基于3S技术的智慧农业研究进展

佟彩,吴秋兰,刘琛,翟德坤,王兵兵

山东农业大学信息科学与工程学院,山东泰安271018

基于3S技术的智慧农业研究进展

佟彩,吴秋兰*,刘琛,翟德坤,王兵兵

山东农业大学信息科学与工程学院,山东泰安271018

智慧农业是智慧地球的重要组成部分，它将成为我国现代农业未来的发展趋势，以遥感、地理信息系统、全球定位系统为一体的3S技术为智慧农业的实现提供了技术支撑。本文在对国内外相关文献资料分析研究的基础上，首先探讨了遥感技术（RS）在智慧农业中土地资源信息、作物长势信息和作物生态环境信息的采集和作物产量估产、灾害损失评估中的应用。然后分析了地理信息系统（GIS）在智慧农业中信息存储、分析和智能化处理方面的应用，着重研究了农田信息可视化与专题图制作、农业信息空间分析与建模、田间管理智能决策等应用。其次又对卫星定位（GPS）技术在智慧农业中空间和时间定位、土地更新调查、监测作物产量等方面的应用进行了探讨。最后，针对3S集成技术在智慧农业中的应用进行了总体分析研究。

智慧农业;3S技术;空间分析;集成应用

我国十分重视农业信息化的发展，2005～2013年中央1号文件均提出要积极推进农业信息化。加大农业科技创新、加强农业信息基础建设、促进农村信息化和发展现代农业已成为我国新时期的重大历史任务。

随着3S(Remote Sensing，RS，遥感；Geography Information System，GIS，地理信息系统；Global Positioning System，GPS，全球定位系统)、物联网、云计算等技术的在农业领域的应用，传统农业正在加快向现代农业转型，智慧农业成为现代农业未来发展的趋势[1]。

1 RS技术在智慧农业中的应用

RS技术是指以飞机、人造地球卫星、航天飞机等为运载工具，通过其上安装的探测仪器，获取和记录地球表面上物体或景观的电磁辐射信息，并经过信息的传输及处理，识别出地物或景观的属性、分布及其发展演化的规律，进而对地球的资源、环境等进行研究分析的综合技术。农业信息全面感知是智慧农业的基础，是整个智慧农业链条上最基础的环节，RS技术在智慧农业中利用高分辨率传感器，采集地面空间分布的地物光谱反射或辐射信息，在不同的作物生长期，实施全面监测，根据光谱信息，进行空间定性、定位分析，为定位处方农作提供大量的田间时空变化信息[2]，RS技术是智慧农业实现全面感知的核心技术之一。

1.1 土地资源信息感知

土地资源信息感知是农业信息感知中的重要组成部分，是智慧农业实现的基础保证。遥感具有采样范围大的特点，可以在较大范围内对农业资源进行快速调查。而随着遥感影像分辨率的不断提高，农业资源调查的精度也在不断的提高。席庆云利用SPOT 5遥感影像数据对四川省凉山州冕宁县开展了各比例尺土地利用调查方法的研究[3]。邵景安使用中等分辨率的TM影像，针对重庆市1997～2005年期间土地利用变化展开了研究[4]。El-Kawy等应用中等分辨率TM影像对埃及尼罗河三角洲西部进行土地资源动态变化的监测，对1984年、1999年、2005年和2009年的4幅遥感影像进行比对分析，得出这三个阶段贫瘠地变为农业用地的增幅分别为28%、14%和9%[5]。

1.2 作物长势信息感知

不同的作物具有不同的光谱反射特性。不同的作物生长阶段和环境的差异也会引起光谱反射特性的变化。作物长势是作物生长发育状况评价的综合参数，长势监测是对作物苗情、生长状况与变化的宏观监测。利用RS技术对作物生长的不同阶段进行监测，获得不同时间序列的图像，结合由物联网技术得到的监测数据判定它的营养、水分状况及生理状况，自动进行液体肥料施肥、自动灌溉、自动降温、自动喷药等自动控制。由王道龙研究员主持完成的“星陆双基遥感农田信息协同反演技术”课题，探索了综合应用陆基无线传感器网络技术、多源卫星遥感定量反演技术、时空耦合和数据同化技术进行快速获取农田环境和作物时空连续参数的新技术和新方法，填补了国内技术的空白。

