農(nóng)田空間信息管理系統(tǒng)的開發(fā)研究

【摘要】將空間信息管理系統(tǒng)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)，也是促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心技術(shù)之一。在精細(xì)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)概念的提出與落實(shí)條件下，農(nóng)田空間環(huán)境與空間信息管理系統(tǒng)相結(jié)合已成為信息管理系統(tǒng)開發(fā)與研究的主要工作重點(diǎn)。本文就農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況等進(jìn)行深入的總結(jié)和闡述，并對(duì)其在生長(zhǎng)和實(shí)驗(yàn)中涉及到的各環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析與總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】農(nóng)田；信息管理系統(tǒng)；開發(fā)

0.前言

在精確化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究與實(shí)施的過(guò)程中，離不開農(nóng)田環(huán)境與農(nóng)作物生長(zhǎng)條件信息管理支持。農(nóng)田信息系統(tǒng)在目前的工作應(yīng)用中是一項(xiàng)具有復(fù)雜性、多樣化的工作產(chǎn)量和作物生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其土壤環(huán)境等數(shù)據(jù)形式都出現(xiàn)了較大的變動(dòng)，以及這些數(shù)據(jù)的分布及變化情況的空間分布信息資源等。在當(dāng)前建立農(nóng)田信息管理系統(tǒng)可以有效的對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)，并使其能夠發(fā)揮應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而為農(nóng)業(yè)工作人員提供管理依據(jù)。

1.農(nóng)田空間管理系統(tǒng)概述

為了提高農(nóng)田信息采集和存儲(chǔ)的自動(dòng)化，從而滿足實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取農(nóng)田環(huán)境信息的需要。在目前的信息管理系統(tǒng)中，是以人為主導(dǎo)，利用計(jì)算機(jī)硬件、軟件、網(wǎng)路硬件、軟件等其他設(shè)備組成一個(gè)綜合性系統(tǒng)模式，進(jìn)而通過(guò)信息的收集、傳輸、加工、儲(chǔ)存和更新維護(hù)來(lái)提高管理工作效率和質(zhì)量。在農(nóng)田管理空間管理信息系統(tǒng)中，最為常見的結(jié)構(gòu)主要可以分為地理信息系統(tǒng)、遙感信息系統(tǒng)等。本文主要就這兩種信息系統(tǒng)模式進(jìn)行深入總結(jié)和分析。

2.精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)思想

二十世紀(jì)后半葉，全世界農(nóng)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出高速發(fā)展趨勢(shì)，除了在工作中依靠生物遺傳育種技術(shù)改進(jìn)之外，耕地面積與灌溉面積也快速擴(kuò)大。在這種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)趨勢(shì)下，基本上所有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都是以化肥、農(nóng)藥等產(chǎn)品為基礎(chǔ)，再配合以機(jī)械動(dòng)力與礦物質(zhì)能源進(jìn)行分析與總結(jié)獲得的，這種高能耗的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理引起了眾多的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利現(xiàn)象，造成了水土流失嚴(yán)重、土壤板結(jié)和酸堿性失衡，也導(dǎo)致了化肥與除草劑在土壤中的集結(jié)，嚴(yán)重的影響了土壤的成分，甚至是帶來(lái)環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境惡化。基于這種情況，新世紀(jì)以來(lái)，農(nóng)業(yè)工作人員不斷對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)和探討，使得這些環(huán)境問(wèn)題在一定程度上得到了改進(jìn)與優(yōu)化。

3.地理信息系統(tǒng)

統(tǒng)計(jì)為了獲得土壤與作物信息而進(jìn)行的田間數(shù)據(jù)采集，在個(gè)別試驗(yàn)中結(jié)果呈現(xiàn)不確定性，但是在大量試驗(yàn)中其結(jié)果又有統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，所以可以將田間數(shù)據(jù)采集看作是隨機(jī)現(xiàn)象，同時(shí)可以將土壤養(yǎng)分、苗情艮勢(shì)與作物產(chǎn)量等參數(shù)看作隨機(jī)變量。隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)特性可以用分布函數(shù)完整的描述，但是在某些情況中很難得到隨機(jī)變量的分布函數(shù)，并且在一些實(shí)際問(wèn)題中也不需要去全面考察隨機(jī)變量的變化情況，而只需要知道隨機(jī)變量的某些特征。

二十世紀(jì)后半葉世界農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，除了依靠生物遺傳育種技術(shù)的進(jìn)步，耕地和灌溉面積的擴(kuò)大以外，基本上是依賴化肥、農(nóng)藥等化學(xué)產(chǎn)品投入的大量增加和機(jī)械動(dòng)力與礦物能源的大量投入所獲得的這種高能耗和化學(xué)物質(zhì)過(guò)量投入的農(nóng)業(yè)管理，引起了水土流失、土壤板結(jié)和酸堿性失衡，導(dǎo)致化肥與除草劑在土壤和地下水以及農(nóng)產(chǎn)品中富集，使環(huán)境受到污染、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降，并帶來(lái)全球性環(huán)境惡化、資源日益短缺與生物多樣性損失等諸多問(wèn)題。所有這些情況表明要想適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展，必須對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)管理方式進(jìn)行調(diào)整與改進(jìn)。人們?cè)谔剿?1世紀(jì)農(nóng)業(yè)科技革命過(guò)程中，充分認(rèn)識(shí)到信息技術(shù)的重要作用，在黨的十六大報(bào)告中也明確提出了我國(guó)農(nóng)業(yè)“推動(dòng)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整，基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，大力推進(jìn)信息化，加快建設(shè)現(xiàn)代化”的發(fā)展目標(biāo)。

