3S技術在精準農(nóng)業(yè)中的研究與應用

王維亮 潘多斌

摘 要：精細農(nóng)業(yè)是以作物與資源環(huán)境的時空差異為基礎，以計算機技術、多媒體技術和大規(guī)模存儲技術為基礎，以地理信息為載體，以最小投入、最大效益、最小環(huán)境危害為目標，以作物與資源環(huán)境的時空差異為基礎。以地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）和遙感（RS）為核心。以網(wǎng)絡為紐帶，利用大量的農(nóng)業(yè)信息，實施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)辦公本地化管理是農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種新模式。

關鍵詞：GNSS；GPS；GIS；精準農(nóng)業(yè)

中圖分類號：S23 文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190430004

基金項目：蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院支持項目 “基于“3S”技術精準農(nóng)業(yè)構建”（項目編號：JT2017-04） 農(nóng)業(yè)信息化是21世紀全球農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的基本標志和重要保證。充分利用信息技術等高新技術發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)已成為全球農(nóng)業(yè)發(fā)展的熱點和新增長點。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)采用統(tǒng)一耕種、播種、施肥、噴施等農(nóng)藝措施管理耕地。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本高、農(nóng)作物產(chǎn)量和經(jīng)濟效益低、環(huán)境污染等問題。精準農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)工程專業(yè)的一門專業(yè)課。農(nóng)業(yè)的發(fā)展呼喚農(nóng)業(yè)技術的新革命，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化需要高新技術的支持。隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）技術的發(fā)展，精準農(nóng)業(yè)已成為集約化農(nóng)業(yè)信息化和高新技術的基礎，而生態(tài)農(nóng)業(yè)領域的重點是農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。理論研究與實踐應用，有效地促進了我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。精準農(nóng)業(yè)是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理水平、科學有效利用資源和環(huán)境保護效益的重要手段。實施精準農(nóng)業(yè)不僅具有重要的經(jīng)濟效益，而且具有顯著的社會效益和生態(tài)效益。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)以耕地為對象，統(tǒng)一作物生長條件。采取農(nóng)業(yè)、播種、灌溉、施肥、噴施等統(tǒng)一的農(nóng)藝措施。事實上，同一農(nóng)田存在明顯的時空差異。這些差異主要體現(xiàn)在3個方面：田間條件與收獲的空間差異；年產(chǎn)量的時間差異；預測產(chǎn)量與實際產(chǎn)量的差異。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)忽視了作物與資源、環(huán)境的時空差異，采取了均勻施肥、均勻灌溉、均勻噴灌等農(nóng)藝措施。

精密農(nóng)業(yè)是3S技術和自動化技術的綜合應用。根據(jù)現(xiàn)場各作業(yè)單位的具體情況，更好地利用耕地資源潛力，科學合理地利用物質投入，旨在提高作物產(chǎn)量和質量，降低生產(chǎn)成本，減少農(nóng)業(yè)活動污染，改善環(huán)境質量。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，精細農(nóng)業(yè)具有最大的特點：通過科技投入和科學管理的交流，最大限度地節(jié)約自然資源，最大限度地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)手段的精細化、農(nóng)業(yè)資源的精細化投入、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的精細化經(jīng)營和管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的精細化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的農(nóng)業(yè)土壤的耕作，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的優(yōu)質、高效、低消耗。

精準農(nóng)業(yè)的技術原理是根據(jù)土壤肥力和作物生長狀況的空間差異來調(diào)節(jié)作物的投入。在對耕地和作物生長進行定量實時診斷的基礎上，充分了解田間生產(chǎn)力的空間變化，以平衡土壤肥力、提高產(chǎn)量為目標，實施精確的田間定位和定量管理，實現(xiàn)對各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素的有效利用。種植業(yè)?？沙掷m(xù)發(fā)展的目標是改善資源和環(huán)境。實施精準農(nóng)業(yè)，不僅可以最大限度地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，而且可以實現(xiàn)高質量、高產(chǎn)、低消耗、環(huán)保的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標。

1 3S技術

1.1 地理信息系統(tǒng)（Global Position System，GPS）

地理信息系統(tǒng)是計算機技術和空間數(shù)據(jù)結構地理分布的一個新的跨學科研究。可以有效地收集、存儲、管理、分析、描述和顯示地球表面以及數(shù)據(jù)的空間和地理分布。也可用于同一區(qū)域內(nèi)各種類型的空間數(shù)據(jù)組織、分析和映射。這些信息可以形成一個地理信息系統(tǒng)的層次，不同層次的信息數(shù)據(jù)也可以被分析和組合成一個新的層次。

1.2 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS） GPS是以高精度、全天候空間導航衛(wèi)星網(wǎng)絡、全球定位系統(tǒng)、無線電導航系統(tǒng)和定時系統(tǒng)為基礎的。它由空間部分、控制部分和用戶部分組成。GPS觀測時間短，儀器重量輕，操作簡單，具有統(tǒng)一的坐標系和時間系統(tǒng)。它可以提供連續(xù)、實時、高精度、全天候、三維位置、三維速度和時間數(shù)據(jù)。

1.3 遙感技術（Remote Sensing，RS）

RS是利用遙感平臺，攜帶各種傳感器，不遠距離接觸目標物體，根據(jù)接收物體反射或發(fā)射的電磁波來判斷、測量和分析目標物體特性的現(xiàn)代檢測技術。包括信息的采集、傳輸、處理和分析。

