3S技术在中国精细农业中的应用分析

摘要：当前，精细农业代表着农业发展的方向，也是农业研究的重点。以全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感技术(RS)和计算机自动控制技术为核心技术引发的一场新农业技术革命，将对中国农业技术的发展产生重大影响。为此，本文介绍了“3S”技术在精细农业中应用。　　

关键词：精细农业 ；3S技术；应用　　

3S技术是RS，GPS和GIS 三大技术的合称，它们在土壤侵蚀调查、农田土地资源调查、农作物估产和监测、自然灾害监测和评估等农业领域已得到了广泛的应用。近年来，以“3S”技术为基础的精细农业受到了极大的关注。“3S”综合技术的最新发展是“3S”技术集成。集成反映了空间信息系统从数据获取到数据处理到信息生成的全过程，“3S”集成也就是要解决该过程的全自动化问题，使空间信息学的研究真正进入大规模实用化阶段。“3S”技术引入农业研究和实践，可有效地管理具有空间属性的各种农业资源信息，对农业管理和实践模式进行分析测试，便于制定决策、进行科学和政策的标准评价，能有效地对多时期的农业资源和生产活动变化进行动态监测和分析比较，可将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，提高农业生产效率和效益。精细农业(精准农业或者精准农作)是近年来国际上农业科学研究的热点领域。精细农业的含义是按照田间每一操作单元的具体条件，精细准确地调整各项土壤和作物管理措施，最大限度地优化使用各项农业投入，以获取最高产量和最大经济效益，同时保护农业生态环境和土地等自然资源。精细农业是现有农业生产措施和新近发展的高新技术的有机结合，其核心技术是全球卫星定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感技术(RS)和计算机自动控制系统。精细农业是信息农业的重要组成部分，其特点是应用地理信息系统将已有的土壤和作物信息资料整理分析，作为属性数据，并和矢量化地图数据一起制成具有实效性和可操作性的田间管理信息系统。在此基础上，通过GIS，GPS，RS和自动化控制技术的应用，按照田间每个操作单位(位点)上的具体条件，相应调整投入物资的施入量，达到减少浪费、增加收入和保护农业资源和环境的目的¹。　　

1 GIS和在精细农业中的应用　　

1.1地理信息系统(GlS)　　

地理信息是指和所研究对象的空间地理分布有关的信息，它表示地表物体和环境固有的数量、质量、分布特点、联系和规律。地理信息属于空间信息，具有区域性、多维结构和动态变化的特点。地理信息系统(GIS)是指用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统。一个典型的地理信息系统包括计算机系统(硬件、软件)、地理数据系统、应用人员和组织机构等。地理信息系统是由计算机技术和空间数据相结合而产生的高新技术，它包含了处理地理信息的各种高级功能，其基本功能是数据采集和编辑、数据存储和管理、数据变换和管理(包括数据变换、数据重构和数据抽取)、空间分析和统计(包括拓扑叠合、缓冲区建立、数字地形分析、空间集合分析)、产品制作和显示、二次开发和编辑。　　

1.2 GIS在精细农业中的应用　　

　1.2.1　基于GIS的土壤性状数据库建设　　

应用GIS系统能将土壤边界、地形地貌、土壤类型、排灌水系统、历年的土壤测试结果、化肥和农药等使用情况和历年产量结果做成各自的G1S图层管理起来。通过历年的产量图分析，能看出田间产量变异情况，找出低产区域。然后，通过产量图和其它相关因素图层的比较分析，找出影响产量的主要限制因素。在此基础上，制定出该地块的优化管理信息系统，用于指导当年的播种、施肥、除草、防治病虫害、中耕和灌水等管理措施。同时，当前的各项管理措施又作为一个新的GIS图层储存起来，用于下一季作物管理的决策参考。　　

