基于3S技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)研究進(jìn)展

佟彩,吳秋蘭,劉琛,翟德坤,王兵兵

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東泰安271018

基于3S技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)研究進(jìn)展

佟彩,吳秋蘭*,劉琛,翟德坤,王兵兵

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東泰安271018

智慧農(nóng)業(yè)是智慧地球的重要組成部分，它將成為我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，以遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)為一體的3S技術(shù)為智慧農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支撐。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料分析研究的基礎(chǔ)上，首先探討了遙感技術(shù)（RS）在智慧農(nóng)業(yè)中土地資源信息、作物長(zhǎng)勢(shì)信息和作物生態(tài)環(huán)境信息的采集和作物產(chǎn)量估產(chǎn)、災(zāi)害損失評(píng)估中的應(yīng)用。然后分析了地理信息系統(tǒng)（GIS）在智慧農(nóng)業(yè)中信息存儲(chǔ)、分析和智能化處理方面的應(yīng)用，著重研究了農(nóng)田信息可視化與專題圖制作、農(nóng)業(yè)信息空間分析與建模、田間管理智能決策等應(yīng)用。其次又對(duì)衛(wèi)星定位（GPS）技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中空間和時(shí)間定位、土地更新調(diào)查、監(jiān)測(cè)作物產(chǎn)量等方面的應(yīng)用進(jìn)行了探討。最后，針對(duì)3S集成技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了總體分析研究。

智慧農(nóng)業(yè);3S技術(shù);空間分析;集成應(yīng)用

我國(guó)十分重視農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展，2005～2013年中央1號(hào)文件均提出要積極推進(jìn)農(nóng)業(yè)信息化。加大農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新、加強(qiáng)農(nóng)業(yè)信息基礎(chǔ)建設(shè)、促進(jìn)農(nóng)村信息化和發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)已成為我國(guó)新時(shí)期的重大歷史任務(wù)。

隨著3S(Remote Sensing，RS，遙感；Geography Information System，GIS，地理信息系統(tǒng)；Global Positioning System，GPS，全球定位系統(tǒng))、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在加快向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，智慧農(nóng)業(yè)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)[1]。

1 RS技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

RS技術(shù)是指以飛機(jī)、人造地球衛(wèi)星、航天飛機(jī)等為運(yùn)載工具，通過(guò)其上安裝的探測(cè)儀器，獲取和記錄地球表面上物體或景觀的電磁輻射信息，并經(jīng)過(guò)信息的傳輸及處理，識(shí)別出地物或景觀的屬性、分布及其發(fā)展演化的規(guī)律，進(jìn)而對(duì)地球的資源、環(huán)境等進(jìn)行研究分析的綜合技術(shù)。農(nóng)業(yè)信息全面感知是智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，是整個(gè)智慧農(nóng)業(yè)鏈條上最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，RS技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中利用高分辨率傳感器，采集地面空間分布的地物光譜反射或輻射信息，在不同的作物生長(zhǎng)期，實(shí)施全面監(jiān)測(cè)，根據(jù)光譜信息，進(jìn)行空間定性、定位分析，為定位處方農(nóng)作提供大量的田間時(shí)空變化信息[2]，RS技術(shù)是智慧農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)全面感知的核心技術(shù)之一。

1.1 土地資源信息感知

土地資源信息感知是農(nóng)業(yè)信息感知中的重要組成部分，是智慧農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)保證。遙感具有采樣范圍大的特點(diǎn)，可以在較大范圍內(nèi)對(duì)農(nóng)業(yè)資源進(jìn)行快速調(diào)查。而隨著遙感影像分辨率的不斷提高，農(nóng)業(yè)資源調(diào)查的精度也在不斷的提高。席慶云利用SPOT 5遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)四川省涼山州冕寧縣開(kāi)展了各比例尺土地利用調(diào)查方法的研究[3]。邵景安使用中等分辨率的TM影像，針對(duì)重慶市1997～2005年期間土地利用變化展開(kāi)了研究[4]。El-Kawy等應(yīng)用中等分辨率TM影像對(duì)埃及尼羅河三角洲西部進(jìn)行土地資源動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測(cè)，對(duì)1984年、1999年、2005年和2009年的4幅遙感影像進(jìn)行比對(duì)分析，得出這三個(gè)階段貧瘠地變?yōu)檗r(nóng)業(yè)用地的增幅分別為28%、14%和9%[5]。