1.3 作物生态环境信息感知

对比于物联网的无线传感节点，遥感可以在大范围上把握农作物的生态环境信息。应用RS技术可以实时监测土壤侵蚀面积、土地盐碱化程度及其变化趋势，也可以对土壤水分、养分和水体环境及水体污染等作物生态环境进行动态监测。姚远等利用实测得到的不同盐渍化程度的盐渍土高光谱数据和电磁感应数据构建了新疆渭干河—库车河三角洲的土壤高光谱盐分指数遥感监测模型。结果表明：将高光谱和电磁感应数据与多光谱遥感技术相结合进行区域土壤盐渍化信息的提取，其精度和反演效果明显优于传统多光谱遥感方法中单纯利用土壤盐分指数所建立的监测模型[6]。Maeda等在肯尼亚的邰塔山区，在拥有有限地面数据的情况下，运用遥感数据和经验模型实现地面水分反射蒸发量的估算，结果表明该方法较适合该研究区[7]。

1.4 作物产量估产

作物产量是重要的经济情报，因此每个国家都很重视作物产量的估算。生产者可以根据各种植被指数，如：比值植被指数（RVI）和归一化植被指数（NDVI）等来估算农作物产量，实施农业宏观调控。陈鹏飞等利用环境减灾卫星时序归一化植被指数对山东禹城的冬小麦进行产量估测，并建立了可靠的估产模型。所建模型的建模决定系数为0.87，相对误差为5.02%；交叉检验决定系数为0.78，相对误差为6.87%[8]。何亚娟，Heather McNirn等人利用2011年的SPOT 5遥感数据对广西扶绥县的甘蔗进行叶面积指数LAI反演，建立最佳NDVI-LAI反演模型，同时结合不同生育期甘蔗叶面积指数的时序变化规律，建立各生育期甘蔗叶面积指数LAI与产量的相关关系，得到甘蔗叶面积指数LAI-产量最佳估产模型。模拟结果与统计数据相比，相对误差仅为2.6%[9]。

1.5 灾害损失评估

气候异常、极端天气等自然灾害影响着作物的生长，RS技术可以监测与定量评估作物受灾程度。利用RS技术提供的信息结合作物的生长日历特点可以较准确的评估作物受灾害面积及程度，针对具体受灾情况，进行补种、浇水、施肥或排水等灾后生产自救措施，尽可能的减少损失。李强子等利用环境减灾星的多光谱、热红外数据及MODIS数据建立了中国西南地区的干旱监测方法，实现了旱情遥感监测、地表可用水资源监测和旱情对农作物的影响分析，结果表明2010年广西、贵州和云南3省份受旱灾面积达9.13×105、5.43×105和9.00×105hm2[10]。Feng等用多时空MODIS遥感数据及时监测冬小麦冻害的发生和分布状况，结果表明NDVI是最好的监测特征[11]。Tapia-Silva等运用遥感影像和辅助数据进行农作物受洪涝灾害后的损失情况估测，并建立了相关模型，与基于NDVI方法的结果相比，该模型的准确率为66%，提高了32个百分点[12]。

2 GIS在智慧农业中的应用

GIS是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。由于物联网和遥感技术在智慧农业中的深化应用，农业信息具有了多种数据采集的手段和感知终端，所以智慧农业庞大的数据集有着比以往更大的容量、更高的多样性和复杂性。要想使这些大数据更好的服务于农业，必须要从农业大数据产生、存储、分析、管理等各个角度管理好这些大数据，因此农业信息的智能处理与分析是智慧农业建设中需要解决的重要问题。GIS作为智慧农业的核心组件，将RS、GPS、专家系统、决策支持系统等组合起来，可以实现农业信息的存储、分析和智能处理[2]。

2.1 农田信息可视化与专题图制作

与一般的信息系统相比较，GIS具有空间信息可视化功能，它可将获取的各种田间信息图形化，绘制各种田间信息的空间分布图，以二维平面、三维立体以及动态等方式形象展现，便于用户直观分析、查询和统计。GIS具有制图功能，它可以将各种专题要素地图组合在一起，产生新的地图，为智慧农业信息提供一个直观的展示平台。如：制作病虫灾害覆盖图、耕地地力等级图、农作物产量分布图以及农业气候区划图等农业专题地图。林韦君等在GIS平台上对大宗农产品数据进行信息可视化管理研究，最终实现大宗农产品数据信息的可视化与规范化[13]。艾延华等提出一种面向专题地图属性信息的LOD可视化方法，应用TreeMap实现了属性信息的多层次展示，并将面域拓扑制图技术Cartogram与之结合，建立了顾及区域拓扑特征的多层次属性信息空间定位方法，为受众提供了面向属性信息的跨层次空间认知策略[14]。陈谊等利用GIS实现了基于比例符号图的定性结果可视化、基于地区分布图的定量结果可视化以及基于直方图的时间序列数据可视化，为专业人员和决策者快速理解和分析全国农药残留的分布情况、正确决策提供帮助[15]。

