GIS技术在精准农业中的应用

　　司南导航：我国作为农业生产大国，其可耕种的土地资源分布较为松散，农业机械化水平较低，农业生产长期以来 均以“靠天吃饭”为主，其生产过程和作业方式随意性 较大，从而导致农业生产对化肥、农药、水资源的消耗 量长期超标。为了实现我国农业的可持续化发展，让有限的土地能够种植更多的农作物，国家在近年来提出 要大力发展精准农业。但是在精准农业的推广过程中，其中的精准度不仅包括对于各类农业生产信息的采集 和收集，而且包括了经济合理作业方式的选择和执行。 GIS技术出现为实现生产信息的收集、存储、分析、管理 奠定了坚实的基础，本文将针对GIS在精准农业中的应 用形式展开相应的研究。

　　1.精准农业产业特征分析

　　1.1精准农业理论发展历程 精准农业最初是由美国的农业学家在上世纪八 十年代所提出，其是农业学家根据对农作物生产模拟 实验、标准化栽培技术以及合理的水肥管理等相关学 科共同发展下，从而提出了这一对农作物的栽培管理 进行定位并按需定量投入的理论[1]。 随着以GIS、GPS、RS等为代表的地理信息技术不 断成熟和进步，其与计算机系统、机械自控系统、无线 通讯技术结合的紧密程度越来越高，从而使得根据作 物生长环境因素和信息的变化进行精细调控管理的精 细农业理论从遥不可及的理论转变为触手可及的技术 高峰。

　　1.2精准农业的含义和特点 精准农业又被称为精细农业，是国、内外农业科 研领域的焦点。精准农业主要是利用RS进行宏观控制，用GPS精确定位地面位置，用GIS将农业生产区的 地形、地貌、作物种类和长势、土壤质地和养分、水分状 况等进行储存，按区内要素的空间变量数据进行计算， 从而精确设定最佳耕种时间、施肥与灌溉计量、病虫害 防治时机与方式等相关农业生产作业内容。 精准农业主要是通过各类传感、遥感遥测技术，从 而能够准确地掌握其土壤、水肥、病虫害、作物产量等 在时空上的差异，从而达到以最小的生产投入获取最 大经济利益与生态利益的目的。

　　2.GIS技术概述

　　2.1RS与GPS技术简介 RS是Remote Sensing的英文缩写是遥感遥测技术 的简称，其主要通过设备从距离地表一定高度的空间 收集地表发生或反射的各类电磁波信息，并通过对上 述电磁波信息就 西宁层层梳理、筛选从而读取部分有 用的图像信息，目前已被应用于植被资源调查、作物产 量估测、病虫害监测等领域。 GPS是Global Positioning System的英文缩写中文名称为全球定位技术，其主要通过分布于全球上空的 同步地球通讯卫星为客户提供精度较高的经纬度坐标 与绝对高程信息。该技术主要被用于全球导航、大地测 量测绘、野外科考、人员定位等领域。

　　2.2GIS技术特征 如果说RS技术是人类探知世界的眼睛，GPS技术 是一枚灵敏的指南针，那么GIS技术便如同人类的大 脑，其是以计算机强大的数据计算能力为先决条件，从 RS与GPS两项技术所收集和提供的错综复杂的数据中 甄别出与农业生产相关的特征图像信息。从本质而言， GIS技术更像是一种对空间图形数据进行分析、储存、管理的工具，因此其具有极强的分析、查询和辅助决策 功能[2]。

　　3.GIS技术在精准农业生产的应用形式

　　通过上文中对于精准农业的阐述，其本质便是利 用各种先进技术来精确掌握农田与农作物的各项指 标，并以此为依据确定最为经济和合理的生产投入，从 而在经济、环境等方面获得最高回报。目前，我国GIS技 术在精准农业上的应用主要体现在农田信息采集与查询、田间精准化水肥管理以及农业病虫害监控与预报 等三个方面[3]。

