地理信息系統(tǒng)在耕地質(zhì)量管理中的應(yīng)用概述

秦方錦，王 飛，翁 穎，葛超楠，馬建芳，王 劍，徐靜高，洪可蔚

(1.寧波市種植業(yè)管理總站，浙江 寧波 315000； 2.慈溪市農(nóng)業(yè)監(jiān)測中心，浙江 寧波 315300；3.寧海縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，浙江 寧波 315600； 4.奉化市農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)總站，浙江 寧波 315500；5.江北區(qū)農(nóng)技推廣服務(wù)總站，浙江 寧波 315021； 6.北侖區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，浙江 寧波 315800)

地理信息系統(tǒng)在耕地質(zhì)量管理中的應(yīng)用概述

秦方錦1，王 飛1，翁 穎2，葛超楠3，馬建芳4，王 劍5，徐靜高6，洪可蔚1

(1.寧波市種植業(yè)管理總站，浙江 寧波 315000； 2.慈溪市農(nóng)業(yè)監(jiān)測中心，浙江 寧波 315300；3.寧?？h農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，浙江 寧波 315600； 4.奉化市農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)總站，浙江 寧波 315500；5.江北區(qū)農(nóng)技推廣服務(wù)總站，浙江 寧波 315021； 6.北侖區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，浙江 寧波 315800)

回顧地理信息系統(tǒng)(GIS)在國內(nèi)外耕地質(zhì)量管理上的應(yīng)用進展，并簡要介紹GIS在耕地地力評價、耕地適宜性評價、耕地質(zhì)量動態(tài)變化、耕地占補平衡管理、土壤養(yǎng)分管理及施肥推薦等方面的應(yīng)用，提出GIS在耕地質(zhì)量管理中存在的問題及應(yīng)用展望。

地理信息系統(tǒng)； 耕地質(zhì)量管理； 綜述

耕地是人類賴以生存與發(fā)展的基礎(chǔ)資源，是糧食生產(chǎn)能力的基本構(gòu)成要素，是保障國家糧食安全的基石。近年來，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設(shè)加快，耕地資源約束趨緊，糧食安全、耕地保護面臨嚴峻挑戰(zhàn)。基于當(dāng)前耕地數(shù)量減少趨勢短時期內(nèi)難以扭轉(zhuǎn)的態(tài)勢，合理利用和保護好有限的耕地資源，加強耕地質(zhì)量管理，是新形勢下保障國家糧食安全、促進農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是實施“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略的重要任務(wù)。

地理信息系統(tǒng)(GIS)是一項始于20世紀(jì)60年代中期以計算機科學(xué)為基礎(chǔ)的技術(shù)，它將地理空間數(shù)據(jù)庫與計算機信息技術(shù)相結(jié)合，通過地理模型分析方法，適時提供多種空間的、動態(tài)的地理信息，為地理研究及地理決策服務(wù)[1]。目前，已發(fā)展為一門集計算機科學(xué)、測量學(xué)、地圖學(xué)、地理學(xué)等多學(xué)科為一體的綜合性學(xué)科，應(yīng)用于涉及地理信息的多個領(lǐng)域，并呈快速發(fā)展趨勢。地理信息系統(tǒng)強大的地理空間數(shù)據(jù)處理和分析能力，可為耕地質(zhì)量管理和決策提供服務(wù)。

1 國內(nèi)外GIS在耕地管理上的應(yīng)用進展

1.1 國外應(yīng)用進展

20世紀(jì)50年代，計算機信息技術(shù)的不斷發(fā)展，使得通過計算機收集、存儲和處理各種與空間地理信息相關(guān)的圖屬數(shù)據(jù)成為可能，也因此加速了GIS技術(shù)的問世。在繼奧地利采用計算機技術(shù)建立地籍?dāng)?shù)據(jù)庫后，許多國家陸續(xù)開發(fā)了用于地籍管理的土地信息系統(tǒng)，如加拿大于1963年成功研制了世界上首個地理信息系統(tǒng)(CGIS)，它作為國際上建立最早的一個性能較為完善的大型實用性系統(tǒng)于1971年正式啟用，主要應(yīng)用于自然資源管理和規(guī)劃[2]。

進入20世紀(jì)70年代以后，許多國家相繼采用GIS技術(shù)建立了土壤數(shù)據(jù)庫。1975年，英國Macauly土壤研究所在蘇格蘭試建了首個土壤數(shù)據(jù)庫，它是一個包括土壤調(diào)查、土壤礦物分析、光譜分析、土壤統(tǒng)計分析等海量數(shù)據(jù)的國家土壤信息系統(tǒng)。美國于20世紀(jì)70年代初建立了土壤數(shù)據(jù)庫，并于20世紀(jì)80年代初開發(fā)完成了州級及國家土壤地理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。此外，國際土壤學(xué)會還建立完成了1∶100萬世界土壤和土地數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(SOTER)[3]。