2.2 农业信息空间分析与建模

农业信息空间分析与建模是智慧农业智能决策的技术基础。GIS针对数据存储格式的不同，提供了多种不同类型的空间分析方法。在农业领域较为常用的空间分析方法包括空间插值、缓冲区分析、叠置分析、地形分析、流域分析以及空间统计分析。这些空间分析方法可以与各种专项模型相结合，进行农业信息的预测、评估以及划分等，为农业决策提供实时、可靠和快速的依据。刘升平在其博士论文中应用GIS技术和空间统计分析方法，开展了农业区域经济影响分析方法的研究，并提出了一种具有较好的通用性、实用性、扩展性和人机界面的分析报告自动生成方法[16]。李强在其博士论文中，采用RS和GIS技术集成技术与数理模型、空间统计分析等方法，在不同的时空尺度上分析了黄土高原南部地区及其典型区土地利用的时空差异性特征，并将空间抽样方法与Binary Logistic回归模型相结合对其土地利用类型与其影响因素之间的关系作了定量分析，构建土地承载力评测模型，并提出将灰色线性规划模型(GLP)分别与CLUE-S模型及CA-Markov模型相结合的两种方案，利用两种方案将优化结果配置到空间单元上[17]。

2.3 田间管理智能决策

智能决策是农业智慧化的关键，GIS能监测农田土壤养分、水分、虫害等的变化情况，根据获取的农田信息的实际情况，绘制地形图、农田信息分布图等，制定施肥、喷洒农药、灌溉等科学管理方案。吴战平等利用组件GIS二次开发技术和数据库技术建立了贵州农业气候资源决策支持系统，主要实现了地理信息数据与气候属性数据的管理，通用GIS功能与专业气候资源分布式模型的集成应用。并具体应用在贵州农业气候资源分布式模拟研究以及可行性论证中[18]。陈智芳等建立了以WebGIS为基础的多指标灌溉信息管理系统，系统可使操作人员既能够通过地图宏观了解灌区和决策结果的总体情况，又能对离散资料进行分析和整合[19]。

3 GPS在智慧农业中的应用

GPS可以提供实时、全天候和全球性的导航、定位、定时服务。农业信息空间和时间变化量的采集是实现智慧农业的关键之一，GPS在智慧农业中具有核心地位，其实时定位和精确定时功能可为智慧农业提供实时、高效、准确的点位信息，从而实时地对农田水分、肥力、杂草和病虫害、作物苗情及产量等进行描述和跟踪；为农机作业提供高效导航信息，使农业机械将作物需要的肥料送到准确的位置，将农药喷洒到准确位置[2]。

3.1 空间和时间定位

智慧农业中GPS主要用于定点定位，即测量指定点的经度、纬度和高程，以确定其具体位置。如：用来确定田间地块土壤信息采样点位置，然后结合其土壤的含水量、氮、磷、钾、有机质、病虫害等不同信息的分布情况，辅助农业生产中的灌溉、施肥、喷药等田间操作。另外在翻耕机、播种机、田间取样机、施肥喷药机、收获机等农具上安装GPS，可以精确指示机具所在位置坐标，对农业机械田间作业和管理起导航作用，如行驶中如何转向、何时转向。

3.2 土地更新调查

GPS在土地数据采集中的应用常常分为两种情况：一是直接用GPS技术对土地空间数据作实时更新和采集；二是把GPS接收机的实时差分定位技术与地理信息系统的电子地图相结合，组合成各种土地数据的野外测量系统；另外GPS还可以直接应用土地空间数据的采集，提供辅助的定位数据，可大大提高成果数据的精度和应用范围。吴明凤等采用RTK(动态GPS)与全站仪联合作业的方法对确山县城镇地籍进行更新调查，结果证明该方法可以快速、准确的获得界址点、地物点的定位信息，能满足国家和省二次土地调查中对于界址点的精度要求[20]。刘庆元等提出基于嵌入式系统的多功能差分GPS在土地调查中的应用，对嵌入式设备野外数据采集系统进行设计，并介绍其在土地调查中的作业流程，实现了高精度的数据采集、处理、格式交换一体化[21]。

