GIS在精準農業(yè)中的應用進展及展望

GIS在精準農業(yè)中的應用進展及展望

陳 戀， 周衛(wèi)軍*， 余 德， 曾花雨， 王凡榮， 樊滕芳

(湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南長沙 410128)

摘要精準農業(yè)是近年來國際上農業(yè)科學研究的熱點領域，是現(xiàn)有農業(yè)生產(chǎn)措施與新近發(fā)展的高新技術的有機結合，其核心技術是地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、遙感技術(RS)和計算機自動控制系統(tǒng)。該研究通過文獻梳理，介紹了GIS在農田環(huán)境要素信息采集、農田空間數(shù)據(jù)庫的建立、農田空間數(shù)據(jù)分析與專題制圖和管理決策支持系統(tǒng)建立等方面的應用概況，指出了當前GIS應用于精準農業(yè)時存在的問題和不足，并提出了GIS在精準農業(yè)中應用的發(fā)展趨勢和方向。

關鍵詞GIS；精準農業(yè)；數(shù)字農業(yè)；展望

中圖分類號S127

基金項目國家自然科學

作者簡介陳戀(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。*

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

為了科學管理農業(yè)生產(chǎn)，減少在生產(chǎn)過程中的過多投入避免浪費，增加產(chǎn)量創(chuàng)造更多的利潤，減少污染保護環(huán)境，實現(xiàn)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，學者們提出了精準農業(yè)的理念，成為了農業(yè)科學的研究熱點[1]。精準農業(yè)通過分析單元農田的屬性差異，并結合先進的技術的手段分析影響這些差異的原因，以便進行農田優(yōu)化管理[2]。針對農地的基礎地力、水分、作物病蟲害、氣候等因素的不同，進行相適宜的耕種、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)濟和生態(tài)效益，從而實現(xiàn)農業(yè)資源的可持續(xù)發(fā)展[3]。

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

1GIS在精準農業(yè)中的應用現(xiàn)狀

1.1農田環(huán)境要素信息采集精準農業(yè)技術建立在農田環(huán)境要素數(shù)據(jù)采集與分析的基礎之上[6]，傳統(tǒng)的農田環(huán)境要素信息采集主要以定點觀測為主，耗資大、所需時間多，而精準農業(yè)中農田環(huán)境要素信息采集采用的是以計算機為中心的自動信息采集方法。通過傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、3S等技術的支持，工作者可以便捷地獲取農田環(huán)境要素的基礎空間信息，如土壤肥力、土壤水分、作物病蟲害、自然災害、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的主要水源，及時掌握土壤的水分信息，是輔助進行精準灌溉決策的重要依據(jù)。土壤養(yǎng)分在作物生長發(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系著精準農業(yè)中農田精準養(yǎng)分管理，將實現(xiàn)基于農田單元的推薦施肥成為可能，針對土壤養(yǎng)分豐缺進行科學合理的施肥，減少投入并提高產(chǎn)量[8]。張淑娟基于3S技術研究了田間信息自動采集方法，并對采集數(shù)據(jù)進行處理分析，建立了作物產(chǎn)量與土壤屬性的關系模型[9]。鄭立華等基于GIS開發(fā)了土壤水分和土壤電導率的專題圖模塊，從而指導田間土壤信息采樣[10]。

1.1.2災害信息采集。災害信息采集包括作物病蟲害信息和自然災害信息，其中作物病蟲害是作物的主要災害之一，直接影響作物的產(chǎn)量和品質。作物病蟲害信息采集是實施變量施藥的基礎工作，可以有效地減少農藥對農作物及土壤的污染。劉向鋒等利用3S技術原理，設計實現(xiàn)了以移動GIS手段為基礎的作物蟲害信息采集，并提供實時防治措施的診斷系統(tǒng)[11]。鄒金秋基于無線網(wǎng)與網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)技術，研究了對農田參數(shù)實時采集、在線更新和農情監(jiān)測的新方法[7]。

1.2農田空間數(shù)據(jù)庫管理農田環(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)計信息等，為便于管理、傳輸、統(tǒng)計分析海量的數(shù)據(jù)，GIS將每一種信息組成一個圖層，以數(shù)據(jù)庫的形式存儲，通過空間分析將多源數(shù)據(jù)信息組合形成新的圖層。在精準農業(yè)中，GIS以獨立的圖層形式將土壤類型、地形地貌、土壤養(yǎng)分、化肥和農藥等信息以及歷年產(chǎn)量數(shù)據(jù)等進行存儲，分層建立農田空間數(shù)據(jù)庫[12]。

