nóng)業(yè)地域分布規(guī)律，因地制宜發(fā)展農(nóng)業(yè)，合理利用農(nóng)業(yè)資源，發(fā)揮地區(qū)優(yōu)勢(shì)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本原則和規(guī)律。農(nóng)業(yè)的發(fā)展呼吁新的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)需要高新技術(shù)的支持。精細(xì)農(nóng)業(yè)代表著農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向，也是農(nóng)業(yè)研究的重點(diǎn)。

1.精細(xì)農(nóng)業(yè)

1.1精細(xì)農(nóng)業(yè)的核心思想

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的管理是針對(duì)某一片土地的管理，而忽略了大多數(shù)土地都存在的時(shí)空差異。精細(xì)農(nóng)業(yè)是隨著信息技術(shù)水平的提高而出現(xiàn)的，它是一種戰(zhàn)略思想，是信息和人工智能等高新技術(shù)在大農(nóng)業(yè)中的微觀和宏觀運(yùn)用。其核心意圖是實(shí)時(shí)測(cè)知作物（畜禽）個(gè)體、小群體、小區(qū)地塊生長(zhǎng)或防疫的是實(shí)際需要，而及時(shí)確定針對(duì)性投入（肥、水、藥、飼料等）的量、質(zhì)、和時(shí)機(jī)，一反傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大群體大面積平均投入的作法，以求最佳效果而付出最低資源成本。

其技術(shù)思想是獲取農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和影響作物生長(zhǎng)的環(huán)境因素（如土壤結(jié)構(gòu)、地形、土壤營(yíng)養(yǎng)、含水量、病蟲(chóng)草害等）實(shí)際存在的空間和時(shí)間差異性信息，分析影響小區(qū)產(chǎn)量差異的主要原因，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合算的調(diào)控措施，區(qū)別對(duì)待，按需實(shí)施定位調(diào)控的“處方農(nóng)作”。

1.2精細(xì)農(nóng)業(yè)的主要技術(shù)支持

要實(shí)現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)，目前采用的關(guān)鍵技術(shù)有全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感(RS)、傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)等。而由前三項(xiàng)構(gòu)成的及“3S”技術(shù)，它是精細(xì)農(nóng)業(yè)進(jìn)行抽樣調(diào)查，獲取作物生長(zhǎng)的各種影響因素信息的重要技術(shù)手段之一。通過(guò)“3S”技術(shù)，可以實(shí)時(shí)采集時(shí)間、空間變化數(shù)據(jù)，繪制電子地圖，并加工處理形成管理設(shè)計(jì)，并對(duì)精細(xì)農(nóng)業(yè)的效果、效益進(jìn)行評(píng)估。

1.3在3S技術(shù)支持下的精細(xì)農(nóng)業(yè)特點(diǎn)

1.3.1技術(shù)性強(qiáng)

3S技術(shù)涉及到電磁波理論、圖像處理、圖像解譯、計(jì)算機(jī)硬件與軟件技術(shù)、空間分析技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航原理、測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域，將這些理論、方法和技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)合，具有很強(qiáng)的技術(shù)性。

1.3.2定量化

3S技術(shù)應(yīng)用使新型農(nóng)田作業(yè)機(jī)械中的計(jì)算機(jī)可以根據(jù)不同的土質(zhì)、作物的長(zhǎng)勢(shì)和其他農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)精確地控制種子、肥料、農(nóng)藥等的用量等。

1.3.3定位化

GPS可提供準(zhǔn)確定位，具有GPS導(dǎo)航儀的農(nóng)業(yè)機(jī)械，在經(jīng)過(guò)每塊土地時(shí)，都記錄下了作物的各種數(shù)據(jù)。農(nóng)民分析這些資料，就能制定出對(duì)每塊土地內(nèi)的作物或土壤區(qū)別對(duì)待的田間耕作和管理計(jì)劃，把計(jì)劃輸入到農(nóng)田作業(yè)機(jī)械的計(jì)算機(jī)里。在GPS定位系統(tǒng)的協(xié)助下，農(nóng)田機(jī)械可以根據(jù)不同地塊的差別，自動(dòng)調(diào)節(jié)種子、肥料和化學(xué)劑的投放量。

2.3S技術(shù)在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的綜合應(yīng)用

2.1 GIS在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)（GIS）是用于存儲(chǔ)、分析、處理和表達(dá)地理信息系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)。它在精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中主要用于建立農(nóng)田土地管理，土壤數(shù)據(jù)、自然條件、作物苗情、病蟲(chóng)草害等發(fā)生發(fā)展趨勢(shì)、作物產(chǎn)量的空間分布等的空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)和進(jìn)行空間信息的地理統(tǒng)計(jì)處理、圖形轉(zhuǎn)換與表達(dá)等，為分析差異性和實(shí)施調(diào)控提供處方信息。

