GIS在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展及展望

陳 戀， 周衛(wèi)軍*， 余 德， 曾花雨， 王凡榮， 樊滕芳

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410128)

摘要精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是近年來國(guó)際上農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，是現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施與新近發(fā)展的高新技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，其核心技術(shù)是地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、遙感技術(shù)(RS)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。該研究通過文獻(xiàn)梳理，介紹了GIS在農(nóng)田環(huán)境要素信息采集、農(nóng)田空間數(shù)據(jù)庫的建立、農(nóng)田空間數(shù)據(jù)分析與專題制圖和管理決策支持系統(tǒng)建立等方面的應(yīng)用概況，指出了當(dāng)前GIS應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)時(shí)存在的問題和不足，并提出了GIS在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)和方向。

關(guān)鍵詞GIS；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)；數(shù)字農(nóng)業(yè)；展望

中圖分類號(hào)S127

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)

作者簡(jiǎn)介陳戀(1991- )，女，湖南湘鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向：土地資源與環(huán)境信息技術(shù)。*

收稿日期2015-06-11

Application Progress and Prospect of GIS in Precision Agriculture

CHEN Lian,ZHOU Wei-jun*,YU De et al(College of Resources and Environment,Hunan Agricultural University,Changsha,Hunan 410128)

AbstractPrecision agriculture has attracted much attention in agricultural science research in recent years,it is the organic combination of the existing agricultural production measures and the newly developed high and new technologies,the core technologies include GIS,GPS,RS and computer automatic control system.Through literature review,this paper focuses on the applications of GIS in farmland environmental element information collection,the establishment of the spatial database in the farmland,farmland spatial data analysis and thematic mapping,the establishment of a management decision support system.The problems and deficiencies existed of GIS applications in precision agriculture are pointed out,and the direction and tendency of the domain are also proposed.

Key words GIS technology; Precision agriculture; Digital agriculture; Outlook

為了科學(xué)管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，減少在生產(chǎn)過程中的過多投入避免浪費(fèi)，增加產(chǎn)量創(chuàng)造更多的利潤(rùn)，減少污染保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，學(xué)者們提出了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的理念，成為了農(nóng)業(yè)科學(xué)的研究熱點(diǎn)[1]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)通過分析單元農(nóng)田的屬性差異，并結(jié)合先進(jìn)的技術(shù)的手段分析影響這些差異的原因，以便進(jìn)行農(nóng)田優(yōu)化管理[2]。針對(duì)農(nóng)地的基礎(chǔ)地力、水分、作物病蟲害、氣候等因素的不同，進(jìn)行相適宜的耕種、灌溉、施肥、除蟲、除草及收獲等，通過合理的投入帶來最好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的可持續(xù)發(fā)展[3]。

GIS是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的“大腦”，其通過信息存儲(chǔ)和管理功能能收集詳細(xì)的農(nóng)田信息，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供相應(yīng)的農(nóng)田管理數(shù)據(jù)庫。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，獲取農(nóng)田不同單元內(nèi)生產(chǎn)狀況及其自然環(huán)境差異信息是進(jìn)行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理的基礎(chǔ)。GIS的空間分析功能可以對(duì)農(nóng)田的基礎(chǔ)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、處理并制圖，為分析和調(diào)控提供直觀的農(nóng)田信息空間分布圖，輔助制定決策方案，形成農(nóng)田作物管理處方圖，分區(qū)指導(dǎo)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理[4-5]。

1GIS在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1農(nóng)田環(huán)境要素信息采集精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)建立在農(nóng)田環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)采集與分析的基礎(chǔ)之上[6]，傳統(tǒng)的農(nóng)田環(huán)境要素信息采集主要以定點(diǎn)觀測(cè)為主，耗資大、所需時(shí)間多，而精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中農(nóng)田環(huán)境要素信息采集采用的是以計(jì)算機(jī)為中心的自動(dòng)信息采集方法。通過傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、3S等技術(shù)的支持，工作者可以便捷地獲取農(nóng)田環(huán)境要素的基礎(chǔ)空間信息，如土壤肥力、土壤水分、作物病蟲害、自然災(zāi)害、作物信息等[7]。

