基于3S技术的智慧农业系统研究

苏璐璐　薛东剑

摘要：该文以3s技术为核心，引人物联网、云计算等新技术，利用Java相关技术，实现了智慧农业系统，为农业生产提供了快速有效的信息服务支持，使农业管理走向了可视化、精准化和智能化，帮助农业信息化开拓了更广阔的发展空间。

关键词：3s技术；智慧农业；物联网；云计算；系统

1背景

当今农业发展的重要方向是农业信息化，物联网、云计算、人工智能、3s技术等现代信息技术，对我国传统农业向现代农业转变产生了重大影响，使农业信息化朝着智慧农业的方向蓬勃发展，显著提高了农业生产的科学化和定量化水平，取得了较好的经济效益。美国最早在收割机上安装了全球定位系统，德国农业生产中计算机和网络的使用已超过了90%，进入新世纪后，日本、澳大利等国也先后实施农业信息化战略，建设农业数据库，以信息化带动农业发展。3s技术在农业生产中，精确定位土地，调动大型农业机械作业，定量播种施肥，得到了广泛应用。发达国家大力把这些新兴技术与农业生产深度融合，现代农业进入了一个智能发展时期。从国外发达国家学习引入先进机械和最新技术，为我国智慧农业的生产和发，提供重要的经验借鉴和技术支持。3s技术的推广应用，智慧农业系统的实施，提升了我国农业信息化、智能化和规模化的水平，保障了我国农产品供给和粮食安全，创造了巨大的社会经济效益。

2智慧农业与关键技术

2.1智慧农业

智慧农业由精准农业发展而来，精准农业首先出现在美国，随着信息化技术的不断发展，引入遥感影像和地理信息系统，对农作物进行定量估产和病虫害监测，使用全球定位系统对农作物进行，定量播种、施肥、灌溉和喷洒农药。欧美一些发达国家在精准农业研究中，经常进行数据交换、和合作研究，保证了精准农业生产和技术发展同步进行，为随后智慧农业的发展创造了良好的技术条件。物联网、云计算、深度学习、电子商务模式和3S技术的快速发展和广泛应用，涉及了农用水污染处理、农业气象预报、农业病虫害等各方面。引入新技术，减少了资源投入，也保证了农产品的产量和质量，对农业生产的智能化、规范化和效益化，有着重要意义，随着科学技术的发展，现代化农业生产，必将日新月异，取得惊人的进步。

2.2关键技术

物联网涉及了GIS、GPS、RFID、無线通信技术、云计算、嵌入式技术等很多技术，利用物联网的感知、网络和应用三层结构，把网络传输、WEB服务、云计算、RS和GIS等技术应用到农业生产的各环节。云计算有数据高度共享、规模大等特点，采用数据即服务的模式，分布式存储数据方式，保证存储数据的可靠性，可以为用户快速提供可靠、稳定的数据信息，同时结合各类数据信息，构成一个庞大的分布式系统体系，分散了智慧农业系统海量数据的压力，使用用户可以进行多并发访问，为智慧农业系统的数据存储和访问，提供了一套完整的解决方案。在大互联网环境下的B2C等电子商务模式，为顾客和农产品之间，农户和农机之间，政府和农户之间，搭建了一座桥梁，解决了“提供服务”和“服务需求”这种关系，根据不同服务需求，在线查找和发布有关信息，快速为各类用户提供所需服务，完成农业生产。

地理信息系统（Geographic hfformation System，GIS）、遥感技术（Remote Sensing，RS）和全球定位系统（Global Positioning System，GPS）统称为3S技术。GIS用于空间数据可视化的查询、分析和综合处理，RS能够大范围获取地物信息的特征和变化，GPS能够快速定位并获取准确的位置信息，三者紧密结合为地学研究提供了新方法，为智慧农业的发展提供了重要技术手段。3S技术已在智慧农业中得到了广泛使用，实现了农业的精准生产与管理，国内外智慧农业的发展经验，证明了3S技术综合集成应用，将是发展趋势，以3s和人工智能等技术为核心的现代化智慧农业，将对我国农业技术的发展产生重大影响。3S技术在土地利用调查、土壤侵蚀监测、自然灾害预防与评估等农业领域也得到了广泛应用，近年来，3S技术在推动智慧农业发展方面，受到了社会各界的极大关注。