其在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)GIS是精細(xì)農(nóng)業(yè)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作平臺(tái)，起到大腦和神經(jīng)中樞的作用。精細(xì)農(nóng)業(yè)作為一個(gè)完整的大系統(tǒng)，各種農(nóng)業(yè)資源數(shù)據(jù)都通過(guò)GIS流入、決策、控制、流出。GIS作為精細(xì)農(nóng)業(yè)的核心組件，將RS、GPS、專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等組合起來(lái)。

(2)GIS可以作為農(nóng)田空間數(shù)據(jù)庫(kù)的管理系統(tǒng)。在精確農(nóng)業(yè)中，GIS用于農(nóng)田土地?cái)?shù)據(jù)管理，查詢土壤、自然條件、作物苗情、作物產(chǎn)量等數(shù)據(jù)，也能采集、編輯、統(tǒng)計(jì)分析不同類型的空間數(shù)據(jù)。

(3)繪制作物產(chǎn)量分布圖。安裝GPS的新型聯(lián)合收割機(jī)，在田間收割農(nóng)作物時(shí)，每隔一定時(shí)間記錄下聯(lián)合收割機(jī)的位置，同時(shí)產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)隨時(shí)自動(dòng)稱出農(nóng)作物的重量，置于糧倉(cāng)中的計(jì)量?jī)x器能測(cè)出農(nóng)作物流入儲(chǔ)存?zhèn)}的速度及已經(jīng)流出的總量，這些結(jié)果隨時(shí)在駕駛室的顯示屏上顯示出來(lái)，并被記錄在地理數(shù)據(jù)庫(kù)中。利用這些數(shù)據(jù)，在地理信息系統(tǒng)支持下，可以制作農(nóng)作物產(chǎn)量分布圖。

(4)農(nóng)業(yè)專題圖分析。通過(guò)GIS提供的復(fù)合疊加功能，將不同農(nóng)業(yè)專題數(shù)據(jù)組合在一起，形成新的數(shù)據(jù)集。通過(guò)對(duì)其分析，可以分析出土地上各種限制因子對(duì)作物的相互作用與相互影響，從中可以發(fā)現(xiàn)它們之間的關(guān)系。

2.2 GPS在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

GPS在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的作用包括精確定位、田間作業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航和測(cè)量地形起伏狀況.精細(xì)農(nóng)業(yè)中的GPS主要是用來(lái)確定田間地塊土壤信息采樣點(diǎn)位置，然后結(jié)合其土壤的含水量、氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)、病蟲(chóng)害等不同信息的分布情況，輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的灌溉、施肥、噴藥等田間操作。另外在翻耕機(jī)、播種機(jī)、田間取樣機(jī)、施肥噴藥機(jī)、收獲機(jī)等農(nóng)具上安裝GPS，可以精確指示機(jī)具所在位置坐標(biāo)，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)和管理起導(dǎo)航作用，從根本上來(lái)說(shuō)是提供三維位置和時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)以上功能， GPS需要與農(nóng)田機(jī)械結(jié)合，隨著農(nóng)田機(jī)械在田間作業(yè)，同時(shí)進(jìn)行精確定位、田間作業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航和測(cè)量地形起伏。由于具有精確定位功能，農(nóng)業(yè)機(jī)械可以將作物需要的肥料送到準(zhǔn)確的位置，也可以將農(nóng)藥噴灑到準(zhǔn)確位置。這不僅有助于提高作物產(chǎn)量，也可以降低肥料和農(nóng)藥的消耗。

2.3 RS在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的作用

遙感（RS）是在不接觸物體的情況下利用傳感器接收的物體的電磁波特性，來(lái)識(shí)別物體及其存在的環(huán)境條件的技術(shù)。

相對(duì)傳統(tǒng)的觀測(cè)技術(shù)，RS具有以下的特點(diǎn)：

(1)可以進(jìn)行大面積的同步觀測(cè)。比如，一幀美國(guó)Landsat圖像覆蓋面積為185km*185km，5～6min即可掃描完成，而一幀同步氣象衛(wèi)星可覆蓋1/3的地球表面。

(2)可以短時(shí)期內(nèi)重復(fù)觀測(cè)。地球同步軌道衛(wèi)星可以每30min對(duì)地面觀測(cè)一次。

(3)進(jìn)行全天候觀測(cè)。遙感所使用的寬的電磁波波段可以大大超出人眼所能觀測(cè)的可見(jiàn)光范圍，在微波范圍內(nèi)，傳感器可不受制于晝夜和天氣變化。

