GIS技術(shù)在現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

趙佳佳　方秀　張森

摘要 地理信息系統(tǒng)（GIS）是現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)發(fā)展的技術(shù)保障。簡介了GIS的基本原理及產(chǎn)生發(fā)展過程，綜述了國內(nèi)外學(xué)者利用GIS在土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理、植煙區(qū)氣候與煙草種植區(qū)劃及烤煙生產(chǎn)病蟲害防治決策方向的研究進(jìn)展，并探討了GIS在現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 GIS；現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)；應(yīng)用；研究進(jìn)展

中圖分類號 S572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號 1007-5739（2017）21-0014-03

Abstract Geographic Information System（GIS）is the foundation of space technology with modern tobacco agriculture. The basic principle and development of GIS were brielly introduced. The research progress of GIS in soil nutrient precision management，climate and planting area of tobacco growing areas and decision making of tobacco production pest control were summarized，the prospects of the researching and application were discussed in developing the modernization tobacco agriculture with the GIS.

Key words GIS；modern tobacco agriculture；application；research progress

我國是煙草種植大國，煙草是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和現(xiàn)代信息化技術(shù)的提高，傳統(tǒng)模式的煙草種植已不能適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展。近年來，我國煙草生產(chǎn)部門堅(jiān)持建設(shè)“規(guī)?；N植，集約化經(jīng)營，專業(yè)化分工，信息化管理”的現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)，以進(jìn)一步提升煙葉品質(zhì)[1]。要加快實(shí)現(xiàn)我國煙草農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化，必須綜合利用現(xiàn)代信息技術(shù)，發(fā)展具有中國特色的煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系，實(shí)現(xiàn)我國煙草農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)數(shù)字化理念的提出，“數(shù)字煙草”的發(fā)展也成為必然趨勢，“數(shù)字煙草”的核心技術(shù)之一便是“GIS技術(shù)”，即地理信息系統(tǒng)[2]。GIS與現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的結(jié)合能夠解決煙葉生產(chǎn)中產(chǎn)生的各種動(dòng)態(tài)問題，為現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障，加快推進(jìn)我國現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化、精準(zhǔn)化發(fā)展進(jìn)程。

1 GIS的基本原理

地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，GIS）與許多學(xué)科都有密切聯(lián)系，是多門學(xué)科交叉的具有空間專業(yè)形式的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)是一個(gè)采集、存儲(chǔ)、顯示地理信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，能夠綜合分析各種圖形及數(shù)據(jù)信息，具有多層次的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和多功能的綜合分析能力[3]。該系統(tǒng)包括了多種軟件工具用于輸入、編輯、管理空間型和非空間型的地理數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有效地存儲(chǔ)和管理大量地理信息，并提供多種模型支持空間分析和決策制定，有管理空間資源不均勻分布的能力，能夠把大區(qū)域范圍內(nèi)測定點(diǎn)的地理數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)結(jié)合起來，提高信息共享程度。目前，GIS技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、城市規(guī)劃、土地管理、農(nóng)作物估產(chǎn)、交通運(yùn)輸、地圖繪制等領(lǐng)域，并呈迅速發(fā)展的趨勢[4]。

2 GIS的產(chǎn)生與發(fā)展

地理信息系統(tǒng)技術(shù)的建立與發(fā)展，與地理空間信息的表示、處理、分析和應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展緊密相連。地理信息系統(tǒng)的提出從20世紀(jì)60年代開始，發(fā)展成熟于70—80年代，由計(jì)算機(jī)輔助制圖逐步發(fā)展起來，并得到了較快的發(fā)展，目前技術(shù)已日益成熟，被認(rèn)為是系統(tǒng)有效地利用地理信息的基本工具與手段。

世界第一個(gè)GIS系統(tǒng)是加拿大測量學(xué)家R F. Tomlinson于1963年提出的，并建立了加拿大地理信息系統(tǒng)，用于自然資源的規(guī)劃管理[5]。1987年美國成立了國家地理信息與分析中心，英國也成立了地理信息協(xié)會(huì)，加之此階段計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，對GIS技術(shù)的傳播和發(fā)展起至關(guān)重要的作用，并由商業(yè)化實(shí)用系統(tǒng)進(jìn)入市場[6]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和專業(yè)化人才的飛速增加，GIS已經(jīng)成為許多機(jī)構(gòu)尤其是政府決策部門必備的工作系統(tǒng)，社會(huì)對GIS的認(rèn)識(shí)普遍提高，這也使得GIS的應(yīng)用更加擴(kuò)大和系統(tǒng)化。隨著地理信息系統(tǒng)功能的不斷完善，越來越顯示出廣闊的應(yīng)用前景，并成為地理學(xué)的“第三代語言”。