農田空間數(shù)據(jù)庫主要包括基礎數(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，其中基礎數(shù)據(jù)庫包括農田的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)等；專題數(shù)據(jù)庫包括農業(yè)政策法規(guī)、畜牧專題數(shù)據(jù)庫等；知識庫中存儲數(shù)字農業(yè)相關的專業(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規(guī)則；元數(shù)據(jù)庫中存儲對農田環(huán)境要素數(shù)據(jù)字典的說明[13]。杜君基于ArcGIS平臺，以文件-關系混合結構模式設計并建立了小麥生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫[14]。陳珂在總結了國際自然災害數(shù)據(jù)庫建設的先進經(jīng)驗以及我國自然災害數(shù)據(jù)庫建設存在的問題的基礎上，提出了長江三角洲自然災害數(shù)據(jù)庫的建設思路，完成了以ArcGIS為平臺的長江三角洲自然災害數(shù)據(jù)庫的結構設計，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)存儲和管理土壤數(shù)據(jù)，指導農業(yè)用地利用規(guī)劃[17]。

1.3農田空間數(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，在精準農業(yè)中，GIS數(shù)據(jù)庫中原始形式的田間信息可以通過GIS進行數(shù)據(jù)類型轉換、空間插值、空間分析等處理，得到指導農業(yè)生產(chǎn)的各種農田環(huán)境要素專題圖。

1.3.1農田空間數(shù)據(jù)分析。GIS的空間分析包括空間量測與查詢、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，在農業(yè)資源研究中應用較廣。GIS的空間分析是挖掘數(shù)據(jù)的空間關系及其衍生出來的信息和新的知識的過程，其中以疊加分析、空間插值和緩沖區(qū)分析的應用最為典型。

觀測站點收集到的往往是離散數(shù)據(jù)，在精準農業(yè)中往往需要利用這些數(shù)據(jù)的空間自相關性，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)計模塊進行半方差結構的擬合與插值，完成了趨勢面剔除與參數(shù)調整[18]。

疊置分析功能可將多個農田環(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，指導了江淮地區(qū)冬小麥增產(chǎn)精準管理[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空發(fā)展[21]。Chanhda等運用ArcGIS9.3中map algebra功能分析了老撾土地利用變化的空間動態(tài)信息[22]。

1.3.2專題制圖。農業(yè)專題地圖是獲取作物空間變異特征和實現(xiàn)精準管理的最直觀的表達[23]。GIS能夠采用專題制圖將分析或查詢檢索結果表現(xiàn)的更為直觀，對不同的要素進行符號化，使圖像信息可視化，如：土壤地力等級圖、土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖、農業(yè)基礎設施分布圖以及其他一些精準農業(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，對江漢平原的精準農業(yè)發(fā)展模式進行了研究[24]。李楠等采用地理信息系統(tǒng)集成技術，開發(fā)了農田旱情遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(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，運用Kriging方法獲得了上海市農工商現(xiàn)代農業(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)的服務信息，從而實現(xiàn)精準農業(yè)。精準農業(yè)管理決策支持系統(tǒng)能夠將農田環(huán)境要素信息的空間分析結果與作物生產(chǎn)模型和專家知識庫結合，對產(chǎn)量的空間差異性進行分析與診斷，繼而提出科學方案對當?shù)氐霓r業(yè)生產(chǎn)進行指導，使農業(yè)生產(chǎn)結構和生產(chǎn)要素投入調整至最優(yōu)[28]。

許鑫等利用GIS、數(shù)據(jù)庫等技術在NET平臺上構建了“基于WebGIS的小麥精準施肥決策系統(tǒng)”[29]。于合龍等基于農業(yè)生產(chǎn)要素的空間差異性，結合農業(yè)生產(chǎn)實踐和精準農業(yè)決策需求，建立了精準農業(yè)智能決策體系[30]。江厚龍等基于GIS設計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在精準農業(yè)發(fā)展中存在的主要問題

2.1信息化基礎設施不健全，農民素質不高目前，我國農村信息化基礎設施普及度不高，農村缺乏操作精準農業(yè)技術設備的高學歷技術人才，使得精準農業(yè)發(fā)展推廣力度不夠。隨著城鎮(zhèn)化水平的提高，農村文化程度較高者紛紛進城務工，留下來的務農人員整體文化程度偏低。并且我國農業(yè)生產(chǎn)仍以傳統(tǒng)生產(chǎn)經(jīng)營管理方式為主，使得現(xiàn)有的農業(yè)生產(chǎn)條件難以滿足精準農業(yè)的技術實施要求。

