地理信息系统在耕地质量管理中的应用概述

2017-01-18秦方锦葛超楠马建芳徐静高洪可蔚

浙江农业科学 2017年8期

秦方锦，王飞，翁颖，葛超楠，马建芳，王剑，徐静高，洪可蔚

(1.宁波市种植业管理总站，浙江宁波 315000； 2.慈溪市农业监测中心，浙江宁波 315300；3.宁海县农业技术推广总站，浙江宁波 315600； 4.奉化市农业技术服务总站，浙江宁波 315500；5.江北区农技推广服务总站，浙江宁波 315021； 6.北仑区农业技术推广总站，浙江宁波 315800)

地理信息系统在耕地质量管理中的应用概述

秦方锦1，王飞1，翁颖2，葛超楠3，马建芳4，王剑5，徐静高6，洪可蔚1

回顾地理信息系统(GIS)在国内外耕地质量管理上的应用进展，并简要介绍GIS在耕地地力评价、耕地适宜性评价、耕地质量动态变化、耕地占补平衡管理、土壤养分管理及施肥推荐等方面的应用，提出GIS在耕地质量管理中存在的问题及应用展望。

地理信息系统；耕地质量管理；综述

耕地是人类赖以生存与发展的基础资源，是粮食生产能力的基本构成要素，是保障国家粮食安全的基石。近年来，随着经济社会发展，城镇化建设加快，耕地资源约束趋紧，粮食安全、耕地保护面临严峻挑战。基于当前耕地数量减少趋势短时期内难以扭转的态势，合理利用和保护好有限的耕地资源，加强耕地质量管理，是新形势下保障国家粮食安全、促进农业健康发展的重要基础，也是实施“藏粮于地、藏粮于技”战略的重要任务。

地理信息系统(GIS)是一项始于20世纪60年代中期以计算机科学为基础的技术，它将地理空间数据库与计算机信息技术相结合，通过地理模型分析方法，适时提供多种空间的、动态的地理信息，为地理研究及地理决策服务[1]。目前，已发展为一门集计算机科学、测量学、地图学、地理学等多学科为一体的综合性学科，应用于涉及地理信息的多个领域，并呈快速发展趋势。地理信息系统强大的地理空间数据处理和分析能力，可为耕地质量管理和决策提供服务。

1 国内外GIS在耕地管理上的应用进展

1.1 国外应用进展

20世纪50年代，计算机信息技术的不断发展，使得通过计算机收集、存储和处理各种与空间地理信息相关的图属数据成为可能，也因此加速了GIS技术的问世。在继奥地利采用计算机技术建立地籍数据库后，许多国家陆续开发了用于地籍管理的土地信息系统，如加拿大于1963年成功研制了世界上首个地理信息系统(CGIS)，它作为国际上建立最早的一个性能较为完善的大型实用性系统于1971年正式启用，主要应用于自然资源管理和规划[2]。

进入20世纪70年代以后，许多国家相继采用GIS技术建立了土壤数据库。1975年，英国Macauly土壤研究所在苏格兰试建了首个土壤数据库，它是一个包括土壤调查、土壤矿物分析、光谱分析、土壤统计分析等海量数据的国家土壤信息系统。美国于20世纪70年代初建立了土壤数据库，并于20世纪80年代初开发完成了州级及国家土壤地理数据库系统。此外，国际土壤学会还建立完成了1∶100万世界土壤和土地数字化数据库(SOTER)[3]。

进入20世纪80年代以后，计算机软硬件技术的飞速发展为GIS在耕地质量管理上的应用提供了强有力的技术支持，一些发达国家先后建立了专业性的地理信息系统，如美国于1981年提出了土地评价和立地评价系统(LESA)，主要应用于以农业为目的的土地评价。20世纪80年代末期，随着“3S”(遥感技术、地理信息系统、全球定位系统)和地图自动制图等高新技术的发展与应用，GIS在数据更新、动态评价、评价精度等方面取得了长足发展。到目前为止，世界上许多国家和地区均建立了基于GIS的耕地管理系统，如美国纽约土地利用与自然资源信息系统(LUNR)、新西兰微型计算机土地信息系统(MIDGE)、法国国土信息系统等。

1.2 国内应用进展

国内地理信息系统的发展始于20世纪80年代初期，中国科学院遥感应用研究所建立了国内首个GIS研究室。随着GIS技术发展，我国土壤工作者于20世纪80年代中期始建土壤数据库和土壤信息系统。例如，1986年底北京大学遥感中心建立了区域土壤侵蚀信息系统，1989年扬州市土壤肥料站建立的扬州市土壤肥料信息管理系统被农业部土壤肥料总站列为土壤肥料规范化管理软件，并在全国范围内推广应用。

