“3S“技術(shù)在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的研究進(jìn)展

張悅湘

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙410128）

精細(xì)農(nóng)業(yè)是20 世紀(jì)80 年代由加拿大、美國的農(nóng)業(yè)科技研究中心提出的一種綜合跨學(xué)科的思想，隨后中國、英國、日本等國也開始了在該領(lǐng)域的研究[1]。精細(xì)農(nóng)業(yè)是以可變尺度區(qū)塊管理為模式的微觀技術(shù)體系[2]。其核心技術(shù)是以地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、遙感技術(shù)（RS）所構(gòu)成的“3S”系統(tǒng)。由于濕度、地形、病蟲害等因素帶來的影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在小尺度差異，根據(jù)當(dāng)?shù)亍?dāng)時的作物生長情況及土壤環(huán)境狀況，制成矢量化的數(shù)據(jù)圖，按作物生長所需施肥、施藥，將高經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境保護(hù)有機(jī)結(jié)合。而“3S”技術(shù)，則能從不同方面為實現(xiàn)該目標(biāo)提供技術(shù)支持。

1 GIS 及在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

1.1 全球定位系統(tǒng)（GPS）

GPS 是一種衛(wèi)星定位系統(tǒng)，為航空、海洋和陸地領(lǐng)域的用戶提供高精度的定位數(shù)據(jù)。它包括三個部分：由24 顆衛(wèi)星組成的空間部分，由地面監(jiān)測站和地面控制站組成的地面部分，用戶接收部分[3]。該系統(tǒng)利用衛(wèi)星無線電技術(shù)進(jìn)行定位和導(dǎo)航。由于衛(wèi)星具有準(zhǔn)確的待定點功能，全球定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)全球、全天候、連續(xù)定位。

1.2 GPS 在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

農(nóng)田空間所處地區(qū)作物生長影響因素和作物平均產(chǎn)量信息的收集是實施精細(xì)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。全球定位系統(tǒng)(GPS)可以提供三維位置和時間信息，其在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用包括地形測量（圖1）、農(nóng)機(jī)具精確定位和田間機(jī)械的自動導(dǎo)航[4]。

將GPS 安裝在農(nóng)用機(jī)械，如播種機(jī)、翻耕機(jī)、田間取樣機(jī)、收獲機(jī)和施肥機(jī)上，可以提供農(nóng)用機(jī)械精確定位的空間坐標(biāo)，以便于農(nóng)用機(jī)械在田間作業(yè)時的路線規(guī)劃和作業(yè)管理。

結(jié)合農(nóng)田信息采集技術(shù)，收集和分析作物生長信息，加上土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、磷、氮、鉀和病蟲害等環(huán)境因素的分布，建立該地區(qū)的處方圖，農(nóng)業(yè)機(jī)械根據(jù)處方圖和實時地圖信息，進(jìn)行定量施肥、灌溉、噴藥等現(xiàn)場作業(yè)。

圖1 利用DGPS 測定的土壤圓錐指數(shù)[5]

2 RS 及在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

2.1 遙感技術(shù)（RS）

遙感技術(shù)是利用各種傳感探測器，接收和探測來自目標(biāo)事物所發(fā)射的電磁波，以實現(xiàn)不接觸物體而從遠(yuǎn)處感知物體。將接收到的電磁波經(jīng)過傳輸處理及分析，便可獲取監(jiān)測物體的屬性及各項監(jiān)測指標(biāo)。為分析地球表層的各類地物信息，研究人員在不同高度平臺上安裝電磁波采集接收器，接收不同的電磁波信號[6]。

2.2 RS 在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

遙感技術(shù)利用高分辨率傳感器接收農(nóng)作物反饋的光譜信息，為精細(xì)農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)庫提供農(nóng)作物的空間定位和定性分析[7]，實現(xiàn)農(nóng)作物的綜合監(jiān)測，是完成生產(chǎn)過程和收集環(huán)境信息的基礎(chǔ)。遙感技術(shù)能夠真實、全面地反映各種作物的固有光譜特性，從而提高對作物區(qū)分的精確程度。遙感技術(shù)在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要包括提高農(nóng)機(jī)具作業(yè)定位精度、改善農(nóng)業(yè)遙感影像解譯技術(shù)、更新農(nóng)田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械與“3S”技術(shù)融合等。

具體應(yīng)用于以下幾方面：（1）作物種植面積的估算與監(jiān)測，作物覆蓋數(shù)據(jù)實時記錄，作物分類，各作物種植面積計算；（2）監(jiān)測作物生長狀況，并據(jù)此估計作物產(chǎn)量（圖2）；（3）對作物的生長環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，如土壤狀況、病蟲災(zāi)害等，實時調(diào)控，以保證作物產(chǎn)量。

圖2 利用RS 生成的某農(nóng)田冬小麥小區(qū)單產(chǎn)空間分布圖[8]

3 GIS 的優(yōu)勢及其在精細(xì)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用

3.1 地理信息系統(tǒng)（GIS）

地理信息系統(tǒng)（GIS）利用計算機(jī)軟、硬件設(shè)備，對地球表層空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并結(jié)合地理模型分析法對數(shù)據(jù)值進(jìn)行處理。該系統(tǒng)的操作對象是空間數(shù)據(jù)，包含幾何數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)[9]。地理信息系統(tǒng)可以實現(xiàn)對地理數(shù)據(jù)的采集管理、空間屬性的的分析及顯示，其強(qiáng)大的圖形處理能力、地理空間分析能力以及空間模擬和決策能力可以提供實時的動態(tài)數(shù)據(jù)。