(4)觀測(cè)精度高。航天照片的分辨率可以達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)。

這些特點(diǎn)使遙感技術(shù)可以客觀、準(zhǔn)確、及時(shí)地提供作物生態(tài)環(huán)境和作物生長(zhǎng)的各種信息。它是精細(xì)農(nóng)業(yè)獲取田間數(shù)據(jù)的重要來(lái)源。遙感技術(shù)在精細(xì)農(nóng)業(yè)中主要應(yīng)用于以下幾方面。

(1)農(nóng)作物播種面積檢測(cè)和估算。遙感可實(shí)時(shí)記錄農(nóng)作物覆蓋面積數(shù)據(jù)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)可以對(duì)農(nóng)作物分類，并在此基礎(chǔ)上可以估算出每種作物的播種面積。

(2)監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)和估算作物產(chǎn)量。利用遙感技術(shù)在作物生長(zhǎng)不同階段進(jìn)行觀測(cè)，獲得不同時(shí)間序列的圖像。農(nóng)田管理者可以通過(guò)遙感提供的信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)作物生長(zhǎng)中出現(xiàn)的問(wèn)題，采取針對(duì)性措施進(jìn)行田間管理。還可以根據(jù)不同時(shí)間序列的遙感圖像，了解不同生長(zhǎng)階段中作物的長(zhǎng)勢(shì)，提前預(yù)測(cè)作物產(chǎn)量。

(3)作物生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)。利用遙感技術(shù)可以對(duì)土壤侵蝕面積、土壤鹽堿化面積、主要分布區(qū)域以及土地鹽堿化變化趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。也可以對(duì)土壤水和其他作物生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這些信息有助于田間管理者采取相應(yīng)的措施。

(4)災(zāi)害損失評(píng)估。氣候異常對(duì)作物生長(zhǎng)具有一定的影響。利用遙感技術(shù)可以監(jiān)測(cè)與定量評(píng)估作物受災(zāi)程度，對(duì)作物損失進(jìn)行評(píng)估，然后針對(duì)具體受災(zāi)情況，進(jìn)行補(bǔ)種、澆水、施肥或排水等抗災(zāi)措施。

2.3 3S集成技術(shù)在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

全球定位系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是精確定位，地理信息系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是管理和分析，遙感的優(yōu)勢(shì)是快速提供各種作物生長(zhǎng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境在地表的分布信息。它們可以做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，促進(jìn)精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

GPS可以確定農(nóng)業(yè)機(jī)械在田間作業(yè)中的精確位置， GIS可對(duì)各種田間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，二者結(jié)合為科學(xué)種田提供了所需要的定位和定量的技術(shù)手段，進(jìn)行田間作業(yè)和田間管理。例如，地理信息系統(tǒng)能夠根據(jù)地塊中土壤特性和土地條件，結(jié)合GPS提供的位置數(shù)據(jù)，指揮播種機(jī)進(jìn)行定量播種，確定播種的疏密程度。在GIS和GPS指揮下，農(nóng)藥噴灑機(jī)可以去病蟲(chóng)害發(fā)生地自動(dòng)噴灑農(nóng)藥。

RS和GIS結(jié)合提供了多種數(shù)據(jù)源，這為建立農(nóng)田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)奠定了基礎(chǔ)。農(nóng)田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是農(nóng)田科學(xué)管理的基礎(chǔ)。搭載在農(nóng)田機(jī)械上的地理信息系統(tǒng)，可以記錄下各種農(nóng)田操作過(guò)程中的數(shù)據(jù)，如作物品種、播種深度、噴灑農(nóng)藥類型、施肥和灌溉以及收獲產(chǎn)量，同時(shí)記錄下田間作業(yè)時(shí)的位置與范圍、灌溉量、化肥使用量、農(nóng)藥噴灑量、噴施部位、使用時(shí)間、當(dāng)天天氣狀況。通過(guò)RS，則可以獲得作物生長(zhǎng)情況、作物生態(tài)環(huán)境等數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)都記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，日積月累就形成了農(nóng)田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.結(jié)束語(yǔ)

可以說(shuō)，精細(xì)農(nóng)業(yè)是在遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)技術(shù)推動(dòng)下發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代農(nóng)田精耕細(xì)作技術(shù)，它代表了未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要方向。3S技術(shù)在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，面臨的主要問(wèn)題有:農(nóng)業(yè)遙感圖像的解譯技術(shù)的完善、農(nóng)田作業(yè)定位精度的提高、農(nóng)田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的更新，以及農(nóng)田機(jī)械與3S技術(shù)的集成。 [科]

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