33S技术在智慧农业中的应用

3.1 3S技术集成模式

3S集成技术是将RS、GIS、GPS三种对地观测新技术紧密结合在一起。就三者的作用和地位而言，GIS充当了大脑作用，对信息加以空间管理和快速分析，RS和GPS作为两只眼睛，负责获取大量的影像数据和空间定位信息，为科学研究、政府管理、社会生产提供了新一代的技术手段、描述语言和思维工具。3S不等于GPS、RS和GIS的相加，3S可以和其他技术、学科相结合构成多“s”，如数字摄影测量系统DPS、专家系统Es等，都应有计算机通信技术的参与。3s问的相互结合是集成的初级起步阶段，集成方式可以在不同的技术层面上实现。低级层面表现在它们之间的一些功能相互调用功能，高级阶段表现为三者之间直接共同作用，形成一个有机的统一系统，对数据进行动态更新，快速准确地获取定位信息，实现实时的现场查询和分析判断。随着信息技术的飞速发展，3s集成系统有一个从低级到高级的发展和完善过程，目前尚属起步阶段。

3S集成中遥感与地理信息系统的集成是最重要的核心内容，遥感为地理信息系统提供了稳定、可靠的数据源，而GIS可以为遥感影像提供区域背景信息，提高影像的解译精度。GPS和GIS集成是GIS中的电子地图需要GPS提供实时的定位信息，给用户提供一种空间组合信息服务，GPS给出了动态绝对位置，GIS提供了地物的静态相对位置，二者在一个相同的坐标系统下建立联系，在电子地图上实时、准确、形象的展示和查询。GPS的精确定位功能帮助RS解决了定位困难的问题，可以在同步方式或非同步方式下调用。三者集成可以实现一个高度的自动化、实时化和智能化的GIS系统，能为各种应用、复杂问题提供科学依据和解决方法，为动态管理、实时决策提供在线支持服务。尽管3S集成获得了广泛的应用，但仍有许多尚未彻底解决的问题，如空间坐标不统一，数据的时间性不一致，没有独立的方法和技术，受制于计算机软硬件和多学科技术发展等问题，所以把3s更好的集成在一起非常迫切。随着科学技术的进步，一定会为3s深入集成，提供更好的方法。

3.2 3S技术与智慧农业

3s技术在现代农业中的广泛应用，加快了农业信息化的步伐，3s技术在农作物估产、动植物长势检测、病虫害预报、定量施肥与灌溉、农业生产模型仿真、农业自然灾害监测、农业生态环境监测、农业资源调查与利用监测、土地资源退化监测、土壤适宜性评价等方面有着广阔的发展前景。特别是智慧农业代表了现代农业的发展方向，也是农业信息化革命的核心，3S和计算机等技术对我国农业技术的发展产生重大影响。GIS能够生成不同要素图层，储管理农田参数、土壤养分含量和施肥量等数据，实现农业信息、农业资源的多要素农业信息管理系统。动态完成农田网格划分、生成施肥处方图，综合管理分析土壤PH值、土壤养分分布与变异等数据，为现代化农业发展提供决策支持。RS在智慧农业中，用于作物病虫害防治、植被生长监测和精细施肥等方面。农业遥感图像解译技术也是智慧农业重要的研究对象，根据作物长势、叶色等来判断作物营养状况，结合土壤养分的测定，用于施肥决策。利用遥感数据还可以对农作物进行分类，估算作物播种面积和产量，评估灾害损失。GPS广泛应用于现代农业中，GPS与农业机械结合，在收获机等各种农具上安装GPS终端，可以精确显示农机所在位置的坐标信息，对农机作业进行导航管理。GPS的精确定位功能，可以对作物精确施肥和喷药，降低了肥料和农药的消耗。

如图1所示，3S技术与智慧农业集成的使用者以农户为主，也包含其他用户。整个体系以地理信息技术（GIS）、遥感技术（RS）和全球定位技术（GPS）为核心，通过无线和有线网路传输，获取与农业相关的地面数据，实时、快速、有效的监控农业生产状况。Rs获取农田信息，GPS检测农田病虫害、旱涝、农机作业等信息，GIS对作物长势、产量、灾害等内容进行评估，给出相关参考数据，满足各类用户的需求。随着信息技术的发展，将3s技术引入智慧农业中，可有效地管理各种农业资源信息，使农业管理逐步走向可视化、精准化和智能化。