中國對地理信息系統(tǒng)的研究起步稍晚，1980年中國成立了地理信息系統(tǒng)研究室，標(biāo)志著中國全面展開了對地理信息系統(tǒng)的研究，雖然較歐美一些發(fā)達(dá)國家起步晚，但發(fā)展極迅速[7]。1986年國家“七五”計(jì)劃中，GIS研究列入了國家科技攻關(guān)計(jì)劃，GIS在我國進(jìn)入了初步發(fā)展階段。1996年國家“九五”計(jì)劃將“遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)的綜合應(yīng)用”列入國家重中之重科技攻關(guān)項(xiàng)目，GIS進(jìn)入了快速發(fā)展階段，強(qiáng)調(diào)GIS的集成化、實(shí)用化和工程化[8]。經(jīng)過多年的努力，我國對地理信息系統(tǒng)的研究已躋身于國際領(lǐng)先水平，GIS技術(shù)及產(chǎn)品取得了長足進(jìn)步，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究中的熱點(diǎn)方向，因此深入開展地理信息系統(tǒng)（GIS）在煙草精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究也是必然趨勢。20世紀(jì)90年代，我國將 GIS 應(yīng)用于煙草農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，主要用于植煙土壤適宜性評價(jià)和施肥、農(nóng)業(yè)氣候與煙草種植區(qū)劃、煙草病蟲害預(yù)測評估等方面，并取得了較大的成就，一些研究成果直接應(yīng)用于煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，取得了很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[9]。

3 GIS在現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

3.1 GIS在土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理中的應(yīng)用endprint

土壤在時(shí)空變化上具有連續(xù)性和不均一性。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由于對土壤養(yǎng)分的描述和定量調(diào)查存在困難，在施肥過程中缺少針對性，造成土壤養(yǎng)分供給失去平衡、肥料利用率低等問題，甚至施肥過多破壞了土壤肥力，加重了大氣環(huán)境負(fù)擔(dān)。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，許多國內(nèi)外學(xué)者高度重視土壤空間變異性，利用GPS、地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)合GIS分析土壤養(yǎng)分的空間分布狀況及其變異特征，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究中初有成效。其中，GIS可以處理煙區(qū)氣候、地形地貌特征、土壤類型、煙草產(chǎn)量、煙草輪作制度、煙農(nóng)施肥狀況及肥料施用等信息，并綜合起來錄入到GIS信息系統(tǒng)中[10]。將這些空間屬性描述歸類形成土壤養(yǎng)分分布圖，能指導(dǎo)各分區(qū)植煙土壤的肥料施用，這樣不僅可以整體調(diào)控肥料用量避免浪費(fèi)，又能實(shí)現(xiàn)分區(qū)管理體制。

自20世紀(jì)60年代初國外學(xué)者開始嘗試應(yīng)用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合的方法研究土壤空間變異情況之后，Yost等人最早研究了夏威夷島上土壤養(yǎng)分的空間關(guān)聯(lián)，并得到了可靠結(jié)論[11]。之后Goovaerts P[12]通過田塊型取樣模式，分析了不同單元格的土壤理化性狀，促進(jìn)了GIS的發(fā)展。隨后人們利用GIS在農(nóng)作物上取得了越來越多的科研成就，Masvaya等[13]研究了津巴布韋農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)區(qū)農(nóng)業(yè)管理對土壤養(yǎng)分的影響，并研究了作物吸收規(guī)律的空間變異性。Shi等[14]利用GIS研究了太湖土壤養(yǎng)分豐缺特性。