進入20世紀(jì)80年代以后，計算機軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展為GIS在耕地質(zhì)量管理上的應(yīng)用提供了強有力的技術(shù)支持，一些發(fā)達國家先后建立了專業(yè)性的地理信息系統(tǒng)，如美國于1981年提出了土地評價和立地評價系統(tǒng)(LESA)，主要應(yīng)用于以農(nóng)業(yè)為目的的土地評價。20世紀(jì)80年代末期，隨著“3S”(遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng))和地圖自動制圖等高新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，GIS在數(shù)據(jù)更新、動態(tài)評價、評價精度等方面取得了長足發(fā)展。到目前為止，世界上許多國家和地區(qū)均建立了基于GIS的耕地管理系統(tǒng)，如美國紐約土地利用與自然資源信息系統(tǒng)(LUNR)、新西蘭微型計算機土地信息系統(tǒng)(MIDGE)、法國國土信息系統(tǒng)等。

1.2 國內(nèi)應(yīng)用進展

國內(nèi)地理信息系統(tǒng)的發(fā)展始于20世紀(jì)80年代初期，中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所建立了國內(nèi)首個GIS研究室。隨著GIS技術(shù)發(fā)展，我國土壤工作者于20世紀(jì)80年代中期始建土壤數(shù)據(jù)庫和土壤信息系統(tǒng)。例如，1986年底北京大學(xué)遙感中心建立了區(qū)域土壤侵蝕信息系統(tǒng)，1989年揚州市土壤肥料站建立的揚州市土壤肥料信息管理系統(tǒng)被農(nóng)業(yè)部土壤肥料總站列為土壤肥料規(guī)范化管理軟件，并在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。

進入20世紀(jì)90年代以后，GIS技術(shù)在耕地資源管理上的應(yīng)用研究更為深入，不同應(yīng)用、不同層次和不同規(guī)模的數(shù)據(jù)庫相繼建立，同時有關(guān)專家系統(tǒng)和專業(yè)應(yīng)用模型等方面的研究也有了較大進展。例如，1991年周慧珍等[4]研究了1∶100萬土壤—土地圖數(shù)據(jù)庫及土壤退化信息解譯；1993—1998年浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)遙感與信息技術(shù)應(yīng)用研究所研制了浙江省紅壤資源信息系統(tǒng)；1999年張新長等[5]采用地理信息系統(tǒng)研究了廣東省耕地變化情況；2002年張定祥等[6]進行了1∶100萬土壤數(shù)據(jù)庫的建設(shè)與應(yīng)用工作；2004年畢如田等[7]利用GIS技術(shù)建立了山西省永濟市耕地資源管理信息系統(tǒng)。

近年來，GIS技術(shù)通過與專業(yè)模型和數(shù)學(xué)方法的集成，更加有力地助推了耕地資源的合理使用與科學(xué)管理。例如，胡德勇[8]用VB和Map Object構(gòu)建了耕地分等定級系統(tǒng)，實現(xiàn)了GIS功能與耕地分等定級的融合；劉排九等[9]利用VB和MapInfo集成開發(fā)技術(shù)構(gòu)建了C/S模式支持下的基于GIS的耕地資源管理信息系統(tǒng)。

2 基于耕地信息系統(tǒng)的應(yīng)用進展

2.1 GIS在耕地地力評價中的應(yīng)用

耕地地力是指在當(dāng)前耕作管理水平下，由土壤本身特性、自然背景條件和基礎(chǔ)設(shè)施水平等要素綜合構(gòu)成的耕地生產(chǎn)能力，主要包括農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施和土壤肥力。耕地地力評價是以利用方式為目的，評估耕地生產(chǎn)潛力的過程，主要揭示生物生產(chǎn)力和潛在生產(chǎn)力的高低，其實質(zhì)是對耕地生產(chǎn)力高低的評價。

國外最早以合理利用耕地為目的的耕地評價研究可追溯到20世紀(jì)30年代。當(dāng)時美國提出了世界上首個較為全面的土地利用管理系統(tǒng)，它是一款基于土壤分類的土地利用潛力分類系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代，隨著遙感等先進技術(shù)手段在資源調(diào)查中的廣泛應(yīng)用，土地研究逐漸由土地資源清查向土地評價發(fā)展。繼而在20世紀(jì)80年代，隨著計算機技術(shù)、3S技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，土地動態(tài)評價和評價精度方面取得了巨大進展。進入20世紀(jì)90年代以后，地理信息技術(shù)在耕地評價中得到了廣泛應(yīng)用：如Luckman等[10]運用專家系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)進行土地評價；Kollias等[11]采用ARC/INFO軟件的模糊處理功能對土地資源進行評價；劉欽普[12]利用GIS和SPSS技術(shù)對許昌市耕地基礎(chǔ)地力進行綜合評價；張月平等[13]應(yīng)用組件式GIS開發(fā)了我國第一款耕地地力評價專用軟件《縣域耕地資源管理信息系統(tǒng)》(簡稱CLRMIS)。