2 GIS在精準農(nóng)業(yè)中的應用

地理信息系統(tǒng)（GIS）的主要功能是管理各種空間數(shù)據(jù)。將地形、土壤類型、土壤試驗結果、化肥和農(nóng)藥用量及產(chǎn)量等數(shù)據(jù)輸入GIS系統(tǒng)，進行信息處理，繪制信息電子地圖，提取相關信息提供給GIS系統(tǒng)。施肥專家系統(tǒng)和其他決策支持系統(tǒng)構成了農(nóng)田施肥、灌溉、噴灌等作業(yè)決策。通過各種離散空間數(shù)據(jù)的采集和GPS傳感器的計算，形成狀態(tài)圖。例如：土壤養(yǎng)分分布圖、土壤水分分布、作物產(chǎn)量分布；不同類型的點、線、面空間重疊，基于決策者的數(shù)字化和可視化分析；利用GIS的緩沖分析功能?？梢灾庇^地顯示和分析排灌系統(tǒng)，控制水肥利用率。利用GIS路徑分析功能，可以快速確定農(nóng)業(yè)道路、河流、水井等農(nóng)業(yè)基礎設施的最佳空間布局，以及機械噴灑農(nóng)藥、化肥和農(nóng)作物收獲的最佳作業(yè)路徑。將專家系統(tǒng)與決策支持系統(tǒng)相結合，生成不同生長階段的作物生長診斷圖和播種、施肥、除草、栽培、灌溉、收獲等管理措施的“實施計劃”。計算了地理信息系統(tǒng)數(shù)字高程模型、作業(yè)面積、周長、坡度和能見度空間屬性值。

3 GPS在精準農(nóng)業(yè)中的主要作用

GPS定位技術具有定位精度高、觀測時間短、不需要站間可視通信、提供三維坐標、操作簡便、全天候操作等優(yōu)點。準確定位水、肥、土、作物生長環(huán)境的空間分布，準確定位作物生長和病蟲害的位置，準確定位雜草的空間分布，準確繪制作物產(chǎn)量圖?？膳鋽?shù)量自動導航田間機械、施肥、灌溉、變量噴灑作業(yè)。為了實現(xiàn)上述功能，需要將GPS接收機與現(xiàn)場變量信息采集儀器、傳感器和農(nóng)機相結合。

4 遙感在精準農(nóng)業(yè)中的作用

遙感和傳感器監(jiān)測系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場運行監(jiān)測?，F(xiàn)代遙感技術分辨率達1m以下。通過多波段遙感和遙感，可以獲得大量的多時段地面信息。應用傳感器可以及時獲取信息，進行作物生長監(jiān)測與產(chǎn)量估算、土壤水分含量與分布監(jiān)測、作物水分虧缺監(jiān)測、作物養(yǎng)分監(jiān)測、作物病蟲害監(jiān)測等。

精密農(nóng)業(yè)是3S技術和自動化技術的綜合應用。根據(jù)現(xiàn)場各作業(yè)單位的具體情況，更好地利用耕地資源潛力，科學合理地利用物質投入，旨在提高作物產(chǎn)量和質量，降低生產(chǎn)成本，減少農(nóng)業(yè)活動污染，改善環(huán)境質量。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，精細農(nóng)業(yè)具有最大的特點。通過野外網(wǎng)格取樣和實驗室分析，形成基本過程。制作精確的營養(yǎng)圖，繪制變量管理的控制圖。通過建立集中式數(shù)據(jù)平臺，將GIS數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)、產(chǎn)品可追溯性數(shù)據(jù)和電子商務交易數(shù)據(jù)集成到平臺中，實現(xiàn)項目間的數(shù)據(jù)共享、統(tǒng)一管理和統(tǒng)一分配。為了開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)信息智能管理系統(tǒng)，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度、濕度、光照、土壤水分、養(yǎng)分、害蟲、雜草和作物生長等信息集成到智能決策中。通過科技投入和科學管理的交流，最大限度地節(jié)約自然資源，最大限度地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)手段的精細化、農(nóng)業(yè)資源的精細化投入、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的精細化經(jīng)營和管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的精細化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的農(nóng)業(yè)土壤的耕作，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的優(yōu)質、高效、低消耗。

5 總結

精準農(nóng)業(yè)是一種以信息為基礎、以知識為基礎的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理和管理技術。需要利用先進的田間信息采集技術獲取農(nóng)田作物產(chǎn)量空間分布信息以及影響作物生長的主要因素。還要處理這些信息，利用農(nóng)業(yè)科學知識制定農(nóng)田和農(nóng)作物生長規(guī)劃。作物栽培管理決策，以指導分布式配方種植，以達到有效利用資源、高產(chǎn)出、低投入和可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)化目標。我國是世界上最重要的農(nóng)業(yè)國。占世界耕地的7%，解決了世界22%人口的衣食住行問題，取得了顯著成績。然而，人口增長與土地資源減少之間的矛盾是不可逆轉的。為了滿足日益增長的經(jīng)濟和人民生活的需要，必須保持農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。解決這一問題的根本途徑在于科學技術。這種形勢迫使我們啟動精準農(nóng)業(yè)技術，尋找發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的途徑。因此，精準農(nóng)業(yè)在降低投資、降低成本、減少環(huán)境污染、控制農(nóng)產(chǎn)品、標準化和批量生產(chǎn)、易加工、出口等方面具有積極的作用和意義。

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