1.1.1土壤信息采集。土壤信息采集包括土壤水分信息和N、P、K等養(yǎng)分信息采集。土壤水分是作物生長(zhǎng)的主要水源，及時(shí)掌握土壤的水分信息，是輔助進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉決策的重要依據(jù)。土壤養(yǎng)分在作物生長(zhǎng)發(fā)育中起著及其重要的作用，土壤養(yǎng)分信息的采集直接關(guān)系著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中農(nóng)田精準(zhǔn)養(yǎng)分管理，將實(shí)現(xiàn)基于農(nóng)田單元的推薦施肥成為可能，針對(duì)土壤養(yǎng)分豐缺進(jìn)行科學(xué)合理的施肥，減少投入并提高產(chǎn)量[8]。張淑娟基于3S技術(shù)研究了田間信息自動(dòng)采集方法，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，建立了作物產(chǎn)量與土壤屬性的關(guān)系模型[9]。鄭立華等基于GIS開發(fā)了土壤水分和土壤電導(dǎo)率的專題圖模塊，從而指導(dǎo)田間土壤信息采樣[10]。

1.1.2災(zāi)害信息采集。災(zāi)害信息采集包括作物病蟲害信息和自然災(zāi)害信息，其中作物病蟲害是作物的主要災(zāi)害之一，直接影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。作物病蟲害信息采集是實(shí)施變量施藥的基礎(chǔ)工作，可以有效地減少農(nóng)藥對(duì)農(nóng)作物及土壤的污染。劉向鋒等利用3S技術(shù)原理，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以移動(dòng)GIS手段為基礎(chǔ)的作物蟲害信息采集，并提供實(shí)時(shí)防治措施的診斷系統(tǒng)[11]。鄒金秋基于無線網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)技術(shù)，研究了對(duì)農(nóng)田參數(shù)實(shí)時(shí)采集、在線更新和農(nóng)情監(jiān)測(cè)的新方法[7]。

1.2農(nóng)田空間數(shù)據(jù)庫管理農(nóng)田環(huán)境要素信息類型多樣化，如數(shù)字地圖、遙感影像、空間圖形、圖像以及各種統(tǒng)計(jì)信息等，為便于管理、傳輸、統(tǒng)計(jì)分析海量的數(shù)據(jù)，GIS將每一種信息組成一個(gè)圖層，以數(shù)據(jù)庫的形式存儲(chǔ)，通過空間分析將多源數(shù)據(jù)信息組合形成新的圖層。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，GIS以獨(dú)立的圖層形式將土壤類型、地形地貌、土壤養(yǎng)分、化肥和農(nóng)藥等信息以及歷年產(chǎn)量數(shù)據(jù)等進(jìn)行存儲(chǔ)，分層建立農(nóng)田空間數(shù)據(jù)庫[12]。

農(nóng)田空間數(shù)據(jù)庫主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、專題數(shù)據(jù)庫、決策數(shù)據(jù)庫、元數(shù)據(jù)庫等，其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫包括農(nóng)田的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)等；專題數(shù)據(jù)庫包括農(nóng)業(yè)政策法規(guī)、畜牧專題數(shù)據(jù)庫等；知識(shí)庫中存儲(chǔ)數(shù)字農(nóng)業(yè)相關(guān)的專業(yè)模型及其參數(shù)、數(shù)據(jù)處理的公式、解決具體問題的知識(shí)規(guī)則；元數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)對(duì)農(nóng)田環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)字典的說明[13]。杜君基于ArcGIS平臺(tái)，以文件-關(guān)系混合結(jié)構(gòu)模式設(shè)計(jì)并建立了小麥生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫[14]。陳珂在總結(jié)了國(guó)際自然災(zāi)害數(shù)據(jù)庫建設(shè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)以及我國(guó)自然災(zāi)害數(shù)據(jù)庫建設(shè)存在的問題的基礎(chǔ)上，提出了長(zhǎng)江三角洲自然災(zāi)害數(shù)據(jù)庫的建設(shè)思路，完成了以ArcGIS為平臺(tái)的長(zhǎng)江三角洲自然災(zāi)害數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立了數(shù)據(jù)概念模型[15]。王海江等根據(jù)影響因子收集地圖、統(tǒng)計(jì)信息、數(shù)據(jù)資料，基于GIS系統(tǒng)分別建立了空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫[16]。Abdelfattah等建立了基于GIS的UAESIS土壤信息系統(tǒng)存儲(chǔ)和管理土壤數(shù)據(jù)，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)用地利用規(guī)劃[17]。

1.3農(nóng)田空間數(shù)據(jù)分析與專題制圖空間數(shù)據(jù)分析是GIS系統(tǒng)的核心，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，GIS數(shù)據(jù)庫中原始形式的田間信息可以通過GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、空間插值、空間分析等處理，得到指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各種農(nóng)田環(huán)境要素專題圖。