　　3.1农田信息采集与查询

　　农田或其他农业生产区的基础信息是开展精准 化农业生产的前提条件，其基础信息的准确性和精准 度直接影响着后期相关农业作业方式的开展，但是目 前我国农田信息定位采集工作中存在外业作业空间定 位能力较弱、定位数据密度较低等问题。不少地区虽然 基本完成了农田或农业生产区的基础信息采集工作， 其中往往存在数据“以点带面”的问题，从而导致数据 的精度大幅下降。同时，在信息采集的过程中，相关数 据必须带回超值数据中心进行再次编辑处理对信息添 加地理坐标等空间信息，其在编辑和转录中部分数据 会出现漏项或错项，而多次编辑转录工作也大大增加 了系统数据更新的工作量从而导致系统数据更新不及 时。上述问题随着近年来传感技术、多传感信息融合技 术、无线通讯技术等相关技术的不断突破，使得农田基 础信息的集成化采集成为了可能[4]。

　　首先，发达的无线通讯技术大大加快了现场采集 终端与后台数据库之间数据交互的能力，这使得现场 终端设备不必再安装容量庞大的数据存储设备，其可 直接通过无线网络访问后台数据库，并将所采集的农 田基础信息上传至服务器。伴随着数据交互能力的增 强，在终端研发的过程中不仅可缩减存储器的容量，而 且可将部分运算任务布置在后台处理器中从而大大释 放了终端的运行空间，使其能够同时处理更多的任务 进程。 其次，激光测量技术的普及使得农田基础信息的 测量和采集工作效率得以大幅提高，利用激光测量技 术能够实现农业生产区长度、面积、区域高程等相关数 据的实时测量，而测量设备的小型化趋势也使其能够 被应用于更多的测量载体平台，如无人机、无人船、测 绘车等，进一步提升了测绘的速度和精度。

　　最后，传统的农田信息调查采集工作通常以纸质材料进行保存，其既不利于信息的查询与调阅，又不利 于信息的保管与储存，而且无法进行分析统计。利用 GIS技术便可将农业生产信息与地理信息有机地结合 起来，从而赋予各类农业信息前所未有的空间与时间 特征。在GIS技术的应用过程中，不但可以明确农业普 查区域界线、科学合理地规划现场调查路线，而且可以 有效地监管农业信息普查人员的工作效率。同时，利用 GIS技术还能将各类纸质的信息资料进行图形化、可视 化，从而弥补传统农田信息统计数据以表格和文字材 料为主的不利局面。

　　3.2田间精准施肥

　　相关资料显示我国农业生产中所消耗的化肥、农 药以及水资源的消耗量远远高于欧美等发达国家，这 一局面不但导致了我国农业生产时消耗了大量宝贵的 水资源，而且超量的施用化肥农药还将造成农业生产 区域内生态环境的破坏，亦提高了农业生产成本。而基 于GIS技术的田间精准施肥系统主要依靠土壤水肥信 息的掌握程度和定点定量施肥灌溉技术的应用。 鉴于各类农业传感器和探测器的技术越来越成 熟，其无论是在测量准确性、产品价格、设备稳定性等 方面已取得了长足的进步，但在未与GIS技术相结合 时，上述探测设备所提供的相关土壤水肥的信息仅仅 是一堆指标性的数值，而结合GIS技术后所有测量数值 便被赋予了独立的地理坐标信息。包含着地理坐标信 息的土壤水肥数据不断通过无线传输设备上传至后台数据库，数据库则可根据相关的地理坐标信息较为便 利地建立起一整片农业水肥信息监控体系。

　　定点定量的水肥灌溉系统，先根据土壤水肥信息监控系统中所提供的相关数据信息，并结合当地的气 候环境信息推算出每一处农田需要的灌溉用水量或农 药及化肥的施用量，随后系统将利用预先铺设的灌溉 管道或利用移动式灌溉机械进行灌溉作用。在灌溉系统作业期间，GIS技术设备在相关自动驾驶设备的配合 下，能够按照其所提供的最优行进路线进行灌溉作业， 既减少了重复行走所损失的燃料和水肥试剂，又可以 确保每一处农田得到充分的灌溉[5]。尤其是目前无人机 技术的普及，其灌溉施肥的效率远高于传统灌溉技术。 另外，基于GIS的田间精准灌溉技术还能将所有的 作业信息以图形形式显示在各类终端设备上，便于操作人员进行水肥用量的统计和比对，从而积累下大量基础数据以供今后对灌溉方案进行进一步优化和调 整。

