GIS技術(shù)在精確農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究

葉云霞

（新疆農(nóng)業(yè)大學 機械交通學院，新疆 烏魯木齊 830052）

精確農(nóng)業(yè)是信息和人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)宏觀及微觀運用的產(chǎn)物，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向。其基本思想是利用信息技術(shù)宏觀決策、微觀控制整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，達到提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率、農(nóng)資利用率，降低成本，改善生態(tài)環(huán)境的目的，使經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)效益同步增長、持續(xù)發(fā)展。因此，可以說精確農(nóng)業(yè)就是數(shù)字農(nóng)業(yè)、信息農(nóng)業(yè)。精確農(nóng)業(yè)中的信息技術(shù)主要指3S技術(shù)（GPS、GIS、RS），其中GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)作為精確農(nóng)業(yè)中整個信息系統(tǒng)的承載運作平臺和基礎(chǔ)，起著一個大腦和中樞的作用。精確農(nóng)業(yè)作為一個完整的大系統(tǒng)，各種農(nóng)業(yè)資源數(shù)據(jù)的流入、決策控制信息的流出均要在GIS技術(shù)的支持下執(zhí)行完成。

1 GIS與農(nóng)業(yè)工程的宏觀決策

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的宏觀決策包括土地資源的規(guī)劃利用、作物產(chǎn)量的評估、以地域為基礎(chǔ)的農(nóng)作物經(jīng)濟效益分析、大面積土壤質(zhì)量評估與分析、病蟲害防治、環(huán)境污染的控制、水資源的合理利用等。在這些方面GIS技術(shù)與RS（遙感）技術(shù)相結(jié)合，將使我們的宏觀決策提高到一個嶄新的水平。例如，通過遙感衛(wèi)星提供的數(shù)字圖像，經(jīng)過解譯、矢量化提供給GIS平臺可對觀測對象的面積、長度等空間實體屬性，給出定量的結(jié)果；利用GIS強大的分析功能，如：疊置分析、緩沖分析、分布分析、地形分析、拓撲分析、以及數(shù)值統(tǒng)計分析等，能對觀測對象進行實時定量的評估和發(fā)展趨勢的預(yù)測分析。下面就GIS幾種主要的分析功能在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用作一討論。

1.1 疊置分析

疊置分析有兩方面的含義，一是不同空間數(shù)據(jù)層進行疊加，產(chǎn)生具有新特征的空間數(shù)據(jù)層。例如在土地資源規(guī)劃方面，可以將土地資源數(shù)據(jù)層與水利資源等相關(guān)數(shù)據(jù)層進行疊加，建立它們之間的空間實體關(guān)系，便于規(guī)劃時進行綜合分析。一是將同比例尺、同區(qū)域的多個數(shù)據(jù)層疊置，建立具有多重屬性的圖形，即多邊形疊加。利用這一功能可以得到同一地區(qū)的空間實體、在不同時域內(nèi)的定量差異?？梢詼蚀_確定不同年份土地資源的變化情況，包括面積、位置、程度（統(tǒng)計疊加分析）等。在水資源利用方面，通過不同時段的疊加分析可以看出水量（根據(jù)水域面積或河道寬度）以及水流方向（如河流的改道等）的變化情況。

1.2 緩沖分析

為了確定不同地理特征的空間接近度或鄰近性需要建立緩沖區(qū)。緩沖分析就是在點、線、面空間實體（緩沖目標）周圍建立一定寬度范圍的多邊形，這些多邊形將構(gòu)成新的數(shù)據(jù)層。緩沖分析可以對緩沖區(qū)范圍以內(nèi)的地理因素，對緩沖目標的影響進行分析。例如為防止水土流失，要求距河流兩岸一定范圍內(nèi)規(guī)劃出禁止砍伐的林木地帶，緩沖分析可以根據(jù)河流類型、兩岸土質(zhì)得出相應(yīng)的緩沖寬度。在病蟲害防治方面，可以病蟲害發(fā)生地點為中心，根據(jù)相關(guān)分析模型（如以歷年樣本數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的統(tǒng)計模型）建立緩沖區(qū)，對病蟲害擴散范圍、受災(zāi)程度進行預(yù)測分析，以制定相應(yīng)的防治措施。