1.3.1農(nóng)田空間數(shù)據(jù)分析。GIS的空間分析包括空間量測(cè)與查詢、緩沖區(qū)分析、空間插值、疊置分析、表面分析、幾何分析等。其中幾何分析是地理信息系統(tǒng)最基本、最有效的分析功能之一，在農(nóng)業(yè)資源研究中應(yīng)用較廣。GIS的空間分析是挖掘數(shù)據(jù)的空間關(guān)系及其衍生出來的信息和新的知識(shí)的過程，其中以疊加分析、空間插值和緩沖區(qū)分析的應(yīng)用最為典型。

觀測(cè)站點(diǎn)收集到的往往是離散數(shù)據(jù)，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中往往需要利用這些數(shù)據(jù)的空間自相關(guān)性，采用空間插值方法將它們形成空間連續(xù)分布的數(shù)據(jù)，從而得出其空間分布規(guī)律。于婧在研究耕地土壤養(yǎng)分的空間變異性中，借助ArcGIS8.3軟件的地理統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行半方差結(jié)構(gòu)的擬合與插值，完成了趨勢(shì)面剔除與參數(shù)調(diào)整[18]。

疊置分析功能可將多個(gè)農(nóng)田環(huán)境要素信息整合，并可分析出各種因子之間的相互作用和影響以及它們之間的關(guān)系。李白鴿等通過GIS疊加分析功能，分析了江淮地區(qū)冬小麥的生產(chǎn)潛力，確定了其可增產(chǎn)區(qū)和增產(chǎn)幅度，指導(dǎo)了江淮地區(qū)冬小麥增產(chǎn)精準(zhǔn)管理[19]。Nourqolipour等通過建立基于GIS的模型分析了馬來西亞棕櫚油土地利用的時(shí)空發(fā)展[21]。Chanhda等運(yùn)用ArcGIS9.3中map algebra功能分析了老撾土地利用變化的空間動(dòng)態(tài)信息[22]。

1.3.2專題制圖。農(nóng)業(yè)專題地圖是獲取作物空間變異特征和實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)管理的最直觀的表達(dá)[23]。GIS能夠采用專題制圖將分析或查詢檢索結(jié)果表現(xiàn)的更為直觀，對(duì)不同的要素進(jìn)行符號(hào)化，使圖像信息可視化，如：土壤地力等級(jí)圖、土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施分布圖以及其他一些精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理所需的專題地圖。

張純潔使用凱斯AFS(Advanced Farming Systems)系統(tǒng)生成地塊谷物產(chǎn)量圖，對(duì)江漢平原的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式進(jìn)行了研究[24]。李楠等采用地理信息系統(tǒng)集成技術(shù)，開發(fā)了農(nóng)田旱情遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了旱情的可視化管理[25]。麻清源等基于ArcGIS的空間插值功能，運(yùn)用Kriging方法獲得了上海市農(nóng)工商現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)土壤屬性空間分布圖[26]。王寶峰利用ArcGIS軟件生成坡地植煙區(qū)土壤速效養(yǎng)分的空間變異分布圖[27]。

1.4管理決策支持系統(tǒng)的建立GIS的輔助決策功能是針對(duì)系統(tǒng)建立的目的，通過分析收集到的數(shù)據(jù)生成為管理生產(chǎn)的服務(wù)信息，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理決策支持系統(tǒng)能夠?qū)⑥r(nóng)田環(huán)境要素信息的空間分析結(jié)果與作物生產(chǎn)模型和專家知識(shí)庫結(jié)合，對(duì)產(chǎn)量的空間差異性進(jìn)行分析與診斷，繼而提出科學(xué)方案對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)要素投入調(diào)整至最優(yōu)[28]。

許鑫等利用GIS、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)在NET平臺(tái)上構(gòu)建了“基于WebGIS的小麥精準(zhǔn)施肥決策系統(tǒng)”[29]。于合龍等基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素的空間差異性，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)決策需求，建立了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)智能決策體系[30]。江厚龍等基于GIS設(shè)計(jì)了平頂山市郟縣烤田分區(qū)管理及烤煙推薦施肥模型[31]。

2GIS在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展中存在的主要問題

2.1信息化基礎(chǔ)設(shè)施不健全，農(nóng)民素質(zhì)不高目前，我國(guó)農(nóng)村信息化基礎(chǔ)設(shè)施普及度不高，農(nóng)村缺乏操作精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)設(shè)備的高學(xué)歷技術(shù)人才，使得精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展推廣力度不夠。隨著城鎮(zhèn)化水平的提高，農(nóng)村文化程度較高者紛紛進(jìn)城務(wù)工，留下來的務(wù)農(nóng)人員整體文化程度偏低。并且我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍以傳統(tǒng)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理方式為主，使得現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件難以滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)實(shí)施要求。