　　3.3农业病虫害监控与预报

　　我国作为农业耕作面积较大的几个国家之一，但是在农业生产中却容易因各类病虫害而造成农作物的 大规模减产甚至绝收，同时我国农业病虫害还具有爆发时间短、扩散速度快、受灾面积大、持续时间长等特 征，其不仅与我国农业病虫害防治技术水平较低有着 密切的联系，而且与我国农业病虫害监测与预报技术不完善有着一定的联系。传统的农业病虫害监测预报 工作的难点在于灾情的掌握和灾情信息的数据化等内 容，鉴于任何农业病虫害的爆发都存在一定的规律性， 为此利用GIS技术对其灾情信息进行数据化处理并为 病虫害预报和防治工作提供有力支持。

　　我国中原地区农业生产中蝗虫灾害对农作物的生产影响较大，而蝗虫则具有迁移能力强、转移速度快 等特点，历来均称为中原地区农业病虫害防治工作的重点关注对象。近年来河北省相关农业科研机构利用 GIS技术建立了一套较为完善的灾情监控预报系统。 该系统主要由数据取样与分析、蝗虫迁移路径分 析等多个子系统组成。

　　蝗情遥感系统是首先利用卫星或无人机所对需要监测的农业生产区进行远程摄像，随后通过红外线 光谱分析技术从诸多图像信息中筛选出符合蝗虫红外 线光谱特征的图像信息，并计算出单位面积内蝗虫的 分布密度，从而起到蝗情遥感监测的目的。同时，根据不同虫龄在虫体红外特征上的细微差异，亦可确定整 个区域蝗虫群体中的幼虫与成虫的比例系数，进一步 为启动不同的防治机制奠定基础。

　　数据取样与分析系统则是由信息采集员利用手 持式移动终端对现场的灾情进行复核，从而最终确定 蝗灾的实际受灾情况。同时，利用手持式移动终端还可就地输入受灾地区已采取或投放的部分除虫药剂的数 量和种类，系统后台可将受灾情况、抗灾手段进行统一 的格式化，并赋予上述数据不同的地理信息以便后续 相关预警工作的开展。

　　关预警工作的开展。 相关资料显示蝗虫迁移路径通常由两种情况决 定，其一食物来源，其二近期主要风向。食物作为蝗虫生存和繁殖的必要物资，任何蝗虫的迁移都是以其作 为首要目标，而蝗虫虽然具备一定的飞行能力但其迁移过程中往往依赖于当地较为强劲的气流。因此，该系统发现某地出现较为严重的蝗虫灾害后，对周边区域 内农作物集中产区定位并按照蝗虫迁徙的距离进行估 算，结合当地气象数据信息，从而得出该受灾地区中的 蝗虫大致的迁徙方向，进而提前向相关地区发出蝗虫 灾害的预警信号，告知其开展相关预防工作。

　　通过上述三项子系统的运作中原地区农业部分已经基本实现了对蝗虫灾害的有效监管和提前警示， 为开展相关防治工作作出了积极贡献。基于相同的技术原理，我国农业部分也开始逐步探索利用GIS技术对 农业生产中其他主要病虫害进行相应的灾害监测和预 警工作。

　　4..结束语

　　通过上文的相关论述，不难发现在精准农业模式中推广和应用GIS技术需要采集大量的基础数据，而这 些数据的采集则要耗费大量的人力和财力，因此在我 国现阶段农业生产技术还较为薄弱的时期，该项技术还将长期处于探索和研究阶段，广大从业人员应在不断实践中探寻一条满足我国农业生产基本国情的应用 之路。 同时，对节水灌溉、病虫害防治、水肥管理等领域 进行重点关注，集中力量力求在上述领域中进行突破， 从而弥补我国农业生产在上述领域中与发达国家的差 距，最终实现“弯道超车”。

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