1.2 作物長(zhǎng)勢(shì)信息感知

不同的作物具有不同的光譜反射特性。不同的作物生長(zhǎng)階段和環(huán)境的差異也會(huì)引起光譜反射特性的變化。作物長(zhǎng)勢(shì)是作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況評(píng)價(jià)的綜合參數(shù)，長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)是對(duì)作物苗情、生長(zhǎng)狀況與變化的宏觀監(jiān)測(cè)。利用RS技術(shù)對(duì)作物生長(zhǎng)的不同階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得不同時(shí)間序列的圖像，結(jié)合由物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判定它的營(yíng)養(yǎng)、水分狀況及生理狀況，自動(dòng)進(jìn)行液體肥料施肥、自動(dòng)灌溉、自動(dòng)降溫、自動(dòng)噴藥等自動(dòng)控制。由王道龍研究員主持完成的“星陸雙基遙感農(nóng)田信息協(xié)同反演技術(shù)”課題，探索了綜合應(yīng)用陸基無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多源衛(wèi)星遙感定量反演技術(shù)、時(shí)空耦合和數(shù)據(jù)同化技術(shù)進(jìn)行快速獲取農(nóng)田環(huán)境和作物時(shí)空連續(xù)參數(shù)的新技術(shù)和新方法，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)的空白。

1.3 作物生態(tài)環(huán)境信息感知

對(duì)比于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，遙感可以在大范圍上把握農(nóng)作物的生態(tài)環(huán)境信息。應(yīng)用RS技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤侵蝕面積、土地鹽堿化程度及其變化趨勢(shì)，也可以對(duì)土壤水分、養(yǎng)分和水體環(huán)境及水體污染等作物生態(tài)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。姚遠(yuǎn)等利用實(shí)測(cè)得到的不同鹽漬化程度的鹽漬土高光譜數(shù)據(jù)和電磁感應(yīng)數(shù)據(jù)構(gòu)建了新疆渭干河—庫(kù)車(chē)河三角洲的土壤高光譜鹽分指數(shù)遙感監(jiān)測(cè)模型。結(jié)果表明：將高光譜和電磁感應(yīng)數(shù)據(jù)與多光譜遙感技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行區(qū)域土壤鹽漬化信息的提取，其精度和反演效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)多光譜遙感方法中單純利用土壤鹽分指數(shù)所建立的監(jiān)測(cè)模型[6]。Maeda等在肯尼亞的邰塔山區(qū)，在擁有有限地面數(shù)據(jù)的情況下，運(yùn)用遙感數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)現(xiàn)地面水分反射蒸發(fā)量的估算，結(jié)果表明該方法較適合該研究區(qū)[7]。

1.4 作物產(chǎn)量估產(chǎn)

作物產(chǎn)量是重要的經(jīng)濟(jì)情報(bào)，因此每個(gè)國(guó)家都很重視作物產(chǎn)量的估算。生產(chǎn)者可以根據(jù)各種植被指數(shù)，如：比值植被指數(shù)（RVI）和歸一化植被指數(shù)（NDVI）等來(lái)估算農(nóng)作物產(chǎn)量，實(shí)施農(nóng)業(yè)宏觀調(diào)控。陳鵬飛等利用環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星時(shí)序歸一化植被指數(shù)對(duì)山東禹城的冬小麥進(jìn)行產(chǎn)量估測(cè)，并建立了可靠的估產(chǎn)模型。所建模型的建模決定系數(shù)為0.87，相對(duì)誤差為5.02%；交叉檢驗(yàn)決定系數(shù)為0.78，相對(duì)誤差為6.87%[8]。何亞娟，Heather McNirn等人利用2011年的SPOT 5遙感數(shù)據(jù)對(duì)廣西扶綏縣的甘蔗進(jìn)行葉面積指數(shù)LAI反演，建立最佳NDVI-LAI反演模型，同時(shí)結(jié)合不同生育期甘蔗葉面積指數(shù)的時(shí)序變化規(guī)律，建立各生育期甘蔗葉面積指數(shù)LAI與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，得到甘蔗葉面積指數(shù)LAI-產(chǎn)量最佳估產(chǎn)模型。模擬結(jié)果與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相比，相對(duì)誤差僅為2.6%[9]。