4智慧农业系统的实现

4.1智慧农业一体化框架

如图2所示，智慧农业一体化框架包含了五个层次，每个层次负责不同的功能，最上层为用户层，为不同用户提供农业生产相关信息；第二次为应用层，是智慧农业系统提供的各类功能模块，支撑用户层的使用；第三层为技术层，是整个框架的核心，起到了承上启下的作用，是一个重要的纽带，为应用层提供技术支撑，对数据层进行有效输送、管理和分析；第四层为数据层，各类数据入库、管理、为上一层提供数据源；最后一层为软硬件设施层，是整个体系的骨骼，起着重要的支撑作用。

图2中，应用层由农户、管理者和其他用户构成，用户涵盖面广泛，对智慧农业的各类需求，促使整个系统不断发展完善，实时更新；应用层里有着智慧农业系统丰富的功能，可以细化为很多模块，一个模块就是一个子系统，可以有各部门研发，最后整合，形成一个庞大的系统体系；技术层以3S技术为核心，利用物联网、云计算和电子商务等新技术，相互结合，深入融合到农业信息化中，使农业生产智能化、可视化和数字化；数据层中，包含了空间数据、业务数据和文件数据，空间数据是智慧农业的基础数据，依靠3s技术来获取、存储和加工处理，为智慧农业系统提供可视化专题成果，动态展现；软硬件层由网络设施、硬件配置和软件环境构成，是智慧农业系统的载体，只有保证这些设施的安全可靠，才能让智慧农业系统稳定运行。

4.2智慧农业可视化系统

如图3所示，智慧农业系统使用B/S设计模式，采用了J2EE的三层（表现层、中间层和数据服务层）架构体系，系统结构由用户层、应用层和数据层构成。用户层是通过浏览器进行功能操作，使用了Jquery、Ajax、OpenLayers等Web开发技术和Web—GIS技术，为用户层提供技术服务支持。应用层部署在WEB服务器上，利用Java相关技术（如Struts+Spring等）进行软件研发，又结合3S技术、物联网、云计算和电子商务模式等新技术特点，完善了系统各类功能。数据层由各类数据库和WEB服务组成，为应用层提供了充足的数据支撑。

如图4所示，展现了整个智慧农业系统的实现过程和工作流程，智慧农业系统由两大部分构成；一是以用户和软件系统构成的在线服务系统，软件系统为用户提供操作功能和数据服务，满足不同类型用户的各种服务需求，实現智慧农业系统的可视化、数字化和智能化；二是以3s技术为主，实现实时监测、数据获取、加工处理、快速制图的空间管理分析系统，与农业生产紧密结合，对农业生产的各个环节进行监控把关，提供有效数据，帮助农户进行智能化农业生产，如精确播种、施肥、喷药、锄草等，以最快最有效的方式完成农田耕作；智慧农业系统是计算机软硬件有效结合的产物，也是新技术在农业信息化中深度融合的杰作，必将为农业生产和农业信息化的发展，注入源源不断的活力。

4.3智慧农业系统的优势

智慧农业系统有着强大的可视化功能，能够处理海量数据。在3S技术的支持下，获取的数据全面、精准，空间查询和分析能力突出。系统基于云计算和分布式，数据能够快速传输，才能保证用户获得快速、有效的响应结果。智慧农业系统改变了分散落后的人工管理方式，实现了农业生产的科学化、规范化、自动化，减低了庞大的人工成本，提高了工作效率，可以快速地为各类用户提供任何所需的农业信息数据。在安全上，系统采用了有效的加密算法，用户以不用权限级别来进行操作访问，通过虚拟网络、防火墙来阻挡恶意攻击和病毒，以最大安全化来保证系统的快速可靠运行。

5结束语

智慧农业是农业现代化发展的重要标志，充分利用新技术，在互联网时代，快速提高了我国农业信息化的水平，促进了我国农业信息化的全面发展，是农业生产与信息化技术深度融合的重要特征。智慧农业系统是农业信息化发展的一个突出代表，实现了农业生产的智能化、数字化和可视化，基于3S技术的智慧农业系统在农业生产过程中，定会有着广泛的应用空间。