3S技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用與發(fā)展研究

王夢(mèng)晗 杜英坤

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

引言

“3S”技術(shù)是指全球定位系統(tǒng)(GPS)、遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)，是目前對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)中空間信息獲取、存貯管理、更新、分析和應(yīng)用的三大支撐技術(shù)。目前被廣泛應(yīng)用與國土、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、軍事等領(lǐng)域。近年來3S技術(shù)更是成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必要手段。

我國作為一個(gè)人口大國，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面有著相對(duì)更高的要求，解決十幾億人吃飽、吃好的問題，最主要途徑的就是發(fā)展農(nóng)業(yè)，然而我國的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)已經(jīng)無法應(yīng)對(duì)人口增長(zhǎng)過快、耕地面積下降、水土流失嚴(yán)重等問題，因此，開辟出一條新的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式已成為當(dāng)務(wù)之急。而精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的產(chǎn)生對(duì)于最大限度挖掘耕地生產(chǎn)潛力、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)要素的高效利用和保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境有著重大意義。本文重點(diǎn)闡述了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中3S技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)概述

1.1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)涵義

所謂精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，是主要應(yīng)用3S技術(shù),還有作物生產(chǎn)管理輔助決策支持系統(tǒng)和智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備技術(shù), 在定位采集地塊信息的基礎(chǔ)上，按照田間每一操作單元的環(huán)境條件和作物產(chǎn)量的時(shí)空差異性，精細(xì)準(zhǔn)確地調(diào)整各種農(nóng)藝措施，最大限度地優(yōu)化水、肥、種子、農(nóng)藥等的量、質(zhì)和時(shí)機(jī)，以期獲得最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。

1.2 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系

一般來說，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)可以概括為以下10個(gè)系統(tǒng)，即全球定位系統(tǒng)(GPS)、農(nóng)田信息采集系統(tǒng)、農(nóng)田遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(RS)、農(nóng)田地理信息系統(tǒng)(GIS)、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)(ES)、智能化農(nóng)機(jī)具系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)和培訓(xùn)系統(tǒng)，其核心是3S(即GIS、GPS、RS)技術(shù)[2]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)圖

2 3S技術(shù)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

2.1 遙感技術(shù)（RS）在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展

（1）作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)和大面積估產(chǎn) RS是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)獲得田間數(shù)據(jù)的主要來源，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，遙感技術(shù)在于利用高分辨率遙感信息，獲取小區(qū)域長(zhǎng)勢(shì)與背景的差異，從而提供精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)所需的信息。

作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)是運(yùn)用高分辨率傳感器，在不同的作物生長(zhǎng)期，實(shí)施全面監(jiān)測(cè)，利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)作物的環(huán)境動(dòng)態(tài)與分布情況進(jìn)行宏觀估測(cè)，即使了解作物的分布狀況、生長(zhǎng)狀況、便于采取管理措施。這種監(jiān)測(cè)是持續(xù)進(jìn)行的，在監(jiān)測(cè)過程中不斷提供農(nóng)業(yè)資源的數(shù)字變化和圖件依據(jù)，為作物生產(chǎn)管理者或管理決策者提供及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息平臺(tái)。

在我國，近20多年來，農(nóng)作物遙感監(jiān)測(cè)一直是遙感應(yīng)用的一個(gè)重要主題。從“七五”利用氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行北方十一省市小麥估產(chǎn)起步，經(jīng)過“八五”重點(diǎn)糧區(qū)主要農(nóng)作物估產(chǎn)研究，到“九五”建立全國遙感估產(chǎn)系統(tǒng)，使我國的遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域不斷向?qū)嵱没~進(jìn)。

（2）提供資源調(diào)查及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)體系中，遙感將為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施提供大量的田間時(shí)空變化信息，包括農(nóng)田灌溉、施肥、病蟲害防治、雜草控制及作物收獲等方面信息。遙感技術(shù)將成為檢測(cè)土壤和作物的主要數(shù)據(jù)源。

從20世紀(jì)60年代將多光譜原理應(yīng)用與遙感后，人們根據(jù)各種植物和土壤的光譜反射時(shí)特性，建立了豐富的地物波普和遙感圖像解譯標(biāo)志在農(nóng)業(yè)資源調(diào)查與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等方面開展了大量并成功的應(yīng)用。2000年，農(nóng)業(yè)部遙感應(yīng)用中心設(shè)立草地遙感監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)，建立起了技術(shù)先進(jìn)、快速準(zhǔn)確的中國草地退化和草畜動(dòng)態(tài)平衡遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（3）遙感災(zāi)害監(jiān)測(cè)和損失評(píng)估 在地理信息系統(tǒng)的支持下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感獲取的災(zāi)情信息與地面現(xiàn)實(shí)信息的有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行森林病蟲害、水污染、火災(zāi)、以及旱澇等方面的遙感監(jiān)測(cè)。由于遙感技術(shù)能夠及時(shí)準(zhǔn)確的獲取有關(guān)信息，已廣泛應(yīng)用于信息采集和信息處理，實(shí)現(xiàn)災(zāi)前預(yù)警、災(zāi)情監(jiān)控、災(zāi)后評(píng)估。目前我國主要應(yīng)用于洪災(zāi)、作物病蟲災(zāi)害、旱災(zāi)、土地沙化以及森林火災(zāi)等。[3]

2.2 全球定位系統(tǒng)（GPS）在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展

GPS功能在于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地定位作業(yè)對(duì)象和作業(yè)機(jī)械的空間位置，并將此信息轉(zhuǎn)變?yōu)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)能存儲(chǔ)、管理的格式。