2.2成本過高，農民購買力相對低下近年來，精準農業(yè)技術設備不斷推陳出新，農田信息采集和數(shù)據(jù)處理的儀器、軟硬件設施和精準農業(yè)變量作業(yè)機械裝置等價格昂貴，在我國仍以家庭經(jīng)營為主的農業(yè)生產(chǎn)模式下，大多數(shù)農民的購買力不足以承擔精準農業(yè)所需的巨額投入，嚴重阻礙了精準農業(yè)的發(fā)展與推廣。

2.3基礎數(shù)據(jù)缺乏精準農業(yè)實踐依賴于大量的基礎地力數(shù)據(jù)和實時更新的農業(yè)生產(chǎn)要素數(shù)據(jù)，如土壤養(yǎng)分變化數(shù)據(jù)、耕作區(qū)災害數(shù)據(jù)、實時遙感數(shù)據(jù)等，還需要大量生產(chǎn)區(qū)精確的氣象基礎數(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)，需要布設更多的觀測站點及傳感器，加大了精準農業(yè)工程在數(shù)據(jù)獲取方面的投入。

3GIS應用于精準農業(yè)的發(fā)展趨勢

精準農業(yè)是農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要途徑，是糧食安全的重要保障[32]。隨著我國現(xiàn)代化信息技術的發(fā)展，精準農業(yè)中GIS技術的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面。

3.1“3S”技術集成成為必然趨勢RS是獲取農業(yè)生產(chǎn)要素實時數(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)實可用性，尤其是在資源環(huán)境動態(tài)監(jiān)測和氣象災害預警方面表現(xiàn)突出。GPS的精準定位功能可以為農業(yè)要素信息以及農業(yè)機械自動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?！?S”技術的集成有利于實現(xiàn)系統(tǒng)各部分功能的最大化，有利于實現(xiàn)精準農業(yè)管理的一體化、實時化、空間化和自動化。

3.2建立基于WebGIS、OpenGIS以及組件式GIS應用系統(tǒng)WebGIS是GIS與互聯(lián)網(wǎng)的有機結合。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)質服務。組件式GIS將GIS系統(tǒng)化整為零，將功能模塊單獨分開，簡化了操作系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)對硬件的要求。隨著計算機技術的發(fā)展，采用分布式體系結構的WebGIS系統(tǒng)、OpenGIS和組件式GIS將為實現(xiàn)我國農業(yè)現(xiàn)代化和農業(yè)精準管理提供強大的技術支持[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)，實現(xiàn)具有人工智能的GIS系統(tǒng)農業(yè)要素復雜多樣，要素之間相互制約相互影響，共同構成了這個有機的農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，要實現(xiàn)對這個系統(tǒng)的監(jiān)測和管理，必須依靠人工智能的GIS系統(tǒng)。在GIS理論的基礎上，以GIS為平臺集成專家系統(tǒng)，建立基于GIS的數(shù)據(jù)自動采集和分析的專家系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。

4結語

精準農業(yè)是實現(xiàn)低投入、高產(chǎn)出、優(yōu)質、環(huán)保農業(yè)的重要方式，是現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的指向標。精準農業(yè)提倡實施時間和空間上的變量管理和精準決策支持，并且支持精準農業(yè)的專用硬件、軟件和作業(yè)設施正在不斷得到開發(fā)和完善，以GIS系統(tǒng)為代表的先進技術將成為精準農業(yè)的強大技術支撐。因此，GIS在精準農業(yè)中的應用研究顯得非常重要。

目前我國精準農業(yè)還處在研究階段，在此階段應當深入研究精準農業(yè)的內涵，發(fā)展相關的現(xiàn)代信息技術，學習國外成熟的理論并加以實踐，研制精準作業(yè)設備，建立實驗示范點。在示范點的農業(yè)生產(chǎn)過程中，嚴格管理，針對示范區(qū)的實際情況進行科學決策并加以指導，從而展現(xiàn)出精準農業(yè)的優(yōu)勢并進行推廣。

參考文獻

[1] CHEN C，PAN J J，LAM S K.A review of precision fertilization research [J].Environ Earth Sci,2014,71:4073-4080.

[2] 劉焱選，白慧東，蔣桂英.中國精準農業(yè)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].中國農學通報，2011，23(7):577-582.

[3] 王素珍，吳崇友.3S技術在精準農業(yè)中的應用研究[J].中國農機化，2010(6):79-82.

[4] PALANISWAMI C，GOPALASUNDARAM P，BHASKARAN A.Application of GPS and GIS in sugarcane agriculture [J].Sugar Tech,2011,13(4):360-365.

[5] 趙賞，鐘凱文，孫彩歌.GIS技術在農業(yè)領域的應用[J].農機化研究，2014(4):234-237.

[6] 史國濱.GPS和GIS技術在精準農業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應用研究進展[J].湖北農業(yè)科學，2011,50(10):1948-1950.