1.3 分布分析

分布分析是用不同顏色、灰度或圖形符號，表示某專題數(shù)據(jù)（對象）在不同區(qū)域的數(shù)量、程度等分布情況，可直觀表現(xiàn)出該研究對象的發(fā)展趨勢、演變過程。例如，在農(nóng)業(yè)土壤分析方面，利用分布分析可對不同區(qū)域、不同年份土壤堿化程度、鹽分含量進行對比分析；在環(huán)境污染方面，利用分布分析的區(qū)域范圍分布，可對不同地區(qū)的污染程度進行評估、對污染的演變過程進行分析，并可預(yù)估環(huán)境污染的進一步變化趨勢；采用獨立值分布，可表示農(nóng)作物的種植分布情況，并進行統(tǒng)計分析。

1.4 地形分析

以數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)，可以獲得等值線圖、三維立體地形圖、透視圖等。GIS的地形分析在農(nóng)業(yè)工程方面有著廣泛的應(yīng)用。例如，將三維地形地貌與專題數(shù)據(jù)（如土壤、土地利用、植被等）進行組合分析；生成地下水水位、降深、埋深等值線、用其他連續(xù)變化的特征量代替高程后，可用三維圖形表示污染狀況、地下水水位、植被覆蓋程度、洪澇災(zāi)害等。

還有網(wǎng)絡(luò)分析（拓撲分析）、集合分析、地學分析等，這些對農(nóng)業(yè)的宏觀決策均是強有利的工具。采用GIS的分析工具對某項專題進行分析時，很多情況下要建立該專題的分析數(shù)學模型和計算方法，如：土地規(guī)劃模型、水資源平衡模型、農(nóng)作物布局模型、土壤分析模型、經(jīng)濟效益分析計算、地面徑流模擬等。

2 GIS與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的微觀控制

GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的微觀控制中的作用，主要體現(xiàn)在“點”目標的精確定位和控制、以及根據(jù)實時信息制作各種農(nóng)田作業(yè)狀態(tài)分布圖和用于決策的電子地圖上。例如，作業(yè)中的智能化農(nóng)機具、某單元面積的農(nóng)作物、灌溉設(shè)施以及它們的狀態(tài)等，都需要經(jīng)GIS處理加工。對它們的數(shù)據(jù)采集和控制信息,以及實時的狀態(tài)信息都可通過GIS得到直觀的反映，同時利用GIS的分析功能與相應(yīng)的智能專家系統(tǒng)結(jié)合，可及時對“點”目標進行控制和調(diào)度，如調(diào)度農(nóng)機具、確定施肥量、調(diào)解灌溉水量、確定農(nóng)藥施用量、耕地深度、播種量及密度、估產(chǎn)等。攜帶有GPS定位系統(tǒng)的“點”目標，通過傳感器或監(jiān)測系統(tǒng)將數(shù)據(jù)提供給以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)的 “農(nóng)田作業(yè)智能決策系統(tǒng)”，經(jīng)過該系統(tǒng)的分析決策，向“點”目標發(fā)出指令。精確農(nóng)業(yè)田間生產(chǎn)體系如圖1所示。

圖1 精確農(nóng)業(yè)田間生產(chǎn)體系

圖中“信息處理”反映了經(jīng)GIS在GPS、RS以及監(jiān)測反饋信息的支持下，生成田間現(xiàn)狀信息（土壤水分、肥料；作物病蟲害、生長情況、預(yù)估產(chǎn)量等），這些信息是決策系統(tǒng)（或決策者）作出決策的依據(jù)。在這一過程中，顯然GIS起著非常重要的作用。由于GIS可以實時的根據(jù)田間狀態(tài)信息，生成田間生產(chǎn)要素的分布圖（水分、肥料、病蟲害、產(chǎn)量等），根據(jù)分布圖提供的位置、區(qū)域、需求信息，決策系統(tǒng)可立即作出決策。“農(nóng)田作業(yè)智能決策系統(tǒng)”主要由農(nóng)田作業(yè)專家系統(tǒng)、農(nóng)田作業(yè)模擬系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等組成，而這些決策系統(tǒng)應(yīng)是GIS與決策模型的集成。例如，新疆農(nóng)業(yè)大學開發(fā)的基于GIS技術(shù)的“棉花施肥專家系統(tǒng)”，根據(jù)施肥模型的計算結(jié)果，實現(xiàn)了針對不同地塊棉田定點、定量的肥料投入，大大提高了肥料使用的合理性及肥料的利用率，目前已在自治區(qū)、兵團的部分地區(qū)使用，效果良好。