　1.2.2　害虫综合治理　　

GIS在害虫综合治理中的重要应用之一是显示害虫在环境中的分布。能够显示的有关害虫的生态学变量包括发生数量、发生面积、发生程度、各级虫龄的密度、为害率和发生期等。目前，GIS在害虫综合治理中的研究领域主要是森林和牧场，农业害虫的研究甚少；研究的主要害虫包括舞毒蛾Lymantria dispar、马尾松毛虫Dendrolimuspunctatus和棉铃虫He．1icoverpa armigera等。在这些应用中，GIS的主要作用组建害虫地理信息系统数据库、分析害虫发生的时空动态和规律性、评估害虫发生的适宜生境和影响因子、预测害虫的发生趋势等。中国昆虫学工作者在GIS应用研究方面已取得了一些研究成果，如利用GIS对马毛松毛虫Dendrolimus Punctatus、棉铃虫Heli．coverpaArmigera等分别进行了比较深入的研究，并组建了综合管理信息系统或者专门的地理信息系统²。但和发达国家相比，中国害虫综合治理领域的GIS研究还比较落后，许多工作处于基础或者摸索阶段。　　

　1.2.3　植物病害的管理　　

病害管理一个很重要的方面是信息管理，它在未来几十年里将成为提高农业生产的关键。因为农业系统本质上具有空间性，所以在空间数据库中管理农业信息变得更有意义。农业系统的生物和非生物因　　

子造成了空间上的异质性，结果斑块性成为植物病原和病害的分布和发生准则。用地理信息系统把流行学信息和其它的农业信息组织在一起能大大提高植物病害的管理水平。地理信息系统能够收集、存贮、　　

管理、显示涉及到地理坐标的数据。基于空间，利用地理信息系统能把许多和病害有关的数据(如病害发生数据、病原物数据、作物数据、地理数据、气象数据、植保机构分布数据和农业生产的其它数据)整合在一起，构建一个地理信息系统数据库。　　

2  RS和在精细农业中的应用　　

2.1遥感技术(RS)　　

遥感技术指的是从不同高度的平台上使用不同的传感器，收集地球表层各类地物的电磁波信息，并对这些信息进行分析处理，提取各类地物特点，以探求和识别各类地物的综合技术。它是精细农业田间信息获取的关键技术，通过不同波段的反射光谱分析，可提供农田小区内作物生长环境、生长状况，并能实时地反馈到计算机中，帮助了解地块内土壤和作物的空问变异情况，以便进行科学管理和决策。　　

2.2精细农业中田间信息的获取　　

遥感信息是获得作物生长情况最有效、最实时的方法之一。在精细农业中，遥感信息用于作物病虫害防治、作物追肥等具有很大潜力。但是，目前所用的地球资源卫星数据，因为其地面分辨率为25～30m，对作物施肥来讲似乎有点太粗。因而，以施肥为目的的遥感信息最好是航模遥感、航空遥感或者其它形式的近地面遥感。同时，遥感信息的解译也是精细农业重要的研究内容，主要是按照作物长势、叶色等判断土壤养分状况，结合土壤养分的测定，用于施肥决策。　　

该方法比用纯粹的土壤养分测定方法实时且费用比较低。　　

3 GPS和在精细农业中的应用　　

3.1 全球定位系统(GPS)　　

GPS是以卫星为基础的无线电测时定位、导航系统，可为航空、航天、陆地和海洋等方面的用户提供不同精度的在线或者离线的空间定位数据。全球定位系统原是美国国防部为适应军事需要而建立的全球定位导航系统。该系统由空间卫星、地面监控和用户设备组成。GPS系统的空间部分由分布在6个轨道上的　2l　颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成；GPS系统的地面支撑部分由设在美国本土的1个主控站、大西洋和太平洋的3个注入站和上述各站和夏威夷的5个监控站组成。这些站不间断地对GPS卫星进行观测，并将计算和预报的信息通过注入站对GPS卫星进行信息更新；GPS系统的用户设备部分主要由天线单元和接收单元两大部分组成³。GPS系统利用工作卫星的信号来准确测定待定点的位置，形成了全天候、全球性、连续定时定位的能力，完全解决了人类在地球上导航和定位问题。　　