2.2成本過高，農(nóng)民購買力相對(duì)低下近年來，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)設(shè)備不斷推陳出新，農(nóng)田信息采集和數(shù)據(jù)處理的儀器、軟硬件設(shè)施和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量作業(yè)機(jī)械裝置等價(jià)格昂貴，在我國(guó)仍以家庭經(jīng)營(yíng)為主的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式下，大多數(shù)農(nóng)民的購買力不足以承擔(dān)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)所需的巨額投入，嚴(yán)重阻礙了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展與推廣。

2.3基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)踐依賴于大量的基礎(chǔ)地力數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)更新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素?cái)?shù)據(jù)，如土壤養(yǎng)分變化數(shù)據(jù)、耕作區(qū)災(zāi)害數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)遙感數(shù)據(jù)等，還需要大量生產(chǎn)區(qū)精確的氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如降雨量、光照、溫度等，由于這些數(shù)據(jù)的空間差異性太大，加大了這些數(shù)據(jù)的獲取難度。在面積遼闊的耕作區(qū)，需要布設(shè)更多的觀測(cè)站點(diǎn)及傳感器，加大了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)工程在數(shù)據(jù)獲取方面的投入。

3GIS應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要途徑，是糧食安全的重要保障[32]。隨著我國(guó)現(xiàn)代化信息技術(shù)的發(fā)展，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中GIS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面。

3.1“3S”技術(shù)集成成為必然趨勢(shì)RS是獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的重要手段，它有助于GIS數(shù)據(jù)更新，確保數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)可用性，尤其是在資源環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和氣象災(zāi)害預(yù)警方面表現(xiàn)突出。GPS的精準(zhǔn)定位功能可以為農(nóng)業(yè)要素信息以及農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化提供精確的位置信息。GIS則可以根據(jù)RS和GPS提供的信息加以分析，并提供管理與決策服務(wù)。“3S”技術(shù)的集成有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分功能的最大化，有利于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理的一體化、實(shí)時(shí)化、空間化和自動(dòng)化。

3.2建立基于WebGIS、OpenGIS以及組件式GIS應(yīng)用系統(tǒng)WebGIS是GIS與互聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合。開放式地理信息系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的需求，提供更多高交互性、可操作、高兼容性的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。組件式GIS將GIS系統(tǒng)化整為零，將功能模塊單獨(dú)分開，簡(jiǎn)化了操作系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)對(duì)硬件的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用分布式體系結(jié)構(gòu)的WebGIS系統(tǒng)、OpenGIS和組件式GIS將為實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)管理提供強(qiáng)大的技術(shù)支持[33]，這可以有效地降低成本和提高效率。

3.3集成專家系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)具有人工智能的GIS系統(tǒng)農(nóng)業(yè)要素復(fù)雜多樣，要素之間相互制約相互影響，共同構(gòu)成了這個(gè)有機(jī)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和管理，必須依靠人工智能的GIS系統(tǒng)。在GIS理論的基礎(chǔ)上，以GIS為平臺(tái)集成專家系統(tǒng)，建立基于GIS的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和分析的專家系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。

4結(jié)語

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是實(shí)現(xiàn)低投入、高產(chǎn)出、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保農(nóng)業(yè)的重要方式，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的指向標(biāo)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提倡實(shí)施時(shí)間和空間上的變量管理和精準(zhǔn)決策支持，并且支持精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的專用硬件、軟件和作業(yè)設(shè)施正在不斷得到開發(fā)和完善，以GIS系統(tǒng)為代表的先進(jìn)技術(shù)將成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的強(qiáng)大技術(shù)支撐。因此，GIS在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究顯得非常重要。

目前我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)還處在研究階段，在此階段應(yīng)當(dāng)深入研究精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵，發(fā)展相關(guān)的現(xiàn)代信息技術(shù)，學(xué)習(xí)國(guó)外成熟的理論并加以實(shí)踐，研制精準(zhǔn)作業(yè)設(shè)備，建立實(shí)驗(yàn)示范點(diǎn)。在示范點(diǎn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格管理，針對(duì)示范區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行科學(xué)決策并加以指導(dǎo)，從而展現(xiàn)出精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢(shì)并進(jìn)行推廣。

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