进入20世纪90年代以后，GIS技术在耕地资源管理上的应用研究更为深入，不同应用、不同层次和不同规模的数据库相继建立，同时有关专家系统和专业应用模型等方面的研究也有了较大进展。例如，1991年周慧珍等[4]研究了1∶100万土壤—土地图数据库及土壤退化信息解译；1993—1998年浙江农业大学遥感与信息技术应用研究所研制了浙江省红壤资源信息系统；1999年张新长等[5]采用地理信息系统研究了广东省耕地变化情况；2002年张定祥等[6]进行了1∶100万土壤数据库的建设与应用工作；2004年毕如田等[7]利用GIS技术建立了山西省永济市耕地资源管理信息系统。

近年来，GIS技术通过与专业模型和数学方法的集成，更加有力地助推了耕地资源的合理使用与科学管理。例如，胡德勇[8]用VB和Map Object构建了耕地分等定级系统，实现了GIS功能与耕地分等定级的融合；刘排九等[9]利用VB和MapInfo集成开发技术构建了C/S模式支持下的基于GIS的耕地资源管理信息系统。

2 基于耕地信息系统的应用进展

2.1 GIS在耕地地力评价中的应用

耕地地力是指在当前耕作管理水平下，由土壤本身特性、自然背景条件和基础设施水平等要素综合构成的耕地生产能力，主要包括农田基础设施和土壤肥力。耕地地力评价是以利用方式为目的，评估耕地生产潜力的过程，主要揭示生物生产力和潜在生产力的高低，其实质是对耕地生产力高低的评价。

国外最早以合理利用耕地为目的的耕地评价研究可追溯到20世纪30年代。当时美国提出了世界上首个较为全面的土地利用管理系统，它是一款基于土壤分类的土地利用潜力分类系统。20世纪70年代，随着遥感等先进技术手段在资源调查中的广泛应用，土地研究逐渐由土地资源清查向土地评价发展。继而在20世纪80年代，随着计算机技术、3S技术等高新技术的发展和应用，土地动态评价和评价精度方面取得了巨大进展。进入20世纪90年代以后，地理信息技术在耕地评价中得到了广泛应用：如Luckman等[10]运用专家系统和地理信息系统进行土地评价；Kollias等[11]采用ARC/INFO软件的模糊处理功能对土地资源进行评价；刘钦普[12]利用GIS和SPSS技术对许昌市耕地基础地力进行综合评价；张月平等[13]应用组件式GIS开发了我国第一款耕地地力评价专用软件《县域耕地资源管理信息系统》(简称CLRMIS)。

2.2 GIS在耕地适宜性评价中的应用

耕地适宜性评价是在耕地潜力评价的基础上，综合自然条件、社会经济条件、生态环境等要素，对耕地潜在生物生产能力进行适宜程度评估的过程，以此来全面分析耕地适宜程度和限制程度[14]。20世纪70年代以来，耕地适宜性评价受到了广泛关注。1976年，联合国粮农组织(FAO)颁布了《土地评价纲要》，它是目前国际上使用范围最广、最具影响力的评价纲要。进入20世纪80年代后，随着计算机信息技术的高速发展和广泛应用，耕地适宜性评价朝着系统化、精确化、定量化及综合化方向发展。期间，Ghaffari等[15]从气候和土壤的生产潜力入手，采用GIS技术对英国Kent地区的马铃薯种植进行适宜性评价。赵小敏等[16]在GIS支持下，以Overlay模型得出的土地资源单位为评价单元，采用二次开发的主成分模型、层次分析模型和综合评价模型，分别对南丰蜜橘种植地进行适宜性评价。新疆生产建设兵团农五师81团以MapInfo与Delphi作为开发工具，采用OLE自动化技术开发建立了基于GIS的棉花土地适宜性评价系统[17]。黄河18]采用GIS与数学模型等技术对福建郊区蔬菜地的种植适宜性及其环境质量状况进行分析评价。朱恒星等[19]利用ArcGIS软件对凤丹牡丹在重庆地区的栽植进行了适应性评价，并就不同因子制作了适宜分级图。