1.5 災(zāi)害損失評(píng)估

氣候異常、極端天氣等自然災(zāi)害影響著作物的生長(zhǎng)，RS技術(shù)可以監(jiān)測(cè)與定量評(píng)估作物受災(zāi)程度。利用RS技術(shù)提供的信息結(jié)合作物的生長(zhǎng)日歷特點(diǎn)可以較準(zhǔn)確的評(píng)估作物受災(zāi)害面積及程度，針對(duì)具體受災(zāi)情況，進(jìn)行補(bǔ)種、澆水、施肥或排水等災(zāi)后生產(chǎn)自救措施，盡可能的減少損失。李強(qiáng)子等利用環(huán)境減災(zāi)星的多光譜、熱紅外數(shù)據(jù)及MODIS數(shù)據(jù)建立了中國(guó)西南地區(qū)的干旱監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了旱情遙感監(jiān)測(cè)、地表可用水資源監(jiān)測(cè)和旱情對(duì)農(nóng)作物的影響分析，結(jié)果表明2010年廣西、貴州和云南3省份受旱災(zāi)面積達(dá)9.13×105、5.43×105和9.00×105hm2[10]。Feng等用多時(shí)空MODIS遙感數(shù)據(jù)及時(shí)監(jiān)測(cè)冬小麥凍害的發(fā)生和分布狀況，結(jié)果表明NDVI是最好的監(jiān)測(cè)特征[11]。Tapia-Silva等運(yùn)用遙感影像和輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行農(nóng)作物受洪澇災(zāi)害后的損失情況估測(cè)，并建立了相關(guān)模型，與基于NDVI方法的結(jié)果相比，該模型的準(zhǔn)確率為66%，提高了32個(gè)百分點(diǎn)[12]。

2 GIS在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

GIS是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。由于物聯(lián)網(wǎng)和遙感技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的深化應(yīng)用，農(nóng)業(yè)信息具有了多種數(shù)據(jù)采集的手段和感知終端，所以智慧農(nóng)業(yè)龐大的數(shù)據(jù)集有著比以往更大的容量、更高的多樣性和復(fù)雜性。要想使這些大數(shù)據(jù)更好的服務(wù)于農(nóng)業(yè)，必須要從農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)產(chǎn)生、存儲(chǔ)、分析、管理等各個(gè)角度管理好這些大數(shù)據(jù)，因此農(nóng)業(yè)信息的智能處理與分析是智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)中需要解決的重要問(wèn)題。GIS作為智慧農(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)，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的存儲(chǔ)、分析和智能處理[2]。

2.1 農(nóng)田信息可視化與專題圖制作

與一般的信息系統(tǒng)相比較，GIS具有空間信息可視化功能，它可將獲取的各種田間信息圖形化，繪制各種田間信息的空間分布圖，以二維平面、三維立體以及動(dòng)態(tài)等方式形象展現(xiàn)，便于用戶直觀分析、查詢和統(tǒng)計(jì)。GIS具有制圖功能，它可以將各種專題要素地圖組合在一起，產(chǎn)生新的地圖，為智慧農(nóng)業(yè)信息提供一個(gè)直觀的展示平臺(tái)。如：制作病蟲(chóng)災(zāi)害覆蓋圖、耕地地力等級(jí)圖、農(nóng)作物產(chǎn)量分布圖以及農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃圖等農(nóng)業(yè)專題地圖。林韋君等在GIS平臺(tái)上對(duì)大宗農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行信息可視化管理研究，最終實(shí)現(xiàn)大宗農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息的可視化與規(guī)范化[13]。艾延華等提出一種面向?qū)ｎ}地圖屬性信息的LOD可視化方法，應(yīng)用TreeMap實(shí)現(xiàn)了屬性信息的多層次展示，并將面域拓?fù)渲茍D技術(shù)Cartogram與之結(jié)合，建立了顧及區(qū)域拓?fù)涮卣鞯亩鄬哟螌傩孕畔⒖臻g定位方法，為受眾提供了面向?qū)傩孕畔⒌目鐚哟慰臻g認(rèn)知策略[14]。陳誼等利用GIS實(shí)現(xiàn)了基于比例符號(hào)圖的定性結(jié)果可視化、基于地區(qū)分布圖的定量結(jié)果可視化以及基于直方圖的時(shí)間序列數(shù)據(jù)可視化，為專業(yè)人員和決策者快速理解和分析全國(guó)農(nóng)藥殘留的分布情況、正確決策提供幫助[15]。