3.3 监测作物产量

结合GIS监测作物产量，并绘制作物产量分布图。在作物田间收割时，联合收割机上装有的GPS接收机记录下该植株所处位置，利用产量监测器记录下植株产量，并通过计算机绘制出每块土地的产量分布图。魏新华等利用集成DGPS系统和机组作业速度检测装置等，研制了一套处方农作车载嵌入式信息处理系统。模拟测试试验结果表明：该系统信息处理功能正常，能够完成农田信息分布图的生成和处方图的解译，机组作业速度检测绝对误差≤0.1 km/h、处方图解译最大延迟时间≤1 s，3 km/h作业速度下的网格判别误差约为-0.5～0.6 m，适合各种智能化处方农作系统田间作业机组的车载信息处理应用[22]。解菁等人针对区域特色农产品和受到“指定原产地保护”的农产品，通过将GPS模块集成到多功能溯源电子秤中，设计了应用GPS的农产品产地定位与标识系统。系统的实际测试结果表明，其产地判断准确率可以达到97%[23]。

4 3S技术的集成应用

RS具有周期性、大范围、多时相、多波谱、高分辨率地获取地面物体面状信息的特点，可以获取农田作物的生长环境、生长状况和空间变异的大量时空变化信息；GIS在存储管理和分析处理空间点、线、面信息方面具有强大的空间与属性信息一体化处理能力，可以建立农田土地管理、自然条件、作物产量的空间分布等空间数据库；GPS具有全球性、全天候、高精度实时动态地获取全球范围内任意实体点、线信息的优势，可以准确获取农田信息并快速定位。

在智慧农业中，单纯地运用RS、GIS与GPS中的某一种技术往往不能满足需要，不能提供智慧农业实施过程中所需要的对地测量、存储管理、信息处理、分析模拟的综合能力。将RS、GIS、GPS有机结合，构成一个一体化信息获取、处理、应用的技术系统。在3S集成技术中，RS是GIS的一个重要数据源和强有力的数据更新手段，GIS作为一种空间数据管理、分析的有效技术，可以为RS提供各种有用的辅助信息和分析手段，而GPS则为RS、GIS系统中处理的空间数据获得准确的空间坐标提供了获取和定位手段，并且可以作为一个数据源为GIS提供相关数据，三者已发展成为不可分割的整体，相互渗透相互补充，3S技术真正将农业空间信息的精确采集和利用变成了现实[24]。李文璐在其硕士论文中以山东省东营市广饶县丁庄镇为研究对象分别对基于RS的农业资源信息感知、基于GIS的农业资源信息智能管理与决策、RS-GIS集成的农业资源动态监测以及GPS-GIS集成的土壤理化性状信息感知模式进行构建并应用[25]，为3S集成技术在智慧农业信息感知和智能化处理方面的应用提供了参考。母金梅等将3S集成技术在应用于我国作物估产、长势检测、气象和病虫害预报、精细施肥、灌溉等，达到了精准施肥、精确灌溉、节肥节水、智能决策等目的[26]，对推动3S集成技术在智慧农业的应用具有重要的理论和现实意义。

5 结束语

我国是一个农业大国，各地区农业资源条件差异显著。智慧农业的建设对我国农业增产、农民增收以及实现我国耕地总量动态平衡具有重要意义。随着空间信息技术的日益发展和完善，3S技术作为智慧农业的技术基础和核心将得到迅速发展，一方面智慧农业的研究和建设为3S技术的发展创造了条件，另一方面3S技术的发展为实现智慧农业的全面感知和智能处理提供了技术支撑。目前3S技术在智慧农业的应用研究已经取得了一定的成绩，但是由于受现有的农业经营体制限制，在农业领域的应用还不够深入，具体应用方案和技术还需要进行不断地探索和研究。

[1]施连敏,陈志峰,盖之华.物联网在智慧农业中的应用[J].农机化研究,2013(6):250-252

[2]李道亮.物联网与智慧农业[J].农业工程,2012(1):1-7

[3]席庆云.SPOT5卫星遥感影像数据在农村土地利调查中的应用与分析[J].地球,2012(2):104-107

[4]邵景安.RS-induced characteristics of land use change in Chongqing,China[J].农业工程学报,2008,24(8):58-62

[5]R Abd El-Kawy,Rød J K,Ismail H A,et al.Land use and land cover change detection in the western Nile delta of Egypt using remote sensing data[J].Applied Geography.2011,31(2):483-494

[6]姚远,丁建丽,阿尔达克·克里木,等.基于实测高光谱和电磁感应数据的区域土壤盐渍化遥感监测研究[J].光谱学与光谱分析,2013(7):1917-1921

[7]Maeda EE,Wiberg DA,Pellikka PKE.Estimating reference evapotranspiration using remote sensing and empirical models in a region with limited ground data availability in Kenya[J].Applied Geography,2011,31(1):251-258

[8]Chen Pengfei,Yang Fei,Du Jia.Yield forecasting for winter wheat using time series NDVI from HJ satellite[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013,29(11):124-131