相比于國外，國內(nèi)GIS發(fā)展較晚，但成果豐碩。在土壤養(yǎng)分及元素分布特性上方向，秦鐘立等[15]利用GIS和地統(tǒng)計(jì)法建立了貴州植煙土壤養(yǎng)分的理論模型；李 強(qiáng)等[16]則通過GIS技術(shù)綜合評價(jià)了曲靖煙區(qū)馬龍縣植煙土壤的速效養(yǎng)分狀況。在土壤施肥決策方向，王新忠等[17]利用GIS和GPS定位相結(jié)合的方法，通過控制播種機(jī)控制變量施肥，研究出了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)用肥體制，不僅達(dá)到了“用肥有效，綠色環(huán)保”的時(shí)代要求，更明顯提高了作物產(chǎn)量；陳偉強(qiáng)[18]通過在平頂山、洛陽、南陽三地烤煙區(qū)進(jìn)行模型參數(shù)試驗(yàn)，確立了區(qū)域施肥體制；張鑫[4]通過對煙區(qū)單元適應(yīng)性的綜合評價(jià)結(jié)合GIS模型，設(shè)計(jì)了目標(biāo)產(chǎn)量的精準(zhǔn)施肥推薦系統(tǒng)。在土壤分區(qū)管理方向，郭治興等[19]通過網(wǎng)格化評價(jià)廣東烤煙的土壤生態(tài)適宜性，指導(dǎo)了煙草區(qū)化種植；宋艷春[20]也根據(jù)此方法將贛縣植煙土壤劃分為3類適宜區(qū)，促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的精準(zhǔn)管理模式。

3.2 GIS在植煙區(qū)氣候與煙草種植區(qū)劃中的應(yīng)用

生態(tài)條件決定烤煙的區(qū)域特色，不同生態(tài)區(qū)的烤煙在化學(xué)成分、物理特性評吸等指標(biāo)上有很大差異，其受制于土壤，但受氣候因素影響最大?？衫肎IS的空間分析功能，并結(jié)合多年的氣候資源，確定煙草適宜性氣候生態(tài)指標(biāo)和種植區(qū)劃，為煙草種植區(qū)域的劃分和合理利用氣候資源提供依據(jù)。董謝瓊等[21]利用氣候、土壤等數(shù)據(jù)，在GIS平臺(tái)下，研究了云南省煙草種植適宜區(qū)劃，研究結(jié)果與云南省優(yōu)質(zhì)煙葉分布地區(qū)一致。方 紅等[22]利用等級劃分法和GIS小網(wǎng)格技術(shù)，綜合分析了湘西煙草生長期內(nèi)的氣候數(shù)據(jù)和氣象災(zāi)害指標(biāo)，結(jié)合湘西的土地資源信息，對植煙區(qū)煙草氣候進(jìn)行了區(qū)劃，與實(shí)際植煙區(qū)域基本吻合。操筠[23]統(tǒng)計(jì)分析了煙草不同生育期遭受的主要?dú)庀鬄?zāi)害，利用GIS技術(shù)進(jìn)行了恩施植煙區(qū)煙草氣候?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，為煙草種植合理布局及防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。楊揚(yáng)[24]利用GIS技術(shù)，將河南省煙草種植區(qū)的氣候、土壤等信息以空間和屬性數(shù)據(jù)相結(jié)合的形式組織起來，綜合評價(jià)了河南省煙草生態(tài)適宜性，科學(xué)合理的區(qū)劃了河南省煙草種植區(qū)域。楊鵬武等[25]通過收集云南省昭通市多年的氣候資料，運(yùn)用GIS 技術(shù)，研究了昭通市煙草種植的動(dòng)態(tài)氣候區(qū)劃，提高了作物氣候區(qū)劃的生產(chǎn)指導(dǎo)性，得出烤煙生態(tài)適宜性綜合評價(jià)圖，建立了河南省煙草生態(tài)適宜性評價(jià)指標(biāo)體系。謝華東等[26]用模糊綜合評價(jià)的方法，根據(jù)煙葉生長的特性，在GIS平臺(tái)下，篩選出影響黔江煙草種植區(qū)的氣候指標(biāo)，定量評價(jià)了黔江烤煙種植氣候的適宜性。李蒙等[27]收集了云南省普洱市氣候資料，運(yùn)用GIS技術(shù)，分析了普洱市的氣候特征，并構(gòu)建了煙草種植氣候適宜性評價(jià)系統(tǒng)，精細(xì)區(qū)劃了烤煙種植氣候的適宜性。莫建國等[28]通過GIS平臺(tái)，運(yùn)用相關(guān)分析法分析了氣候因素對煙葉品質(zhì)的影響，并將貴州省煙區(qū)劃分了5個(gè)氣候類型區(qū)。