2.2 農(nóng)業(yè)信息空間分析與建模

農(nóng)業(yè)信息空間分析與建模是智慧農(nóng)業(yè)智能決策的技術(shù)基礎(chǔ)。GIS針對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式的不同，提供了多種不同類型的空間分析方法。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域較為常用的空間分析方法包括空間插值、緩沖區(qū)分析、疊置分析、地形分析、流域分析以及空間統(tǒng)計(jì)分析。這些空間分析方法可以與各種專項(xiàng)模型相結(jié)合，進(jìn)行農(nóng)業(yè)信息的預(yù)測(cè)、評(píng)估以及劃分等，為農(nóng)業(yè)決策提供實(shí)時(shí)、可靠和快速的依據(jù)。劉升平在其博士論文中應(yīng)用GIS技術(shù)和空間統(tǒng)計(jì)分析方法，開(kāi)展了農(nóng)業(yè)區(qū)域經(jīng)濟(jì)影響分析方法的研究，并提出了一種具有較好的通用性、實(shí)用性、擴(kuò)展性和人機(jī)界面的分析報(bào)告自動(dòng)生成方法[16]。李強(qiáng)在其博士論文中，采用RS和GIS技術(shù)集成技術(shù)與數(shù)理模型、空間統(tǒng)計(jì)分析等方法，在不同的時(shí)空尺度上分析了黃土高原南部地區(qū)及其典型區(qū)土地利用的時(shí)空差異性特征，并將空間抽樣方法與Binary Logistic回歸模型相結(jié)合對(duì)其土地利用類型與其影響因素之間的關(guān)系作了定量分析，構(gòu)建土地承載力評(píng)測(cè)模型，并提出將灰色線性規(guī)劃模型(GLP)分別與CLUE-S模型及CA-Markov模型相結(jié)合的兩種方案，利用兩種方案將優(yōu)化結(jié)果配置到空間單元上[17]。

2.3 田間管理智能決策

智能決策是農(nóng)業(yè)智慧化的關(guān)鍵，GIS能監(jiān)測(cè)農(nóng)田土壤養(yǎng)分、水分、蟲(chóng)害等的變化情況，根據(jù)獲取的農(nóng)田信息的實(shí)際情況，繪制地形圖、農(nóng)田信息分布圖等，制定施肥、噴灑農(nóng)藥、灌溉等科學(xué)管理方案。吳戰(zhàn)平等利用組件GIS二次開(kāi)發(fā)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)建立了貴州農(nóng)業(yè)氣候資源決策支持系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)了地理信息數(shù)據(jù)與氣候?qū)傩詳?shù)據(jù)的管理，通用GIS功能與專業(yè)氣候資源分布式模型的集成應(yīng)用。并具體應(yīng)用在貴州農(nóng)業(yè)氣候資源分布式模擬研究以及可行性論證中[18]。陳智芳等建立了以WebGIS為基礎(chǔ)的多指標(biāo)灌溉信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)可使操作人員既能夠通過(guò)地圖宏觀了解灌區(qū)和決策結(jié)果的總體情況，又能對(duì)離散資料進(jìn)行分析和整合[19]。

3 GPS在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

GPS可以提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航、定位、定時(shí)服務(wù)。農(nóng)業(yè)信息空間和時(shí)間變化量的采集是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵之一，GPS在智慧農(nóng)業(yè)中具有核心地位，其實(shí)時(shí)定位和精確定時(shí)功能可為智慧農(nóng)業(yè)提供實(shí)時(shí)、高效、準(zhǔn)確的點(diǎn)位信息，從而實(shí)時(shí)地對(duì)農(nóng)田水分、肥力、雜草和病蟲(chóng)害、作物苗情及產(chǎn)量等進(jìn)行描述和跟蹤；為農(nóng)機(jī)作業(yè)提供高效導(dǎo)航信息，使農(nóng)業(yè)機(jī)械將作物需要的肥料送到準(zhǔn)確的位置，將農(nóng)藥噴灑到準(zhǔn)確位置[2]。

3.1 空間和時(shí)間定位

智慧農(nóng)業(yè)中GPS主要用于定點(diǎn)定位，即測(cè)量指定點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和高程，以確定其具體位置。如：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，如行駛中如何轉(zhuǎn)向、何時(shí)轉(zhuǎn)向。