[9]何亚娟,潘学标,HeatherMcNirn,等.基于SPOT遥感数据的甘蔗叶面积指数反演和产量估算[J].农业机械学报,2013(5):226-231

[10]李强子,闫娜娜,张飞飞.2010年春季西南地区干旱遥感监测及其影响评估[J].地理学报,2010,65(7):771-780

[11]Feng Meichen,Yang Wude,Cao Liangliang.Monitoring Winter Wheat Freeze Injury Using Multi-Temporal MODIS Data[J].Agricultural Sciences in China,2009,8(9):1053-1062

[12]Felipe-Omar Tapia-Silva,Sibylle Itzerot,Saskia Foerster,et al.Estimation of flood losses to agricultural crops using remote sensing[J].Physics and Chemistry of the Earth,2011,36(7/8):253-265

[13]林伟君,石慧芳,穆军,等.基于GIS的大宗农产品数据信息可视化管理研究[J].广东农业科技,2012(16):185-188

[14]艾廷华,周梦杰,陈亚婕.专题地图属性信息的LOD表达与TreeMap可视化[J].测绘学报,2013(6):453-460

[15]陈谊,王嘉良,侯堃.基于GIS的信息可视化方法及应用研究[J].系统仿真学报,2012(9):1877-1881

[16]刘升平.基于GIS的农业自然灾害区域影响分析方法研究[D].北京:中国农业科学院,2012

[17]李强.基于GIS的黄土高原南部地区土地资源利用与优化配置研究[D].西安:陕西师范大学,2012

[18]吴战平,于飞,谷晓平,等.基于组件GIS的贵州农业气候资源决策支持系统[J].中国农业气象,2010(31):107-111

[19]陈智芳,王景雷,刘祖贵,等.基于WebGIS的多指标灌溉信息管理系统[J].中国农业科学,2013,46(9):1781-1789

[20]吴明凤,刘元健.RTK与全站仪在城镇地籍更新调查中的联合应用[J].科技信息,2012(5):113

[21]刘庆元,文继超,黄文嘉,等.基于嵌入式系统的多功能差分GPS在土地调查中的应用研究[J].测绘通报,2011(3):38-40

[22]Wei Xinhua,Dan Zhimin,Sun Hongwei,et al.Development of vehicular embedded information processing system for map-based precision farming[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013,29(6):142-149

[23]解菁,孙传恒,周超,等.基于GPS的农产品原产地定位与标识系统[J].农业机械学报,2013,3(44):142-146

[24]杨微,周宏璐,韩成伟,等.3S技术在我国农业生产中的应用[J].吉林农业科学,2009,34(6):58-59,62

[25]李文璐.基于3S的乡镇农业资源信息化技术模式与应用机制研究[D].泰安:山东农业大学,2011

[26]母金梅,申志永.3S技术在我国农业领域的应用[J].农业工程,2011,1(2):68-70

A Review of Wisdom Agriculture Based on 3S Technologies

TONG Cai,WU Qiu-lan*,LIU Chen,ZHAI De-kun,WANG Bing-bing
School of Information Science and Engineering/Shandong Agricultural University,Taian,271018,China

Wisdom agriculture is an important part of the wisdom Earth,it will become the future development trend of China's modern agriculture.The integration of 3S technologies,including Remote Sensing,Geography Information System, Global Positioning System,has provided technical support to achieve wisdom agriculture.Based on the analysis of relevant literature at domestic and abroad,firstly we discuss the application of Remote Sensing(RS),which is used in the wisdom agriculture containing land resource information,crop condition information,eco-environment information collection and estimating yield of crop,disaster losses assessment.After that,we analyzed the application of Geography Information System(GIS)in wisdom agriculture including information storage,analysis and intelligent extraction,especially focusing on the visual implementation of field information and making thematic map,spatial analysis modeling of agricultural information,and intelligent decision for field management.And then the Global Positioning System(GPS)application in wisdom agriculture about spatial and temporal positioning,land updated survey,and monitoring crop yield are discussed. Finally,we proceed to a discussion about how 3S integrated technologies can be used in the wisdom agricultural applications at an overall analysis.

Wisdom agriculture;3S technologies;spatial analysis;integrated application

S126

:A

:1000-2324(2015)06-0856-05

2013-08-25

:2013-11-11

国家高技术研究发展计划(863计划)(2013AA102301);山东省农业重大应用技术创新课题

佟彩(1990-),女,山东沂水人,硕士研究生,主要从事农业信息化研究.E-mail:magicmj@163.com

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:wqlsdau@163.com