GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

王琛

摘要 概括性地從農(nóng)業(yè)資源管理和農(nóng)業(yè)環(huán)境評(píng)價(jià)兩方面介紹了GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用，提出構(gòu)建包括農(nóng)業(yè)信息管理系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)，為深入研究GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用和農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞 GIS；農(nóng)業(yè)資源管理；農(nóng)業(yè)環(huán)境評(píng)價(jià)；農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)；應(yīng)用

中圖分類號(hào) X825 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2015）17-0237-02

Application Progress of GIS in Agricultural Resources and Environment

WANG Chen

（College of Environmental Science and Engineering，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224）

Abstract The application of GIS in the field of agricultural resources and environment was summarized as agricultural resources management and agricultural environment assessment.Agricultural GIS should be constructed，including agricultural information management system，agricultural decision support system and agricultural production management system.A reference can be provided for the application of GIS in agriculture and construction of agricultural GIS.

Key words GIS；agricultural resources management；agricultural environment assessment；agricultural GIS；application

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）是在計(jì)算機(jī)硬軟件的支持下，獲取、存儲(chǔ)、管理、分析和利用空間和地理信息的高新技術(shù)[1]。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是一個(gè)高度復(fù)雜的自然-社會(huì)綜合體，系統(tǒng)內(nèi)的農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境要素在時(shí)空上的復(fù)雜性和變異性極強(qiáng)，GIS技術(shù)憑借其特有的空間信息管理與數(shù)據(jù)處理分析功能成為了農(nóng)業(yè)信息化及現(xiàn)代化強(qiáng)有力的分析和決策輔助工具。

在國外，20世紀(jì)70年代GIS技術(shù)就開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。90年代以后，GIS在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入和普及，國外GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用不僅范圍廣、程度深、水平高，而且將“3S”技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，發(fā)揮集成優(yōu)勢，及時(shí)有效地解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理中的實(shí)際問題。我國從20世紀(jì)80年代中期才開始將GIS技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，盡管與國外相比起步略晚，但部分研究成果已應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

1 GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)資源管理中的應(yīng)用

1.1 農(nóng)業(yè)區(qū)劃

GIS技術(shù)是開展農(nóng)業(yè)氣候資源分析與區(qū)劃的重要手段，利用GIS數(shù)據(jù)庫可以對(duì)多尺度、多源的農(nóng)業(yè)資源數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和管理，利用GIS的空間分析功能可以將現(xiàn)有的資源、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫和遙感影像獲取的信息在GIS軟件中進(jìn)行疊加分析，運(yùn)用GIS軟件中提供的各種評(píng)判方法和模型，可進(jìn)行不同區(qū)劃方案的動(dòng)態(tài)模擬與評(píng)價(jià)，制作農(nóng)業(yè)區(qū)劃圖，以更加直觀的形式展示區(qū)劃結(jié)果。中國氣象局預(yù)測減災(zāi)司于2000年組織江西省等7個(gè)?。ㄊ校庀缶致?lián)合開發(fā)了“農(nóng)業(yè)氣候資源和區(qū)劃信息系統(tǒng)”，用于制作農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃[3]。當(dāng)前GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)區(qū)劃方面的應(yīng)用已日益成熟，國內(nèi)學(xué)者將GIS的空間疊加分析功能與傳統(tǒng)區(qū)劃方法相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于枸杞、烤煙、獼猴桃、火龍果、葡萄、荔枝等經(jīng)濟(jì)作物的農(nóng)業(yè)區(qū)劃工作中，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策提供可靠的依據(jù)。

1.2 農(nóng)業(yè)土地質(zhì)量評(píng)價(jià)

利用GIS技術(shù)能夠?qū)⒌匦?、土壤性狀、土地利用、環(huán)境變量等方面的空間和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，通過建立各種數(shù)學(xué)模型，利用空間分析功能分析運(yùn)算，進(jìn)行農(nóng)業(yè)土地質(zhì)量的多因素綜合評(píng)價(jià)，為土地利用、規(guī)劃、管理提供決策依據(jù)。國外從20世紀(jì)70年代開始利用GIS技術(shù)進(jìn)行土地質(zhì)量評(píng)價(jià)，國外學(xué)者主要是將GIS技術(shù)與模糊邏輯技術(shù)[4]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[5]、遺傳算法等人工智能方法結(jié)合[6]，進(jìn)行農(nóng)業(yè)土地質(zhì)量評(píng)價(jià)。GIS在我國農(nóng)業(yè)土地評(píng)價(jià)中的應(yīng)用起步較晚，20世紀(jì)90年代才開始大量利用GIS技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要用于耕地地力評(píng)價(jià)[7]、農(nóng)地適宜性評(píng)價(jià)[8]、耕地生產(chǎn)潛力評(píng)價(jià)等[9]。部分學(xué)者利用GIS的路徑分析、緩沖分析等功能提取區(qū)位條件因素[10]，豐富了評(píng)價(jià)指標(biāo)，使評(píng)價(jià)體系更加科學(xué)合理。

1.3 農(nóng)作物估產(chǎn)

利用GIS和RS對(duì)作物區(qū)遙感影像進(jìn)行處理分析，可獲取糧食產(chǎn)區(qū)播種面積、作物類型及作物生長態(tài)勢和環(huán)境變化等信息。在充分分析各影響因素對(duì)作物的相互作用關(guān)系后，利用GIS的模型功能，構(gòu)建不同條件下（土壤、氣候、環(huán)境條件）作物生長模型和多種估產(chǎn)模式，估算出大面積的作物產(chǎn)量，并提供數(shù)字化、圖像化的農(nóng)情。國內(nèi)外農(nóng)作物估產(chǎn)研究的重點(diǎn)有兩方面，一是利用GIS技術(shù)輔助確定農(nóng)作物的種植面積[11]，另一個(gè)是利用遙感影像提取的歸一化差分植被指數(shù)[12]、光譜植被指數(shù)[13]、收獲指數(shù)[14]、溫度植被角度指數(shù)等指數(shù)在GIS中與氣候或地理要素進(jìn)行疊加分析[15]。