GIS具有強大的地理空間數(shù)據(jù)查詢能力，能及時反映控制目標的位置、狀態(tài)等信息。如：農(nóng)機具的位置和工作狀態(tài)、灌溉系統(tǒng)的狀態(tài)、作物生長情況、土壤品質(zhì)情況、病蟲害發(fā)展程度等。應(yīng)該說精確農(nóng)業(yè)中的大多數(shù)信息查詢工作，均可以在GIS地圖平臺上完成。GIS信息查詢擺脫了一般信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)表格枯燥、呆板、抽象的查詢方式，利用地圖直觀反映數(shù)據(jù)信息，并且可以完成空間分析查詢，實時反映空間分析的結(jié)果數(shù)據(jù)。這些都是一般信息系統(tǒng)所無法完成的。

3 GIS的實際應(yīng)用

精確農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的GIS系統(tǒng)應(yīng)具備如下一些特點：

（1）數(shù)據(jù)采集與接受功能。GIS應(yīng)能夠接受并處理來自GPS、RS以及通過傳感器采集到的地理空間實體數(shù)據(jù)信息。目前大多GIS均可實現(xiàn)上述功能。

（2）空間數(shù)據(jù)格式相互轉(zhuǎn)換功能。在精確農(nóng)業(yè)這個大系統(tǒng)中，一定會遇到多種GIS、RS應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合的情況，因此空間數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換是必不可收的。

（3）空間分析能力。如：疊置分析、緩沖分析、分布分析、拓撲分析、地形分析等。這些分析應(yīng)和各種專項模型相結(jié)合，為決策系統(tǒng)提供實時、可靠、快捷的決策依據(jù)。

（4）屬性數(shù)據(jù)分析。屬性數(shù)據(jù)是指描述地理空間實體的特征數(shù)據(jù)的集合，如土壤的類型、化學成分；河流的水流量、水深、河道寬度等等。屬性數(shù)據(jù)分析包括：屬性統(tǒng)計分析。如單屬性統(tǒng)計、單屬性函數(shù)變換、雙屬性分類統(tǒng)計；布爾邏輯操作；對象集合運算；重新分類分區(qū)等。

（5）空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的查詢。這是在標準SQL查詢方式基礎(chǔ)上，添加支持空間概念描述、空間函數(shù)運算等空間操作的查詢方式。

（6）多種數(shù)據(jù)庫格式接口。通過ODBC（數(shù)據(jù)庫驅(qū)動接口）或數(shù)據(jù)庫專用接口進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的能力，是任何一個信息系統(tǒng)所必需的。

（7）網(wǎng)絡(luò)功能。利用WebGIS技術(shù)構(gòu)造Internet/Intranet結(jié)構(gòu)的GIS，是精確農(nóng)業(yè)GIS應(yīng)用的發(fā)展方向。

此外，還可以考慮裝配三維地形圖顯示操作功能。

在精確農(nóng)業(yè)中GIS技術(shù)的應(yīng)用體系歸納起來，應(yīng)包含如下兩方面的含義：

（1）負責總的控制、調(diào)度、協(xié)調(diào)、決策任務(wù)的GIS應(yīng)用系統(tǒng)。這時應(yīng)采用功能較強大、完善的大型GIS軟件，如ARC/INFO等。在這方面的應(yīng)用，主要突出了系統(tǒng)的各項分析功能，對操作人員的素質(zhì)要求較高。這類GIS系統(tǒng)一般投資較大。