[7] 鄒金秋.農情監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取及管理技術研究[D].北京：中國農業(yè)科學院，2011:13-38.

[8] 張前勇.基于3S技術的精準農業(yè)[J].安徽農業(yè)科學，2006，34(16):4170-4171.

[9] 張淑娟.基于GPS和GIS的精細農業(yè)田間信息采集和處理方法的研究[D].杭州：浙江大學，2003.

[10] 鄭立華，李民贊，冀榮華，等.基于GIS的農田土壤水分狀況管理模型機應用[J].農業(yè)工程學報，2009，25(2):13-17.

[11] 劉向峰，孟志軍，陳競平，等.作物病蟲害信息采集與遠程診斷系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設計，2011，32(7):2361-2364.

[12] 孫成明，袁登榮，王余龍.地理信息系統(tǒng)的農業(yè)應用與進展[J].上海農業(yè)學報,2004,20(3):99-101.

[13] 賀全兵.GIS中空間數(shù)據(jù)管理方式探討[J].計算機與數(shù)字工程，2008(5):70-73.

[14] 杜君.基于GIS的我國小麥施肥指標體系的構建[D].北京：中國農業(yè)科學院，2011:1-99.

[15] 陳珂.長江三角洲自然災害數(shù)據(jù)庫建設與風險評估研究[D].上海：華東師范大學，2013:1-178.

[16] 王海江，王波.基于GIS的區(qū)域間作物合理灌溉模型研究[J].科技通報，2001，17(2):48-52.

[17] ABDELFATTAH M A，KUMAR A T.A web-based GIS enabled soil information system for the United Arab Emirates and its applicability in agricultural land use planning [J].Arab J Geosci,2014,10:1289-1304.

[18] 于婧.基于GIS和地統(tǒng)計學方法的土壤養(yǎng)分空間變異及應用研究[D].武漢：華中農業(yè)大學，2007:1-124.

[19] 李白鴿，類成霞，陳長春.基于GIS空間分析的江淮地區(qū)冬小麥增產(chǎn)潛力研究[J].農業(yè)系統(tǒng)科學與綜合研究， 2011，27(4):463-468.

[20] 游江南.GIS空間分析在土地管理工作中的應用[J].太原師范學院學報：自然科學版，2010，9(2):127-129.

[21] NOURQOLIPOUR R，MOHAMED SHARIFF A R B，BALASUNDRAM S K.A GIS-based model to analyze the spatial and temporal development of oil palm land use in Kuala Langat district,Malaysia [J].Environ Earth Sci,2014,30:3521-3535.

[22] CHANHDA H，WU C F，YE Y M.GIS based land suitability assessment along Laos- China border [J].Journal of Forestry Research,2010,21(3):343-349.

[23] SILVA C B，DE MORAES A F D，MOLIN J P.Adoption and use of precision agriculture technologies in the sugarcane industry of Sa?o Paulo state,Brazil [J].Precision Agric,2011,12:67-81.

[24] 張純潔.基于GIS的精準農業(yè)發(fā)展模式——以江漢平原為例[D].武漢：華中師范大學，2008(6):1-73.

[25] 李楠，劉成良，李彥明，等.基于3S技術聯(lián)合的農田墑情遠程監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)[J].農業(yè)工程學報，2010，26(4):169-174.

[26] 麻清源.基于空間信息技術的數(shù)字農業(yè)研究——以上海農工商現(xiàn)代農業(yè)園區(qū)為例[D].上海：華東師范大學，2007:1-143.

[27] 王寶峰.基于GIS的重慶山地植煙土壤養(yǎng)分空間分析及推薦施肥研究[D].鄭州：河南農業(yè)大學，2012:1-42.

[28] TEY Y S,BRINDAL M.Factors influencing the adoption of precision agricultural technologies:A review for policy implications [J].Precision Agric,2012,13:713-730.

[29] 許鑫，張浩，席磊，等.基于WebGIS的小麥精準施肥決策體系[J].農業(yè)工程學報，2011，27(2):94-98.

[30] 于合龍，陳桂芬，焦鴻斌.精準農業(yè)智能決策技術體系探討[J].安徽農業(yè)科學，2010，38(2):918-921.

[31] 江厚龍，劉國順，楊超，等.基于GIS丘陵土壤分區(qū)與烤煙推薦施肥研究[J].中國煙草科學，2013，34(2):10-17.

[32] 趙春江.對我國未來精準農業(yè)發(fā)展的思考[J].農業(yè)網(wǎng)絡信息，2010(4):6-8.

[33] NASH E，KORDUAN P，BILL R.Applications of open geospatial web services in precision agriculture:A review [J].Precision Agric,2009,10:546-560.