3S技术在精准农业方面的应用与发展研究

2013-10-08王梦晗杜英坤

中国科技信息 2013年18期

王梦晗杜英坤

山东农业大学信息科学与工程学院,山东泰安 271018

引言

“3S”技术是指全球定位系统(GPS)、遥感(RS)和地理信息系统(GIS)，是目前对地观测系统中空间信息获取、存贮管理、更新、分析和应用的三大支撑技术。目前被广泛应用与国土、水利、农业、林业、军事等领域。近年来3S技术更是成为农业现代化的必要手段。

我国作为一个人口大国，在农业生产方面有着相对更高的要求，解决十几亿人吃饱、吃好的问题，最主要途径的就是发展农业，然而我国的传统农业已经无法应对人口增长过快、耕地面积下降、水土流失严重等问题，因此，开辟出一条新的农业发展模式已成为当务之急。而精准农业的产生对于最大限度挖掘耕地生产潜力、实现生产要素的高效利用和保护农田生态环境有着重大意义。本文重点阐述了精准农业中3S技术的应用与发展。

1 精准农业概述

1.1 精准农业涵义

所谓精准农业，是主要应用3S技术,还有作物生产管理辅助决策支持系统和智能化农业机械装备技术, 在定位采集地块信息的基础上，按照田间每一操作单元的环境条件和作物产量的时空差异性，精细准确地调整各种农艺措施，最大限度地优化水、肥、种子、农药等的量、质和时机，以期获得最高产量和最大经济效益，同时保护农业生态环境，确保农业可持续发展[1]。

1.2 精准农业技术体系

一般来说，精准农业系统体系结构可以概括为以下10个系统，即全球定位系统(GPS)、农田信息采集系统、农田遥感监测系统(RS)、农田地理信息系统(GIS)、农业专家系统(ES)、智能化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统，其核心是3S(即GIS、GPS、RS)技术[2]。精准农业技术体系结构图如图1所示：

图1 精准农业技术体系结构图

2 3S技术与精准农业

2.1 遥感技术（RS）在精准农业中的应用与发展

（1）作物长势监测和大面积估产 RS是精准农业获得田间数据的主要来源，在精准农业中，遥感技术在于利用高分辨率遥感信息，获取小区域长势与背景的差异，从而提供精准农业所需的信息。

作物长势监测是运用高分辨率传感器，在不同的作物生长期，实施全面监测，利用遥感数据对作物的环境动态与分布情况进行宏观估测，即使了解作物的分布状况、生长状况、便于采取管理措施。这种监测是持续进行的，在监测过程中不断提供农业资源的数字变化和图件依据，为作物生产管理者或管理决策者提供及时准确的数据信息平台。

在我国，近20多年来，农作物遥感监测一直是遥感应用的一个重要主题。从“七五”利用气象数据进行北方十一省市小麦估产起步，经过“八五”重点粮区主要农作物估产研究，到“九五”建立全国遥感估产系统，使我国的遥感技术在农业领域不断向实用化迈进。

（2）提供资源调查及动态监测数据源在精准农业体系中，遥感将为精准农业实施提供大量的田间时空变化信息，包括农田灌溉、施肥、病虫害防治、杂草控制及作物收获等方面信息。遥感技术将成为检测土壤和作物的主要数据源。

从20世纪60年代将多光谱原理应用与遥感后，人们根据各种植物和土壤的光谱反射时特性，建立了丰富的地物波普和遥感图像解译标志在农业资源调查与动态监测等方面开展了大量并成功的应用。2000年，农业部遥感应用中心设立草地遥感监测和预警系统，建立起了技术先进、快速准确的中国草地退化和草畜动态平衡遥感监测系统。

（3）遥感灾害监测和损失评估在地理信息系统的支持下，可实现对遥感获取的灾情信息与地面现实信息的有机结合，进行森林病虫害、水污染、火灾、以及旱涝等方面的遥感监测。由于遥感技术能够及时准确的获取有关信息，已广泛应用于信息采集和信息处理，实现灾前预警、灾情监控、灾后评估。目前我国主要应用于洪灾、作物病虫灾害、旱灾、土地沙化以及森林火灾等。[3]

2.2 全球定位系统（GPS）在精准农业中的应用与发展

GPS功能在于实时动态地定位作业对象和作业机械的空间位置，并将此信息转变为地理信息系统能存储、管理的格式。

（1）智能化农业机械作业的动态定位自动导航田间作业机械，实现变量施肥、灌溉、喷药等作业。

（2）农业信息采集样点定位在农田设置的数据采集点、自动或人工数据采集点和环境监测点均需GPS定位数据，以便形成数字信息进行存储与共享。

（3）遥感信息GPS定位即对遥感信息中的特征点用GPS采集定位数据，以便于与GIS配套应用。

由于GPS 具有精确定位功能, 农业机械可以将作物需要的肥料送到准确位置, 也可以将农药喷洒到准确位置。这不仅有助于提高作物产量, 也可以降低肥料和农药的消耗。上世纪80、90 年代以来, 用GPS同时测定三维坐标的方法将定位测绘技术从陆地与近海, 扩展到整个海洋和外层空间; 从静态扩展到动态;从事后处理扩展到实时、准实时定位与导航; 定位精度也越来越高。[4]

2.3 地理信息系统（GIS）在精准农业中的应用与发展

GIS是精准农业的核心技术，应用该系统可以将土地边界、土壤类型、地形地貌、灌水系统、历年的土壤测试结果、化肥和农药使用情况以及历年产量结果做成各自的地理信息系统图管理起来。

（1）数据采集和接受功能 GIS能够接受并处理通过RS、GPS及传感器采集到的各种农业资源数据并能管理所采集到的数据。精准农业作为一个完整的大系统，各种农业资源数据都通过GIS流入、决策、控制、流出。

（2）空间分析可进行分布分析、拓扑分析、地形分析、缓冲分析等，与各种专项模型相结合，可以为决策系统提供实时、可靠、快速的依据。

（3）绘制专题图 GIS提供强大的制图功能，除了管理数据，还可以进行空间图形的矢量化和聚类处理，生成指导操作的农作物相关专题图。

3 3S技术在精准农业中存在的问题

3.1 成本较高，难以平民化

按照目前我国的技术情况，要真正实现全部室内作业，农民需要每隔3-5天得到一张农田地区高分辨率遥感图片。这需要很高的成本以及技术水平，而且对于我国广大的农民群众而言，既没有能力投入这么高的资金，也无法短时间内掌握影像判读技术。因此发展低成本的遥感图像和智能化提取农作物征兆信息的技术对提高我国农业管理有十分重要的意义。