“3S”技术在重庆市潼南区乡村产业数字化中的应用

2024-01-01王克晓

南方农业 2023年19期

虞豹，李波，欧毅，王克晓

（重庆市农业科学院农业科技信息研究所，重庆 401329）

乡村产业数字化转型是全面推进乡村振兴的重要举措，也是建设数字中国的重要步骤[1]。近年来，中央层面陆续出台了一系列相关意见、计划和方案，支持乡村产业数字化发展[2]。推动新一代信息技术与农业生产经营深度融合，高质量、高水平、数字化的乡村产业转型升级已成为推进农业现代化的内在要求[3]。当前，我国正处在从传统农业向现代农业转型升级的关键时期，现代农业的发展离不开新一代信息技术的应用。以5G 移动互联网、物联网、人工智能、3S、大数据、云计算等为代表的数字技术层出不穷[4]，并逐渐融入农业生产的各个场景中，深刻改变着传统农业的生产经营方式，推动农业不断向精准化、智能化、高效化的方向发展。

3S 技术包括遥感技术(Remote Sensing，RS)、地理信息系统(Geographical information System，GIS)、全球定位系统(Global Positioning System，GPS)[5]，是融合多技术、多学科的综合应用技术[6]。我国从20 世纪80 年代起，开始推动3S 技术在农业农村领域应用[7]，主要运用于农业规划、设计、管理、生产、决策过程中信息的精准获取。目前，3S 技术已成为推动“数字乡村”建设和“数字农业”发展的重要手段。本文在总结3S技术在乡村产业数字化中的作用的基础上，以重庆市潼南区为例，通过介绍3S技术在乡村产业数字化过程中的应用实践，为重庆乡村产业数字化提档升级提供参考依据。

1 乡村产业数字化中的3S技术

乡村产业数字化建设是3S技术在农业农村建设方面的典型应用之一。将3S技术引入到乡村产业数字化研究和实践中，可使各类农业资源信息管理和生产经营工作向科学性、实时性、空间性等方面转变。

1.1 GIS在乡村产业数字化中的应用

GIS 是对有关地理数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统，其优点是能够精准、快速组合各类要素地图，并进行叠加分析，解决复杂场景下的决策和管理问题。GIS 在乡村产业数字化上应用较为广泛，具体应用体现在以下几方面：

1）在数据获取上：通过GIS 对信息进行分析处理，利用相关信息确定各类用地的具体范围，能够将土地信息及时准确地反映出来，保证了数据的相对完整，为今后的数字乡村建设提供参考。

2）在规划编制上：利用GIS能够将乡村土地资源信息库与本区域土地利用的不同情况相结合，针对性地进行适合现阶段发展需求的乡村产业数字化规划，避免主观因素对乡村产业数字化工作造成的影响，保障乡村产业数字化工作的科学性和合理性。

3）在成果应用上：GIS技术能够有效地加强信息和数据的科学性和合理性，通过对乡村产业进行数字化改造、建设，提高公众参与度，可以有效检验成果应用的落实情况，为完善乡村产业数字化建设提供支持。

1.2 RS在乡村产业数字化中的应用

乡村产业作为农村民生的重要基础，其生产稳定性将直接影响到农业发展质量，进而影响到农业经济的稳定发展。将RS 技术应用到产业动态化监测活动中，可及时了解农业生产、农作物长势、农作物病虫害蔓延等情况，为农业管理活动提供可靠依据。具体应用体现在以下几方面：

1）作物长势监测。遥感具有周期性获取目标电磁波谱的特点，通过建立遥感植被指数和叶面积指数的数学模型，可监测作物长势，进而根据作物长势情况估测作物产量。

2）土壤水分含量和分布监测。在植被条件和非植被条件下，热红外波段对水分反应非常敏感，利用热红外波段遥感监测土壤和植被水分十分有效。不同热惯量条件下，遥感光谱间的差异性表现明显，通过建立热惯量与土壤水分间的数学模型，能够监测土壤水分含量和分布状况。

3）农业灾害防治。结合RS 技术提供的监测数据，可以初步了解病虫害、气候条件带来的影响，通过GIS 进行快速整合，从而确定这些灾害带来的影响情况，及时制定相应的扶助政策和防治策略，从而降低灾害问题带来的负面影响。

1.3 GPS在乡村产业数字化中的应用

GPS 提供全天候的定位、授时、测速等功能，可直接参与农业生产的全过程。GPS 在乡村产业数字化中的应用，可以提升农业生产效率、优化资源利用、增加农产品附加值。其具体应用体现在以下几方面：

1）农业生产精准管理。可以利用GPS 技术确定准确的地理位置，帮助规划土地利用、种植作物和施肥等农业活动。通过GPS 定位可以进行土壤检测和采样，精确了解土壤的养分含量和水分状态，从而合理施肥和灌溉，提高农作物的生产效益。

2）农业机械精确作业。农业机械配备GPS 导航系统可以实现精确作业，比如播种、施肥、喷洒等。通过GPS 技术可以控制农机的行进路线和速度，确保作业的准确性和均匀性，提高农机的作业效率，降低资源浪费。

3）农产品安全溯源。利用GPS 技术可以追溯农产品的生产和流通信息，包括种植区域、施肥情况、采摘时间等，有助于确保食品安全，提高消费者对农产品的信任度。

2 潼南区乡村产业数字化建设研究

2.1 潼南区概况

潼南区位于重庆市西北部，东经105°31'41″～106°00'20″、北纬29°47'33″～30°26'28″，面积1 583 km2，辖23 个镇街。属重庆浅丘地区，海拔一般在300～450 m 之间。属亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量充沛，日照充足。年平均气温17.9 ℃，年均降雨量为990 mm，年平均日照时数为1 228.4 h。