（1）智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的動(dòng)態(tài)定位自動(dòng)導(dǎo)航田間作業(yè)機(jī)械，實(shí)現(xiàn)變量施肥、灌溉、噴藥等作業(yè)。

（2）農(nóng)業(yè)信息采集樣點(diǎn)定位 在農(nóng)田設(shè)置的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)、自動(dòng)或人工數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)均需GPS定位數(shù)據(jù)，以便形成數(shù)字信息進(jìn)行存儲(chǔ)與共享。

（3）遙感信息GPS定位 即對(duì)遙感信息中的特征點(diǎn)用GPS采集定位數(shù)據(jù)，以便于與GIS配套應(yīng)用。

由于GPS 具有精確定位功能, 農(nóng)業(yè)機(jī)械可以將作物需要的肥料送到準(zhǔn)確位置, 也可以將農(nóng)藥噴灑到準(zhǔn)確位置。這不僅有助于提高作物產(chǎn)量, 也可以降低肥料和農(nóng)藥的消耗。上世紀(jì)80、90 年代以來, 用GPS同時(shí)測(cè)定三維坐標(biāo)的方法將定位測(cè)繪技術(shù)從陸地與近海, 擴(kuò)展到整個(gè)海洋和外層空間; 從靜態(tài)擴(kuò)展到動(dòng)態(tài);從事后處理擴(kuò)展到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)定位與導(dǎo)航; 定位精度也越來越高。[4]

2.3 地理信息系統(tǒng)（GIS）在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展

GIS是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的核心技術(shù)，應(yīng)用該系統(tǒng)可以將土地邊界、土壤類型、地形地貌、灌水系統(tǒng)、歷年的土壤測(cè)試結(jié)果、化肥和農(nóng)藥使用情況以及歷年產(chǎn)量結(jié)果做成各自的地理信息系統(tǒng)圖管理起來。

（1）數(shù)據(jù)采集和接受功能 GIS能夠接受并處理通過RS、GPS及傳感器采集到的各種農(nóng)業(yè)資源數(shù)據(jù)并能管理所采集到的數(shù)據(jù)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作為一個(gè)完整的大系統(tǒng)，各種農(nóng)業(yè)資源數(shù)據(jù)都通過GIS流入、決策、控制、流出。

（2）空間分析 可進(jìn)行分布分析、拓?fù)浞治?、地形分析、緩沖分析等，與各種專項(xiàng)模型相結(jié)合，可以為決策系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)、可靠、快速的依據(jù)。

（3）繪制專題圖 GIS提供強(qiáng)大的制圖功能，除了管理數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行空間圖形的矢量化和聚類處理，生成指導(dǎo)操作的農(nóng)作物相關(guān)專題圖。

3 3S技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中存在的問題

3.1 成本較高，難以平民化

按照目前我國的技術(shù)情況，要真正實(shí)現(xiàn)全部室內(nèi)作業(yè)，農(nóng)民需要每隔3-5天得到一張農(nóng)田地區(qū)高分辨率遙感圖片。這需要很高的成本以及技術(shù)水平，而且對(duì)于我國廣大的農(nóng)民群眾而言，既沒有能力投入這么高的資金，也無法短時(shí)間內(nèi)掌握影像判讀技術(shù)。因此發(fā)展低成本的遙感圖像和智能化提取農(nóng)作物征兆信息的技術(shù)對(duì)提高我國農(nóng)業(yè)管理有十分重要的意義。

3.2 缺乏完善的核心技術(shù)體系

GIS雖然強(qiáng)大，但要求有精確實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)源，目前系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取和實(shí)時(shí)更新，對(duì)于我國廣闊的耕地分布來說，是個(gè)困難。

3.3 “條塊分割”現(xiàn)象嚴(yán)重

各部門間出現(xiàn)了技術(shù)、資源的屏障，容易造成重復(fù)投入、資源浪費(fèi)現(xiàn)象的發(fā)生。管理機(jī)制有待提高。

4 3S技術(shù)打造我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展

4.1 建立適合我國國情的發(fā)展模式

相對(duì)于國外，我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要考慮人口多、資源短缺、耕地不均勻等特點(diǎn)，因此我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施必須找到適合國情的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的出路。開展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略研究，增加農(nóng)業(yè)信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高軟硬件水平。

4.2 建立適合我國國情的發(fā)展模式

我國各地的自然條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件差異明顯，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平差距較大，需要因地制宜的發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)[7]?？上仍谵r(nóng)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)不斷開展實(shí)驗(yàn)，吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，改進(jìn)做法，再進(jìn)一步推廣到農(nóng)業(yè)化生產(chǎn)水平較高的地區(qū)，合理利用3S技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展，逐步延伸。

4.3 積極學(xué)習(xí)交流，完善技術(shù)集成體系

在我國，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)所依托的3S技術(shù)仍處于研究階段，很多技術(shù)尚不成熟，應(yīng)加大自主開發(fā)力度，并積極學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)。加強(qiáng)與國外精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)在技術(shù)和經(jīng)貿(mào)方面的合作，逐步完成我國自己的技術(shù)體系。

5 結(jié)束語

隨著科技的不斷發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)信息化的腳步也在逐步加快，3S的應(yīng)用為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供了快速、準(zhǔn)確、有效的發(fā)展基礎(chǔ)。積極發(fā)展3S技術(shù)，是農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化與信息化的必經(jīng)之路。

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