4.農(nóng)田電子測(cè)繪技術(shù)

4.1電子地圖主要測(cè)繪方法

精細(xì)農(nóng)業(yè)需要利用定位農(nóng)作技術(shù)手段，通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)資源空間分布差異的定位管理，來(lái)提高農(nóng)資利用率，從而達(dá)到降低成本或增加利潤(rùn)來(lái)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與保護(hù)環(huán)境的目的。在精細(xì)農(nóng)業(yè)的實(shí)施過(guò)程中需要涉及到大量關(guān)于農(nóng)田環(huán)境與作物生長(zhǎng)情況的空間分布數(shù)據(jù)和相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。而在使用時(shí)，所有這些數(shù)據(jù)都必須以一個(gè)基本圖層作為參照。在理想的情況下，參考圖層應(yīng)該為大比例尺、高精度的電子地圖。

4.2 3S系統(tǒng)技術(shù)

3S目POS（地理信息系統(tǒng)）、GPS（全球定位系統(tǒng)）和RS（遙感）的簡(jiǎn)稱。它們都是上個(gè)世紀(jì)60年代前后逐步發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，同時(shí)也是精細(xì)農(nóng)業(yè)的主要支持技術(shù)。目前利用3S技術(shù)獲取農(nóng)田基本地圖是較為常用的方法。與傳統(tǒng)的測(cè)繪方法相比，利用3S技術(shù)獲取農(nóng)田基本地圖的方法具有成圖周期短、更新速度快、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。在3S技術(shù)中GIS作為空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)的輸入、修改、編輯、分析、圖形顯示與輸出等功能，而GPS可以作為為GIS的空間數(shù)據(jù)庫(kù)提供快速獲取數(shù)據(jù)和更新數(shù)據(jù)的手段。

4.3基于遙感圖像的地圖更新

農(nóng)田的邊界或土地利用狀況常常會(huì)發(fā)生一些變化，比如荒地的開墾、灌溉與排水系統(tǒng)的建設(shè)、地塊的合并等，所以農(nóng)田的電子地圖就需要根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)進(jìn)行更新。為了減少人力物力的投入，并保證地圖的更新速度。GIS中提供了應(yīng)用遙感圖像作為參考底圖進(jìn)行地圖更新的方法。用戶可以首先根據(jù)遙感圖像判斷農(nóng)田邊界等地物是否發(fā)生了變化，對(duì)于變化的部分可以通過(guò)有針對(duì)性的進(jìn)行GPS測(cè)繪將地圖更新?；蛘哂脩粢部梢砸罁?jù)高分辨率的遙感圖像，直接對(duì)電子地圖直接進(jìn)行修改編輯。

4.4開發(fā)研究

測(cè)試與應(yīng)用的結(jié)果表明上述各種數(shù)據(jù)分析與信息管理功能，其正確性與有效性都具有一定保障，可以作為分析田間數(shù)據(jù)與管理農(nóng)田信息的工具。其中：

（1）統(tǒng)計(jì)分析功能中包括最大值、最小值、中值、總和、平均值、總體方差、均方差、標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)等常用統(tǒng)計(jì)參數(shù)的計(jì)算方法，是分析田間數(shù)據(jù)規(guī)律的一個(gè)重要功能。與EXCEL軟件進(jìn)行的對(duì)比測(cè)試表明系統(tǒng)中這一功能運(yùn)算可靠，作為數(shù)據(jù)分析的一個(gè)工具，其結(jié)果能夠正確反映田間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征。

（2）利用相關(guān)分析功能，可以分析土壤的各種理化特性或其它環(huán)境參數(shù)對(duì)作物產(chǎn)量的影響，以便加以改善。為檢驗(yàn)系統(tǒng)中相關(guān)系數(shù)計(jì)算的正確性，將GIS系統(tǒng)與EXCEL軟件和SPSS軟件分別進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果完全一致。這一功能主要適用于分析兩個(gè)變量之間的線性相關(guān)程度，需要分析某一變量與多個(gè)因素之間的相關(guān)關(guān)系時(shí)，建議將這一方法與偏相關(guān)分析、回歸分析、主成分分析、通徑分析或灰色關(guān)聯(lián)分析等方法中的一種或幾種結(jié)合使用，以便取得更加可靠的分析結(jié)果。

（3）利用系統(tǒng)中的緩沖區(qū)分析，可以根據(jù)病蟲草害的發(fā)生情況和擴(kuò)散程度，來(lái)建立適當(dāng)大小的防治區(qū)域進(jìn)行處理，來(lái)達(dá)到既不過(guò)量使用農(nóng)藥，又能夠有效防治病害的目的。而疊加分析功能主要用來(lái)為農(nóng)田參數(shù)的空間模式識(shí)別提供多個(gè)圖層中的屬性數(shù)據(jù)。

5.結(jié)束語(yǔ)

目前，遙感（RS） 、地理信息系統(tǒng)（GIS） 、地球定位系統(tǒng)（GPS） 三者結(jié)合已成為目前農(nóng)業(yè)空間信息管理系統(tǒng)開發(fā)與研究的主要核心技術(shù)，在地理信息系統(tǒng)支持下的農(nóng)田資源監(jiān)測(cè)，能夠即時(shí)展示農(nóng)田資源的現(xiàn)狀及其歷史變化，還能模擬資源環(huán)境的進(jìn)一步發(fā)展過(guò)程。 [科]