2.2 GIS在耕地適宜性評價中的應(yīng)用

耕地適宜性評價是在耕地潛力評價的基礎(chǔ)上，綜合自然條件、社會經(jīng)濟條件、生態(tài)環(huán)境等要素，對耕地潛在生物生產(chǎn)能力進行適宜程度評估的過程，以此來全面分析耕地適宜程度和限制程度[14]。20世紀(jì)70年代以來，耕地適宜性評價受到了廣泛關(guān)注。1976年，聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)頒布了《土地評價綱要》，它是目前國際上使用范圍最廣、最具影響力的評價綱要。進入20世紀(jì)80年代后，隨著計算機信息技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，耕地適宜性評價朝著系統(tǒng)化、精確化、定量化及綜合化方向發(fā)展。期間，Ghaffari等[15]從氣候和土壤的生產(chǎn)潛力入手，采用GIS技術(shù)對英國Kent地區(qū)的馬鈴薯種植進行適宜性評價。趙小敏等[16]在GIS支持下，以O(shè)verlay模型得出的土地資源單位為評價單元，采用二次開發(fā)的主成分模型、層次分析模型和綜合評價模型，分別對南豐蜜橘種植地進行適宜性評價。新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)五師81團以MapInfo與Delphi作為開發(fā)工具，采用OLE自動化技術(shù)開發(fā)建立了基于GIS的棉花土地適宜性評價系統(tǒng)[17]。黃河18]采用GIS與數(shù)學(xué)模型等技術(shù)對福建郊區(qū)蔬菜地的種植適宜性及其環(huán)境質(zhì)量狀況進行分析評價。朱恒星等[19]利用ArcGIS軟件對鳳丹牡丹在重慶地區(qū)的栽植進行了適應(yīng)性評價，并就不同因子制作了適宜分級圖。

2.3 GIS在耕地質(zhì)量動態(tài)變化方面的應(yīng)用

耕地質(zhì)量動態(tài)變化研究是一項以土地資源調(diào)查和土壤資源清查等調(diào)查工作為基礎(chǔ)的應(yīng)用性工作，對提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力和確保國家糧食安全有重要現(xiàn)實意義。20世紀(jì)中期，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進步，為應(yīng)對耕地污染、土壤退化等問題，許多國家相繼展開了土壤普查和土地調(diào)查。美國從1977年開始，采用立法形式正式確立了國家資源清查(NRI)的制度[20]。加拿大也于20世紀(jì)80年代后期在資源調(diào)查的基礎(chǔ)上建立了土壤質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，并按一定標(biāo)準(zhǔn)于1992年確定了23個耕地質(zhì)量長期定位監(jiān)測點[21]。我國自1949年起先后經(jīng)歷了多次土地資源清查或概查，并從1985年起在全國范圍內(nèi)啟動了耕地土壤監(jiān)測工作，期間積累了大量的耕地資源信息和研究成果。陶崇鑫等[22]以耕地質(zhì)量等級監(jiān)測為基礎(chǔ)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)空間模型研究了新疆阿勒泰市的耕地質(zhì)量動態(tài)變化情況，探明了當(dāng)?shù)馗刭|(zhì)量的時空演變趨勢和規(guī)律。蘇南和上海地區(qū)利用地理信息系統(tǒng)將歷史上每十年的耕地變化情況(從1920年起)存入計算機，并用TM衛(wèi)片每年更新1次，研究掌握地區(qū)耕地資源的動態(tài)變化[23]。