3.2 土地更新調(diào)查

GPS在土地?cái)?shù)據(jù)采集中的應(yīng)用常常分為兩種情況：一是直接用GPS技術(shù)對(duì)土地空間數(shù)據(jù)作實(shí)時(shí)更新和采集；二是把GPS接收機(jī)的實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)與地理信息系統(tǒng)的電子地圖相結(jié)合，組合成各種土地?cái)?shù)據(jù)的野外測(cè)量系統(tǒng)；另外GPS還可以直接應(yīng)用土地空間數(shù)據(jù)的采集，提供輔助的定位數(shù)據(jù)，可大大提高成果數(shù)據(jù)的精度和應(yīng)用范圍。吳明鳳等采用RTK(動(dòng)態(tài)GPS)與全站儀聯(lián)合作業(yè)的方法對(duì)確山縣城鎮(zhèn)地籍進(jìn)行更新調(diào)查，結(jié)果證明該方法可以快速、準(zhǔn)確的獲得界址點(diǎn)、地物點(diǎn)的定位信息，能滿足國(guó)家和省二次土地調(diào)查中對(duì)于界址點(diǎn)的精度要求[20]。劉慶元等提出基于嵌入式系統(tǒng)的多功能差分GPS在土地調(diào)查中的應(yīng)用，對(duì)嵌入式設(shè)備野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并介紹其在土地調(diào)查中的作業(yè)流程，實(shí)現(xiàn)了高精度的數(shù)據(jù)采集、處理、格式交換一體化[21]。

3.3 監(jiān)測(cè)作物產(chǎn)量

結(jié)合GIS監(jiān)測(cè)作物產(chǎn)量，并繪制作物產(chǎn)量分布圖。在作物田間收割時(shí)，聯(lián)合收割機(jī)上裝有的GPS接收機(jī)記錄下該植株所處位置，利用產(chǎn)量監(jiān)測(cè)器記錄下植株產(chǎn)量，并通過(guò)計(jì)算機(jī)繪制出每塊土地的產(chǎn)量分布圖。魏新華等利用集成DGPS系統(tǒng)和機(jī)組作業(yè)速度檢測(cè)裝置等，研制了一套處方農(nóng)作車(chē)載嵌入式信息處理系統(tǒng)。模擬測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)信息處理功能正常，能夠完成農(nóng)田信息分布圖的生成和處方圖的解譯，機(jī)組作業(yè)速度檢測(cè)絕對(duì)誤差≤0.1 km/h、處方圖解譯最大延遲時(shí)間≤1 s，3 km/h作業(yè)速度下的網(wǎng)格判別誤差約為-0.5～0.6 m，適合各種智能化處方農(nóng)作系統(tǒng)田間作業(yè)機(jī)組的車(chē)載信息處理應(yīng)用[22]。解菁等人針對(duì)區(qū)域特色農(nóng)產(chǎn)品和受到“指定原產(chǎn)地保護(hù)”的農(nóng)產(chǎn)品，通過(guò)將GPS模塊集成到多功能溯源電子秤中，設(shè)計(jì)了應(yīng)用GPS的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地定位與標(biāo)識(shí)系統(tǒng)。系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，其產(chǎn)地判斷準(zhǔn)確率可以達(dá)到97%[23]。

4 3S技術(shù)的集成應(yīng)用

RS具有周期性、大范圍、多時(shí)相、多波譜、高分辨率地獲取地面物體面狀信息的特點(diǎn)，可以獲取農(nóng)田作物的生長(zhǎng)環(huán)境、生長(zhǎng)狀況和空間變異的大量時(shí)空變化信息；GIS在存儲(chǔ)管理和分析處理空間點(diǎn)、線、面信息方面具有強(qiáng)大的空間與屬性信息一體化處理能力，可以建立農(nóng)田土地管理、自然條件、作物產(chǎn)量的空間分布等空間數(shù)據(jù)庫(kù)；GPS具有全球性、全天候、高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地獲取全球范圍內(nèi)任意實(shí)體點(diǎn)、線信息的優(yōu)勢(shì)，可以準(zhǔn)確獲取農(nóng)田信息并快速定位。