（2）作業(yè)地點的GIS應(yīng)用。如各種智能化農(nóng)機具配套的GIS應(yīng)用系統(tǒng)、作業(yè)人員隨身攜帶的專項GIS應(yīng)用系統(tǒng)、實地監(jiān)測站點應(yīng)用的GIS系統(tǒng)等。這類GIS系統(tǒng)除了具有基本的分析功能外，應(yīng)突出體現(xiàn)操作簡單、靈活、易于掌握的特點。要達到這一目的，最好的方法是采用GIS系統(tǒng)集成技術(shù)，開發(fā)出專用的GIS應(yīng)用系統(tǒng)。GIS系統(tǒng)集成是指利用GIS二次開發(fā)功能，通過GIS與通用開發(fā)平臺 （如流行的Visaul Basic、Visual C++、PowerBuild、Delphi等）提供的集成技術(shù)（如OLE自動化、API編程等），將GIS“嵌入”到應(yīng)用系統(tǒng)中。在這方面，ArcView、MapInfo等桌面GIS系統(tǒng)均是不錯的選擇。上面提到的“棉花施肥專家系統(tǒng)”以及新疆農(nóng)業(yè)大學開發(fā)的其它系統(tǒng)，如“克孜勒蘇柯爾克孜自治州國民經(jīng)濟和社會綜合發(fā)展信息系統(tǒng)”、“和田河流域水資源管理規(guī)劃模型”、“塔里木盆地世行貸款二期項目阿克蘇子項目信息系統(tǒng)”、“哈密市西郊水政水資源信息管理系統(tǒng)”等均是采用MapInfo與PowerBuild的系統(tǒng)集成技術(shù)完成的。這類GIS系統(tǒng)投資一般較少。

GIS實際應(yīng)用的另一個重要問題，就是地圖的選擇與制備。在宏觀決策方面由于多考慮對整個項目區(qū)的宏觀分析，因此可采用比例尺較小的地形圖，如1：1萬到1：50萬地圖；在微觀控制與規(guī)劃方面，由于工作對象是“點”目標或某個局部地區(qū)的詳細狀況，應(yīng)采用1：1萬以下較大比例尺地形圖，才能滿足精度要求。如“棉花施肥專家系統(tǒng)”采用的是1：1萬地圖、“克孜勒蘇柯爾克孜自治州國民經(jīng)濟和社會綜合發(fā)展信息系統(tǒng)”、“和田河流域水資源管理規(guī)劃模型”、“塔里木世行二期項目阿克蘇子項目信息系統(tǒng)”采用的是1：25萬～1：50萬地圖。繪制地圖時的精度控制關(guān)系到整個GIS應(yīng)用的精度。影響地圖制作精度的主要因素有：（1）繪圖方法。推薦盡量采用矢量跟蹤法，這樣不僅大大減少繪圖工作量，而且精度易得到保證。（2）投影體系。國產(chǎn)GIS軟件與國外GIS軟件所采用的投影體系不同，因此要注意選擇正確的投影體系。（3）轉(zhuǎn)換方法。桌面GIS系統(tǒng)的繪圖功能一般比較弱，多采用由其他GIS系統(tǒng)制作好地圖向桌面系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，由于格式不一樣，需采用正確的轉(zhuǎn)換方法，而且盡量避免多次轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)束語

精確農(nóng)業(yè)是一項高投入、高產(chǎn)出的工程，GIS技術(shù)在其中起著重要的作用。因此，結(jié)合具體情況研究GIS技術(shù)的推廣與應(yīng)用，必將對精確農(nóng)業(yè)的應(yīng)用發(fā)展起著良好的推動作用。

［1］陳述彭,魯學軍,周成虎.地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京：科學出版社,2000.

［2］張波屏.中國特色的精準農(nóng)業(yè)之路[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2000，31（3）：124-125

［3］饒衛(wèi)民,章家恩,肖紅生,等.地理信息系統(tǒng)(GIS)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用現(xiàn)狀概述[J].云南地理環(huán)境研究,2004,16(2)：13-17.

［4］鄺樸生，蔣文科，劉剛，鄺繼雙.精確農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)大學出版社，1999.

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

［6］陳常松.我國GIS技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的調(diào)查與分析[J].測繪科技動態(tài),2006(1)：26-34.

［7］褚慶全，李林.地理信息系統(tǒng)(GIS)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報,2003,5(1)：22-26.