2.4 GIS在耕地占補平衡管理中的應(yīng)用

耕地占補平衡管理工作是自1998年《土地管理法》確立占用耕地補償制度以來，我國特有的一項國土資源管理工作。在十余年的實施過程中，占用耕地補償制度在控制建設(shè)用地規(guī)模和實現(xiàn)耕地占補平衡方面發(fā)揮了重要作用。隨著計算機信息技術(shù)的發(fā)展，進入20世紀(jì)80年代后，國內(nèi)學(xué)者開始積極推進基于GIS的耕地占補平衡管理信息化建設(shè)。楊燕芹[24]分析研究了我國在耕地占補平衡管理工作中存在的技術(shù)問題，并有針對性地提出了基于GIS的耕地占補平衡技術(shù)方案。但目前有關(guān)耕地占補平衡管理信息系統(tǒng)的研究仍然較少。2004年，張玉寶[25]通過分析安徽省耕地占補平衡管理工作要點和流程，首次提出了系統(tǒng)建立的總體框架和技術(shù)路線。2006年，劉芬等[26]采用Visual Basic語言對MapGIS平臺進行二次開發(fā)，建立了基于VB的河北省耕地占補折算評價信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了補充耕地數(shù)量質(zhì)量可按等級折算。2010年，滕龍妹等[27]在ArcEngine組件的支持下，以.Net為開發(fā)環(huán)境建立了基于組件式GIS的浙江省標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田占補管理信息系統(tǒng)，將標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田圖屬數(shù)據(jù)管理、占補管理審核等應(yīng)用進行了集成。

2.5 GIS在土壤養(yǎng)分管理及施肥推薦方面的應(yīng)用

土壤養(yǎng)分是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)和核心。隨著信息科學(xué)發(fā)展，精準(zhǔn)養(yǎng)分管理受到了廣泛關(guān)注。在國外，許多發(fā)達國家已經(jīng)通過建立土壤養(yǎng)分和肥料信息系統(tǒng)，對土壤類型、土壤肥力、作物施肥和產(chǎn)量情況等信息進行綜合管理，并在此基礎(chǔ)上形成信息農(nóng)業(yè)和精確農(nóng)業(yè)的技術(shù)支持體系。但國外精準(zhǔn)養(yǎng)分管理模式并不完全適應(yīng)我國國情，目前我國農(nóng)戶分散經(jīng)營的現(xiàn)狀使得精準(zhǔn)養(yǎng)分管理技術(shù)在應(yīng)用實施層面仍存在較多難點。進入20世紀(jì)80年代，我國開始了土壤養(yǎng)分空間變異的定量研究。徐吉炎等[28]于1983年利用半方差分析和空間插值法對彰武縣土壤特性進行了空間變異研究。近年來，一些學(xué)者基于土壤養(yǎng)分時空變異的研究成果，開始探索研究養(yǎng)分精準(zhǔn)管理及推薦施肥技術(shù)。例如，白由路等[29]利用Arclnfo平臺，構(gòu)建了河北省辛集市馬蘭試驗區(qū)土壤養(yǎng)分分區(qū)管理模型；盛建東等[30]利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)集成開發(fā)技術(shù)，建立了新疆阿克蘇地區(qū)土壤養(yǎng)分管理與作物推薦施肥信息系統(tǒng)。

3 存在不足與展望

通過對GIS在國內(nèi)外耕地質(zhì)量管理中的應(yīng)用研究進行梳理，發(fā)現(xiàn)主要有以下幾個方面不足。(1)數(shù)據(jù)質(zhì)量保證性差。由于耕地質(zhì)量管理涉及國土、農(nóng)業(yè)、測繪等多個部門，造成數(shù)據(jù)來源不一、年代不同、格式各異等問題，數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，影響了數(shù)據(jù)信息共享。(2)系統(tǒng)可移植性差。由于空間數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，使得GIS與專業(yè)應(yīng)用模型的集成難度大，且多數(shù)模型具有較強特定性，從而導(dǎo)致系統(tǒng)間可移植性較差。(3)系統(tǒng)集成性不高。因?qū)I(yè)應(yīng)用模型獨立于GIS系統(tǒng)，但又同屬復(fù)雜系統(tǒng)，加之兩者的連接方式不同，各應(yīng)用的程序語言、處理模式也各有差異，使得系統(tǒng)的集成性較差。

今后可以在以下方面作進一步探索。(1)實現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。在數(shù)據(jù)采集時統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)格式，對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和信息共享。(2)采用“3S”一體化技術(shù)。通過GIS與GPS(全球定位系統(tǒng))、RS(遙感技術(shù))的集成，形成實時、動態(tài)的GIS，提高耕地質(zhì)量管理的時效性和精確化程度。(3)引入專家系統(tǒng)。通過在系統(tǒng)中引入專家知識庫和專家推理方法，為耕地質(zhì)量管理提供智能化的分析和推理。

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(責(zé)任編輯：高 峻)

2017-03-03

寧波市農(nóng)科教結(jié)合項目(2015NK28)

秦方錦(1985—)，女，浙江寧波人，碩士，農(nóng)藝師，主要從事土壤肥料推廣工作，E-mail: lemonqfj@163.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170847

S126

A

0528-9017(2017)08-1452-04

文獻著錄格式：秦方錦，王飛，翁穎，等. 地理信息系統(tǒng)在耕地質(zhì)量管理中的應(yīng)用概述[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(8)：1452-1455.