1.4 土壤養(yǎng)分管理endprint

在大面積的生產(chǎn)管理中，土壤養(yǎng)分的空間變異性和氣候變化的不一致性等問題給平衡施肥、合理施肥帶來很大的困難。GIS在土壤養(yǎng)分管理方面的應(yīng)用主要是利用GIS技術(shù)對(duì)農(nóng)田土壤進(jìn)行調(diào)查、采樣，結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)進(jìn)行區(qū)域農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異特征分析[16-17]，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行土壤養(yǎng)分管理分區(qū)[18-19]，并可結(jié)合氣候變化、預(yù)測系統(tǒng)等構(gòu)建施肥推薦系統(tǒng)，為施肥決策和管理提供服務(wù)[20]。

2 GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)環(huán)境評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

2.1 農(nóng)業(yè)災(zāi)害評(píng)價(jià)與預(yù)測

GIS技術(shù)為農(nóng)業(yè)災(zāi)害評(píng)價(jià)與預(yù)測提供了新的手段，在GIS技術(shù)支持下，將獲取的災(zāi)情信息與地面現(xiàn)實(shí)信息有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)災(zāi)害發(fā)生的基本規(guī)律、時(shí)空分布特征的綜合分析評(píng)價(jià)[21]。另外，通過構(gòu)建災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)模型可進(jìn)行災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃[22]，并利用空間插值功能對(duì)災(zāi)害發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測[23]，如對(duì)旱災(zāi)、澇災(zāi)、作物病蟲害等農(nóng)業(yè)災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報(bào)，可為防災(zāi)減災(zāi)提供分析對(duì)策。以GIS為二次開發(fā)平臺(tái)，集成人工智能技術(shù)、決策支持系統(tǒng)等開發(fā)構(gòu)建的農(nóng)業(yè)災(zāi)害預(yù)測防治專家系統(tǒng)[24]，讓農(nóng)業(yè)災(zāi)害防治工作變得簡單易行。

2.2 農(nóng)業(yè)面源污染分析

農(nóng)業(yè)面源污染具有分散性、空間異質(zhì)性等特征，GIS技術(shù)憑借其強(qiáng)大的空間信息管理、空間分析、可視化等功能，成為了研究面源污染的有效手段。利用GIS技術(shù)可以對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的時(shí)空分異性進(jìn)行分析，直觀地反映其時(shí)空動(dòng)態(tài)變化情況[25-26]，與其他模型集成還可進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源污染排放量的預(yù)測[27]。以GIS作為二次開發(fā)平臺(tái)，建立農(nóng)業(yè)面源污染信息系統(tǒng)[28]，更能實(shí)現(xiàn)信息發(fā)布、管理、分析和預(yù)測。

2.3 農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)

農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)是對(duì)某一區(qū)域的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境狀況的優(yōu)劣進(jìn)行定性和定量的描述，在GIS中可實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境信息的快速獲取及空間數(shù)據(jù)的分析處理，利用GIS模型功能建立農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)模型[29]，評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀[30]，分析其動(dòng)態(tài)變化和發(fā)展趨勢[31]，為決策和管理提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)環(huán)境的保護(hù)。

3 農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)的建設(shè)展望

隨著GIS技術(shù)的不斷成熟，其在農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越廣泛和深入，建立綜合的農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)愈加必要，將“3S”（GPS、GIS、RS）技術(shù)和農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)充分集成，構(gòu)建具有人工智能的空間決策系統(tǒng)將是未來的發(fā)展方向。農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)應(yīng)該將“3S”、通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等技術(shù)與農(nóng)學(xué)、氣象與氣候?qū)W、土壤學(xué)、地理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科緊密結(jié)合，形成一個(gè)可對(duì)農(nóng)作物、氣候、土壤等信息進(jìn)行定期獲取、動(dòng)態(tài)分析和診斷預(yù)測，并提出耕作措施及管理方案的系統(tǒng)。

未來的農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)應(yīng)該包括農(nóng)業(yè)信息管理系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)3個(gè)部分。農(nóng)業(yè)信息管理系統(tǒng)是基礎(chǔ)，統(tǒng)一采集和管理農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境的空間數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)信息，實(shí)現(xiàn)查詢、更新、可視化等功能，并為農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)是核心，對(duì)農(nóng)業(yè)信息管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，利用系統(tǒng)的分析、評(píng)價(jià)、評(píng)估和預(yù)測功能，為相關(guān)農(nóng)業(yè)管理決策提供技術(shù)支持。如進(jìn)行農(nóng)業(yè)區(qū)劃、農(nóng)地適宜性評(píng)價(jià)、農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)災(zāi)害預(yù)測與防治等工作。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)是重點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)提供的決策支持的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家系統(tǒng)，進(jìn)行科學(xué)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理，實(shí)現(xiàn)種植、施肥、灌溉等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的精確化、專業(yè)化。如進(jìn)行農(nóng)作物種植作物類型和模式確定、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量施肥管理、灌區(qū)水資源優(yōu)化配給等農(nóng)田管理。

4 結(jié)語

中國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中起著舉足輕重的作用，信息農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要發(fā)展方向之一。GIS技術(shù)是農(nóng)業(yè)信息化及現(xiàn)代化過程中有力的技術(shù)支持，進(jìn)一步深入開展其在農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用研究非常必要，開發(fā)農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)也將成為其研究的重中之重，它將指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、推動(dòng)農(nóng)業(yè)的高產(chǎn)豐收。

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