“3S“技术在精细农业中的研究进展

张悦湘

（湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙410128）

精细农业是20 世纪80 年代由加拿大、美国的农业科技研究中心提出的一种综合跨学科的思想，随后中国、英国、日本等国也开始了在该领域的研究[1]。精细农业是以可变尺度区块管理为模式的微观技术体系[2]。其核心技术是以地理信息系统（GIS）、全球卫星定位系统（GPS）、遥感技术（RS）所构成的“3S”系统。由于湿度、地形、病虫害等因素带来的影响，农业生产中普遍存在小尺度差异，根据当地、当时的作物生长情况及土壤环境状况，制成矢量化的数据图，按作物生长所需施肥、施药，将高经济效益和生态环境保护有机结合。而“3S”技术，则能从不同方面为实现该目标提供技术支持。

1 GIS 及在精细农业中的应用

1.1 全球定位系统（GPS）

GPS 是一种卫星定位系统，为航空、海洋和陆地领域的用户提供高精度的定位数据。它包括三个部分：由24 颗卫星组成的空间部分，由地面监测站和地面控制站组成的地面部分，用户接收部分[3]。该系统利用卫星无线电技术进行定位和导航。由于卫星具有准确的待定点功能，全球定位系统可以实现全球、全天候、连续定位。

1.2 GPS 在精细农业中的应用

农田空间所处地区作物生长影响因素和作物平均产量信息的收集是实施精细农业的基础。全球定位系统(GPS)可以提供三维位置和时间信息，其在精细农业中的应用包括地形测量（图1）、农机具精确定位和田间机械的自动导航[4]。

将GPS 安装在农用机械，如播种机、翻耕机、田间取样机、收获机和施肥机上，可以提供农用机械精确定位的空间坐标，以便于农用机械在田间作业时的路线规划和作业管理。

结合农田信息采集技术，收集和分析作物生长信息，加上土壤含水量、有机质、磷、氮、钾和病虫害等环境因素的分布，建立该地区的处方图，农业机械根据处方图和实时地图信息，进行定量施肥、灌溉、喷药等现场作业。

图1 利用DGPS 测定的土壤圆锥指数[5]

2 RS 及在精细农业中的应用

2.1 遥感技术（RS）

遥感技术是利用各种传感探测器，接收和探测来自目标事物所发射的电磁波，以实现不接触物体而从远处感知物体。将接收到的电磁波经过传输处理及分析，便可获取监测物体的属性及各项监测指标。为分析地球表层的各类地物信息，研究人员在不同高度平台上安装电磁波采集接收器，接收不同的电磁波信号[6]。

2.2 RS 在精细农业中的应用

遥感技术利用高分辨率传感器接收农作物反馈的光谱信息，为精细农业空间数据库提供农作物的空间定位和定性分析[7]，实现农作物的综合监测，是完成生产过程和收集环境信息的基础。遥感技术能够真实、全面地反映各种作物的固有光谱特性，从而提高对作物区分的精确程度。遥感技术在精细农业中的应用主要包括提高农机具作业定位精度、改善农业遥感影像解译技术、更新农田基础数据库、促进农业机械与“3S”技术融合等。

具体应用于以下几方面：（1）作物种植面积的估算与监测，作物覆盖数据实时记录，作物分类，各作物种植面积计算；（2）监测作物生长状况，并据此估计作物产量（图2）；（3）对作物的生长环境进行监测，如土壤状况、病虫灾害等，实时调控，以保证作物产量。

图2 利用RS 生成的某农田冬小麦小区单产空间分布图[8]

3 GIS 的优势及其在精细农业的应用

3.1 地理信息系统（GIS）

地理信息系统（GIS）利用计算机软、硬件设备，对地球表层空间数据进行采集，并结合地理模型分析法对数据值进行处理。该系统的操作对象是空间数据，包含几何数据、属性数据、时间数据[9]。地理信息系统可以实现对地理数据的采集管理、空间属性的的分析及显示，其强大的图形处理能力、地理空间分析能力以及空间模拟和决策能力可以提供实时的动态数据。

3.2 GIS 在精细农业中的应用

GIS 系统作为精细农业数据库的管理者，起着大脑神经中枢的作用，用于管理农田环境状况、土壤条件、作物生长情况与产量估算以及病虫害发展趋势等数据。在处方决策方面（图3），GIS 可用来绘制各种产量图、农田土壤信息图、田间作物长势图等[10]；在农作物销售流通方面，可以将GIS 与物流分析、车辆调派、路线规划等技术相结合，以便农产品能更快速的抵达产品销售区，保障产品质量；在农业生产资源环境监测方面，该系统可以汇集各类资源信息，建立应用资源模型，分析各类资源分布及使用状态，便于更优决策的制定。

图3 土壤理化性质处方分布图[11]

43S 技术在精细农业中的综合应用

“3S”技术是三大技术GPS、GIS、RS 技术的合称。该技术已广泛应用于水土流失调查、农田土地资源调查、自然灾害监测与评估、精细农业作物产量监测与估算等领域[12]。将“3S”技术集成研究，是“3S”技术的最新发展方向。遥感技术的优点是可以快速获取各类作物生长和地表生态环境的分布信息。GPS 的优点是提供准确的定位数据，而GIS 可以对采集到的数据信息进行管理和分析。集成是为了解决精细农业中信息处理的自动化问题，将空间信息学的研究大规模的投入生产使用，使空间信息的获取处理到生成分析一体化[13]。

“3S”技术的整合，可以有效地管理各种农业资源的空间信息，发展科学的农业管理模式，监测农业资源和生产活动，将数据收集、分析、决策整合为一个共同的信息流，降低农业生产的成本，避免资源的浪费，提高农业生产效率，推动农业现代化的发展。

5 问题与对策

由于现有农业体制的局限性，技术装备和相关人才的缺乏，中国的精细农业正处于研发阶段。

（1）国内“3S”类产品在农业领域的生产应用还十分短缺，仅有少数GIS 设备可支持农业使用，且功能较为单一。不少发达国家已形成规模化的农用“3S”产品市场，为精细农业提供大量软、硬件设备。生产者可根据自身农田需求，购买相应的生产与管理设备，并可以个性化定制。

（2）目前国内农户所使用的农业定位设备大部分采用美国GPS 技术，与美国本土相比，国内的GPS 使用费用更高[14]，同时国外智能农机设备大多安装有DGPS 系统以消除误差，相较于国内拥有更高的定位精度。我国的北斗导航系统已进入二期使用阶段，但投入农用领域作业仍处于研发阶段，与此同时国内目前的农用定位设备价格较高，体积较大，不适用于便捷携带。

（3）我国农业正处在向现代化农业迈进的阶段，还存在农民信息化意时浅薄、生产人员技术水平较低的问题。同时目前信息农业成本较高，农户基本收入较低，无法承担昂贵的仪器设备也是阻碍“3S”技术发展的因素。

6 结 语

中国是一个农业大国，但农业集约化水平较低，农业机械化的程度较差，随着信息技术的快速发展，结合现代信息技术、工程设备技术、农业种植技术是精细农业的发展方向。“3S”技术作为精细农业的核心，我国在这一领域仍有许多技术难题等待解决。推进北斗导航系统农用化，发展精细农业物联网化[15]，可最终实现传统农业向综合感知、高速传输、智能管理的现代农业转变。