3.2 GIS 在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

GIS 系統(tǒng)作為精細(xì)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫的管理者，起著大腦神經(jīng)中樞的作用，用于管理農(nóng)田環(huán)境狀況、土壤條件、作物生長情況與產(chǎn)量估算以及病蟲害發(fā)展趨勢等數(shù)據(jù)。在處方?jīng)Q策方面（圖3），GIS 可用來繪制各種產(chǎn)量圖、農(nóng)田土壤信息圖、田間作物長勢圖等[10]；在農(nóng)作物銷售流通方面，可以將GIS 與物流分析、車輛調(diào)派、路線規(guī)劃等技術(shù)相結(jié)合，以便農(nóng)產(chǎn)品能更快速的抵達(dá)產(chǎn)品銷售區(qū)，保障產(chǎn)品質(zhì)量；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源環(huán)境監(jiān)測方面，該系統(tǒng)可以匯集各類資源信息，建立應(yīng)用資源模型，分析各類資源分布及使用狀態(tài)，便于更優(yōu)決策的制定。

圖3 土壤理化性質(zhì)處方分布圖[11]

43S 技術(shù)在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的綜合應(yīng)用

“3S”技術(shù)是三大技術(shù)GPS、GIS、RS 技術(shù)的合稱。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水土流失調(diào)查、農(nóng)田土地資源調(diào)查、自然災(zāi)害監(jiān)測與評估、精細(xì)農(nóng)業(yè)作物產(chǎn)量監(jiān)測與估算等領(lǐng)域[12]。將“3S”技術(shù)集成研究，是“3S”技術(shù)的最新發(fā)展方向。遙感技術(shù)的優(yōu)點是可以快速獲取各類作物生長和地表生態(tài)環(huán)境的分布信息。GPS 的優(yōu)點是提供準(zhǔn)確的定位數(shù)據(jù)，而GIS 可以對采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行管理和分析。集成是為了解決精細(xì)農(nóng)業(yè)中信息處理的自動化問題，將空間信息學(xué)的研究大規(guī)模的投入生產(chǎn)使用，使空間信息的獲取處理到生成分析一體化[13]。

“3S”技術(shù)的整合，可以有效地管理各種農(nóng)業(yè)資源的空間信息，發(fā)展科學(xué)的農(nóng)業(yè)管理模式，監(jiān)測農(nóng)業(yè)資源和生產(chǎn)活動，將數(shù)據(jù)收集、分析、決策整合為一個共同的信息流，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本，避免資源的浪費，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。

5 問題與對策

由于現(xiàn)有農(nóng)業(yè)體制的局限性，技術(shù)裝備和相關(guān)人才的缺乏，中國的精細(xì)農(nóng)業(yè)正處于研發(fā)階段。

（1）國內(nèi)“3S”類產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)應(yīng)用還十分短缺，僅有少數(shù)GIS 設(shè)備可支持農(nóng)業(yè)使用，且功能較為單一。不少發(fā)達(dá)國家已形成規(guī)?；霓r(nóng)用“3S”產(chǎn)品市場，為精細(xì)農(nóng)業(yè)提供大量軟、硬件設(shè)備。生產(chǎn)者可根據(jù)自身農(nóng)田需求，購買相應(yīng)的生產(chǎn)與管理設(shè)備，并可以個性化定制。

（2）目前國內(nèi)農(nóng)戶所使用的農(nóng)業(yè)定位設(shè)備大部分采用美國GPS 技術(shù)，與美國本土相比，國內(nèi)的GPS 使用費用更高[14]，同時國外智能農(nóng)機(jī)設(shè)備大多安裝有DGPS 系統(tǒng)以消除誤差，相較于國內(nèi)擁有更高的定位精度。我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已進(jìn)入二期使用階段，但投入農(nóng)用領(lǐng)域作業(yè)仍處于研發(fā)階段，與此同時國內(nèi)目前的農(nóng)用定位設(shè)備價格較高，體積較大，不適用于便捷攜帶。

（3）我國農(nóng)業(yè)正處在向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)邁進(jìn)的階段，還存在農(nóng)民信息化意時淺薄、生產(chǎn)人員技術(shù)水平較低的問題。同時目前信息農(nóng)業(yè)成本較高，農(nóng)戶基本收入較低，無法承擔(dān)昂貴的儀器設(shè)備也是阻礙“3S”技術(shù)發(fā)展的因素。

6 結(jié) 語

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，但農(nóng)業(yè)集約化水平較低，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的程度較差，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)、工程設(shè)備技術(shù)、農(nóng)業(yè)種植技術(shù)是精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。“3S”技術(shù)作為精細(xì)農(nóng)業(yè)的核心，我國在這一領(lǐng)域仍有許多技術(shù)難題等待解決。推進(jìn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)農(nóng)用化，發(fā)展精細(xì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)化[15]，可最終實現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向綜合感知、高速傳輸、智能管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。