在智慧農(nóng)業(yè)中，單純地運(yùn)用RS、GIS與GPS中的某一種技術(shù)往往不能滿足需要，不能提供智慧農(nóng)業(yè)實(shí)施過(guò)程中所需要的對(duì)地測(cè)量、存儲(chǔ)管理、信息處理、分析模擬的綜合能力。將RS、GIS、GPS有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)一體化信息獲取、處理、應(yīng)用的技術(shù)系統(tǒng)。在3S集成技術(shù)中，RS是GIS的一個(gè)重要數(shù)據(jù)源和強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)更新手段，GIS作為一種空間數(shù)據(jù)管理、分析的有效技術(shù)，可以為RS提供各種有用的輔助信息和分析手段，而GPS則為RS、GIS系統(tǒng)中處理的空間數(shù)據(jù)獲得準(zhǔn)確的空間坐標(biāo)提供了獲取和定位手段，并且可以作為一個(gè)數(shù)據(jù)源為GIS提供相關(guān)數(shù)據(jù)，三者已發(fā)展成為不可分割的整體，相互滲透相互補(bǔ)充，3S技術(shù)真正將農(nóng)業(yè)空間信息的精確采集和利用變成了現(xiàn)實(shí)[24]。李文璐在其碩士論文中以山東省東營(yíng)市廣饒縣丁莊鎮(zhèn)為研究對(duì)象分別對(duì)基于RS的農(nóng)業(yè)資源信息感知、基于GIS的農(nóng)業(yè)資源信息智能管理與決策、RS-GIS集成的農(nóng)業(yè)資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及GPS-GIS集成的土壤理化性狀信息感知模式進(jìn)行構(gòu)建并應(yīng)用[25]，為3S集成技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)信息感知和智能化處理方面的應(yīng)用提供了參考。母金梅等將3S集成技術(shù)在應(yīng)用于我國(guó)作物估產(chǎn)、長(zhǎng)勢(shì)檢測(cè)、氣象和病蟲(chóng)害預(yù)報(bào)、精細(xì)施肥、灌溉等，達(dá)到了精準(zhǔn)施肥、精確灌溉、節(jié)肥節(jié)水、智能決策等目的[26]，對(duì)推動(dòng)3S集成技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，各地區(qū)農(nóng)業(yè)資源條件差異顯著。智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收以及實(shí)現(xiàn)我國(guó)耕地總量動(dòng)態(tài)平衡具有重要意義。隨著空間信息技術(shù)的日益發(fā)展和完善，3S技術(shù)作為智慧農(nóng)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)和核心將得到迅速發(fā)展，一方面智慧農(nóng)業(yè)的研究和建設(shè)為3S技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件，另一方面3S技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的全面感知和智能處理提供了技術(shù)支撐。目前3S技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，但是由于受現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)體制限制，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠深入，具體應(yīng)用方案和技術(shù)還需要進(jìn)行不斷地探索和研究。

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A Review of Wisdom Agriculture Based on 3S Technologies

TONG Cai,WU Qiu-lan*,LIU Chen,ZHAI De-kun,WANG Bing-bing
School of Information Science and Engineering/Shandong Agricultural University,Taian,271018,China

Wisdom agriculture is an important part of the wisdom Earth,it will become the future development trend of China's modern agriculture.The integration of 3S technologies,including Remote Sensing,Geography Information System, Global Positioning System,has provided technical support to achieve wisdom agriculture.Based on the analysis of relevant literature at domestic and abroad,firstly we discuss the application of Remote Sensing(RS),which is used in the wisdom agriculture containing land resource information,crop condition information,eco-environment information collection and estimating yield of crop,disaster losses assessment.After that,we analyzed the application of Geography Information System(GIS)in wisdom agriculture including information storage,analysis and intelligent extraction,especially focusing on the visual implementation of field information and making thematic map,spatial analysis modeling of agricultural information,and intelligent decision for field management.And then the Global Positioning System(GPS)application in wisdom agriculture about spatial and temporal positioning,land updated survey,and monitoring crop yield are discussed. Finally,we proceed to a discussion about how 3S integrated technologies can be used in the wisdom agricultural applications at an overall analysis.

Wisdom agriculture;3S technologies;spatial analysis;integrated application

S126

:A

:1000-2324(2015)06-0856-05

2013-08-25

:2013-11-11

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2013AA102301);山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新課題

佟彩(1990-),女,山東沂水人,碩士研究生,主要從事農(nóng)業(yè)信息化研究.E-mail:magicmj@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:wqlsdau@163.com