2.3 GIS在耕地质量动态变化方面的应用

耕地质量动态变化研究是一项以土地资源调查和土壤资源清查等调查工作为基础的应用性工作，对提高农业综合生产能力和确保国家粮食安全有重要现实意义。20世纪中期，随着经济社会发展和科学技术进步，为应对耕地污染、土壤退化等问题，许多国家相继展开了土壤普查和土地调查。美国从1977年开始，采用立法形式正式确立了国家资源清查(NRI)的制度[20]。加拿大也于20世纪80年代后期在资源调查的基础上建立了土壤质量监测系统，并按一定标准于1992年确定了23个耕地质量长期定位监测点[21]。我国自1949年起先后经历了多次土地资源清查或概查，并从1985年起在全国范围内启动了耕地土壤监测工作，期间积累了大量的耕地资源信息和研究成果。陶崇鑫等[22]以耕地质量等级监测为基础，结合地理信息系统空间模型研究了新疆阿勒泰市的耕地质量动态变化情况，探明了当地耕地质量的时空演变趋势和规律。苏南和上海地区利用地理信息系统将历史上每十年的耕地变化情况(从1920年起)存入计算机，并用TM卫片每年更新1次，研究掌握地区耕地资源的动态变化[23]。

2.4 GIS在耕地占补平衡管理中的应用

耕地占补平衡管理工作是自1998年《土地管理法》确立占用耕地补偿制度以来，我国特有的一项国土资源管理工作。在十余年的实施过程中，占用耕地补偿制度在控制建设用地规模和实现耕地占补平衡方面发挥了重要作用。随着计算机信息技术的发展，进入20世纪80年代后，国内学者开始积极推进基于GIS的耕地占补平衡管理信息化建设。杨燕芹[24]分析研究了我国在耕地占补平衡管理工作中存在的技术问题，并有针对性地提出了基于GIS的耕地占补平衡技术方案。但目前有关耕地占补平衡管理信息系统的研究仍然较少。2004年，张玉宝[25]通过分析安徽省耕地占补平衡管理工作要点和流程，首次提出了系统建立的总体框架和技术路线。2006年，刘芬等[26]采用Visual Basic语言对MapGIS平台进行二次开发，建立了基于VB的河北省耕地占补折算评价信息系统，实现了补充耕地数量质量可按等级折算。2010年，滕龙妹等[27]在ArcEngine组件的支持下，以.Net为开发环境建立了基于组件式GIS的浙江省标准农田占补管理信息系统，将标准农田图属数据管理、占补管理审核等应用进行了集成。

2.5 GIS在土壤养分管理及施肥推荐方面的应用

土壤养分是农业生产的基础，也是精准农业的基础和核心。随着信息科学发展，精准养分管理受到了广泛关注。在国外，许多发达国家已经通过建立土壤养分和肥料信息系统，对土壤类型、土壤肥力、作物施肥和产量情况等信息进行综合管理，并在此基础上形成信息农业和精确农业的技术支持体系。但国外精准养分管理模式并不完全适应我国国情，目前我国农户分散经营的现状使得精准养分管理技术在应用实施层面仍存在较多难点。进入20世纪80年代，我国开始了土壤养分空间变异的定量研究。徐吉炎等[28]于1983年利用半方差分析和空间插值法对彰武县土壤特性进行了空间变异研究。近年来，一些学者基于土壤养分时空变异的研究成果，开始探索研究养分精准管理及推荐施肥技术。例如，白由路等[29]利用Arclnfo平台，构建了河北省辛集市马兰试验区土壤养分分区管理模型；盛建东等[30]利用数据库系统和地理信息系统集成开发技术，建立了新疆阿克苏地区土壤养分管理与作物推荐施肥信息系统。

3 存在不足与展望

通过对GIS在国内外耕地质量管理中的应用研究进行梳理，发现主要有以下几个方面不足。(1)数据质量保证性差。由于耕地质量管理涉及国土、农业、测绘等多个部门，造成数据来源不一、年代不同、格式各异等问题，数据质量参差不齐，影响了数据信息共享。(2)系统可移植性差。由于空间数据的复杂性，使得GIS与专业应用模型的集成难度大，且多数模型具有较强特定性，从而导致系统间可移植性较差。(3)系统集成性不高。因专业应用模型独立于GIS系统，但又同属复杂系统，加之两者的连接方式不同，各应用的程序语言、处理模式也各有差异，使得系统的集成性较差。

今后可以在以下方面作进一步探索。(1)实现数据标准化。在数据采集时统一数据结构和数据格式，对数据进行标准化处理，实现数据交互和信息共享。(2)采用“3S”一体化技术。通过GIS与GPS(全球定位系统)、RS(遥感技术)的集成，形成实时、动态的GIS，提高耕地质量管理的时效性和精确化程度。(3)引入专家系统。通过在系统中引入专家知识库和专家推理方法，为耕地质量管理提供智能化的分析和推理。

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(责任编辑：高峻)

2017-03-03