3.2精细农业中作业信息的定位　　

因为GPS具有高精度、全天候、高效率、多功能和操作简便等特点，使得GPS广泛应用于精细农业的各个方面。GPS在精细农业中的作用包括精确定位、田间作业自动导航和测量地形起伏状况。为了实现以上功能，GPS需要和农田机械结合，随着农田机械在田间作业，同时进行精确定位、田间作业自动导航和测量地形起伏。因为具有精确定位功能，农业机械既能将作物需要的肥料送到准确的位置，又能将农药喷洒到准确位置。这不仅有助于提高作物产量，而且能降低肥料和农药的消耗。　　

　3.2.1　病虫草害的监测　　

应用GPS监测病虫草害是植物保护预测预报的新手段。它通过GPS系统连接高质量视频摄像系统拍摄分析图像，收集原始数据，监测大田作物，得出田间病虫草害分布大小位置和通过逐次拍摄确认病虫草害发展方向流行趋势。特别是山地丘陵地区，植物保护监测工作困难，利用GPS系统，通过遥感技术进行卫星定位监测分析，确定作物分布特点和病虫草害流行趋势，以便制定出具体的防治措施。所以，GPS在山地丘陵等地的作物林地上的应用更加方便于植保工作。　　

　3.2.2　植保机械施药技术　　

GPS在植保机械上的应用体现在两方面：一方面，能把GPS传感器装在植保机械上，通过差分GPS系统进行三维定位，按照病虫害情况的不同调节农药喷洒量，避免重叠喷药，从而节约原料的投入，降低生产成本，且其经营能像工业流程一样连续进行，从而实现规模化经营；另一方面，利用GPS导航飞机进行施药，能提高工作效率，减轻劳动强度，同时节约防治费用。　　

4 3S技术在精细农业中的综合应用　　

地理信息系统的优势是管理和分析，全球定位系统的优势是精确定位，遥感技术的优势是快速提供各种作物生长和农业生态环境在地表的分布信息。它们能做到优势互补，促进精细农业的发展。GPS能确定农业机械在田间作业中的精确位置，GIS可对各种田间数据进行处理和分析，二者结合为科学种田提供了所需要的定位和定量的技术手段，进行田间作业和田间管理。例如，地理信息系统能够按照地块中土壤特性和土地条件，结合GPS提供的位置数据，指挥播种机进行定量播种，确定播种的疏密程度。在GIS和GPS指挥下，农药喷洒机能去病虫害发生地自动喷洒农药。RS和GIS结合提供了多种数据源，从而为建立农田基础数据库奠定了基础。农田基础数据库是农田科学管理的基础，搭载在农田机械上的地理信息系统，能记录下各种农田操作过程中的数据，如作物品种、播种深度、喷洒农药类型、施肥和灌溉和收获产量，同时记录下田间作业时的位置和范围、灌溉量、化肥使用量、喷施部位、农药喷洒量、使用时间和当天天气状况。通过RS，则能获得作物生长情况、作物生态环境等数据。将这些数据都记录在数据库内，日积月累就形成了农田基础数据库J。　　

5  结语　　

3S技术在精细农业的发展中具有良好应用前景，但也面临如下问题：农业遥感图像的解译技术的完善、农田作业定位精度的提高、农田基础数据库的更新和农田机械和“3S”技术的集成。　　

中国是一个农业大国，但农业的生产水平差距较大，农业集约化总体水平较低，要实现农业现代化，必须要利用现代化信息技术、生物技术和工程装备技术发展具有中国特色的精细农业。3S技术是精细农业的核心技术，以3S为核心技术引发的一场新的农业技术革命，必将会对中国农业技术的发展产生重大变革。　　

参考文献　　

[1]王军，地理信息系统和其在害虫综合治理中的应用[J]．浙江农业学报，2000，12(4)：233—238．　　

 [2] 梅方权．中国农业信息化建设的前景展望[J]．计算机和农业，2012(3)．　　

[3] 沙宗尧， “3S”技术的农业应用和精细农业工程[J]．测绘通报，2003(6)：29—31．