3.3 GIS在烤煙生產(chǎn)病蟲害防治決策中的應(yīng)用

隨著烤煙生產(chǎn)病蟲害防治工作的長期進(jìn)展，植物保護(hù)方向已取得了巨大進(jìn)展，但重“治”的過程中科研工作者卻忽視了“防”的重要性。近年來，學(xué)者將病蟲害防治工作中積累的大量年際數(shù)據(jù)通過綜合分析年際間和區(qū)域間的烤煙品種、病蟲害發(fā)生時(shí)期及特點(diǎn)、田間管理、氣象條件等因素，運(yùn)用GIS制圖的方式來呈現(xiàn)，可以直觀有效地預(yù)測經(jīng)濟(jì)損失及提供病害防治決策[29]。林惠彬[30]將互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫及GIS相結(jié)合，不僅構(gòu)建了煙蚜監(jiān)測模型，并通過整合病蟲害的年際變化完善了煙草病蟲害管理系統(tǒng)。趙鑫[31]利用GIS技術(shù)分析得出了煙草害蟲及天敵的種群分布特征，對煙田害蟲的綜合治理提供了參考依據(jù)。姜紅花等[32]的研究與此相似，通過及時(shí)有效地發(fā)布病蟲害信息，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的實(shí)用功能。

4 展望

4.1 利用GIS技術(shù)為煙葉基地單元選址

在卷煙工業(yè)原料煙葉基地選址方面，可以利用GIS技術(shù)，將當(dāng)?shù)責(zé)煵莘N植生產(chǎn)氣候相關(guān)因子及烤后煙葉內(nèi)在品質(zhì)與企業(yè)品牌原料煙葉需求有機(jī)結(jié)合，借助GIS二次開發(fā)數(shù)學(xué)模型對其綜合評價(jià)，并通過決策分功能確定對應(yīng)品牌煙葉原料基地單元選址最適宜區(qū)。

4.2 建立煙草農(nóng)業(yè)種植的資源共享平臺(tái)

煙草農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系復(fù)雜，需要的數(shù)據(jù)量大且要求精度高。但因?yàn)閮x器設(shè)備和人力、物力的限制，許多數(shù)據(jù)難以獲取，且測量時(shí)誤差較大，數(shù)據(jù)精度不高，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)來源不一且年代不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證，并且數(shù)據(jù)格式不一，導(dǎo)致各地區(qū)數(shù)據(jù)難以共享，影響了GIS的資源共享。在未來的發(fā)展中，應(yīng)把先進(jìn)的技術(shù)手段融入煙草產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，集中人力和物力，建立完善的煙草農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)庫，按照“統(tǒng)一平臺(tái)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)、統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)”的原則，實(shí)現(xiàn)信息資源共享，啟動(dòng)數(shù)字化的煙草建設(shè)，為煙草農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的開發(fā)提供幫助。endprint

4.3 建立以GIS、RS、GPS技術(shù)為核心的“3S”空間決策支持系統(tǒng)

RS能準(zhǔn)確地提供監(jiān)測物的信息，發(fā)現(xiàn)其各種變化，GPS能夠快速地提供監(jiān)測物的空間位置，GIS能夠?qū)Χ喾N來源的大量信息進(jìn)行快速處理，提出決策方案。因此，建立基于煙草“3S”技術(shù)的空間決策支持系統(tǒng)，可為煙草種植管理提供精確的操作，通過數(shù)字管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)測和系統(tǒng)決策，實(shí)現(xiàn)煙草生產(chǎn)的數(shù)字化、智能化和信息化。隨著信息化的迅速發(fā)展，“3S”技術(shù)將成為今后現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的研究熱點(diǎn)。

4.4 GIS 和專家系統(tǒng)（ES）高度集成

現(xiàn)階段GIS主要應(yīng)用于煙田土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫的建立、精準(zhǔn)施肥、植煙區(qū)氣候與煙草種植區(qū)劃、病蟲害的監(jiān)測等方面，但煙草生長過程是動(dòng)態(tài)的，與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、種植制度等相關(guān)密切，單純的GIS研究，不能解決現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中復(fù)雜的空間問題，還需要大量的專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)。因此，GIS與專家系統(tǒng)結(jié)合，可有效解決煙草生產(chǎn)過程的問題。

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