2.2 乡村产业数字化建设思路

以农业资源数字化、产业监测精准化和数据共享智能化为目的，融合3S、计算机、物联网、互联网等现代信息技术，开展农业资源、农情遥感监测、信息传播可视化等关键技术研究，集成数字农田、田块档案、三维地形、卫星影像、农情监测、农业物联网等相关数据资源，开发基于Web GIS 的数据共享管理平台，推进乡村农业资源整合和产业精准管理。

图1 潼南区乡村产业数字化建设思路

2.3 乡村产业数字化建设内容

利用第三次全国土地调查和农业统计等数据，基于3S 等现代信息化技术，组织开展耕地资源数字化、农情监测智能化、乡村产业可视化等方面建设，进而推进潼南区乡村产业数字化，为农业生产与管理的信息化和数字化奠定理论与技术基础。

2.3.1 乡村产业资源数字化

利用农村土地承包经营权确权登记、永久基本农田划定、高标准农田上图入库、耕地质量调查监测、粮食生产功能区和重要农产品生产保护区划定、设施农用地备案等数据，建设全区耕地基本信息数据库。结合农业补贴发放、投入品监管、新型农业经营主体信息直报、家庭农场名录等系统，完善经营主体身份、就业、生产管理、补贴发放、监管检查、投入品使用、培训营销等多种信息为一体的基础数据，逐步实现农业经营主体全覆盖，生产经营信息动态监测。利用第三次全国土地调查、卫星遥感等数据信息，结合房地一体的宅基地使用权确权登记颁证、农村宅基地和农房利用现状调查等资料，构建全区农村宅基地数据库。建立集体资产登记、保管、使用、处置等管理电子台账，推进农村集体资产清产核资信息数字化。

2.3.2 乡村产业生产数字化

利用农业遥感和传统人工采集系统结合，对乡村土地利用变化进行监测，及时了解如农作物耕作面积（覆盖度）、撂荒、休耕或轮作面积等动态变化信息，为乡村耕地、草场、水域等权属的确定和格局变化监测提供空间数据；为乡村农业提供耕作面积、品质、产量、长势、墒情、灾情、病情监测，实现农作物生长过程全方位监控，并基于遥感提供的播种、长势、病虫害、产品品质与估产方面的大数据信息，为农民提供未来农产品市场预测等信息；通过遥感技术全面、实时地对乡村土地、水和大气资源的健康状况进行监测。

2.3.3 乡村产业服务数字化

通过物联网、大数据、区块链、云计算、移动互联网、知识图谱、深度学习、三维可视化、GIS 服务等技术的应用，打通乡村产业发展中生产、经营、管理、民生、服务之间的壁垒，研建基于地理信息系统和大数据技术的乡村产业数字管理系统平台，有力推进了数字技术在乡村产业管理领域更深层的应用。

3 “3S”技术在潼南区乡村产业数字化中的探索

3.1 乡村农业资源数字化建设

以潼南区与产业发展相关的农业资源作为研究对象，通过GIS 软件，将农学、地理学、信息学与农业农村发展专业知识有机结合，通过收集大量的潼南区农业资源基础数据，建成集空间数据和属性数据于一体的农业资源数据库，实现潼南区农业资源快捷查询、属性浏览、面积统计等。在此基础上，通过点位图的生成、空间数据的分析、图形渲染、分级处理等构建农业资源专题地图，为实现农业资源数据的有效管理和合理利用奠定基础。

图2 乡村农业资源数字建设技术路线

3.1.1 土地资源数字化建设

利用第三次全国国土调查数据，在构建潼南区土地资源信息数据库基础上，借助GIS 空间分析功能，定量分析和开展专题图制作，包括耕地、园地、林地、草地、商服用地、工矿仓储用地、住宅用地、公共管理与公共服务用地、特殊用地、交通运输用地、水域及水利设施用地、其他用地等。

3.1.2 生产经营数字化建设

利用Arc GIS、MAPGIS 等软件和手持GPS 等仪器设备，采用人工标注和现场数据采集方式，对潼南区农业企业、家庭农场、农业合作社、乡村民宿、农地交易、现代园区、示范基地等生产经营不具有空间属性和要素属性的数据进行处理和分析。

3.1.3 社会服务数字化建设

聚焦乡村生产需求，融合3S 技术，对农资服务、农机、公共服务、培训基地等场所及仪器设备存放地点进行数字化处理，形成专题图，对社会服务领域进行智能化、高效化的改造和优化，提供更便捷、精准、个性化的服务。

3.2 3S技术在农业遥感监测中的应用

在综合考虑潼南区地形特点和种植结构的基础上，融合RS 和GIS 技术，经过对潼南区水稻、玉米、油菜、柑橘等主要种植作物物候调查，遥感生产经验总结和多种数据的对比分析，提出一套基于“分目标、分区域、分数据、分技术”的“四分”技术方法，开展作物分布、长势、产量及病虫害、气象灾害、环境质量等遥感监测。

图3 农业遥感监测总体路线

3.2.1 作物分布遥感监测

采用国产高分卫星数据，通过GPS 定位系统，开展潼南区主要农作物实地样本采集记录工作，建立作物遥感影像解译标志。利用遥感监督自动分类方法，提取潼南区水稻、玉米、油菜、柑橘、花椒等作物空间分布。

3.2.2 作物长势遥感监测

通过对潼南区的不同作物生育期地面时序实测农学数据与遥感反演的NDVI、EVI、LAI 等参数的比对分析，建立作物长势指标与遥感参数的定量关系模型，利用重庆市潼南区行政区划矢量，对长势分布图进行统计。

3.2.3 作物灾害遥感监测

收集多源卫星遥感影像，结合GIS 和人工智能技术，对农作物的生长情况、土地利用状况、气象变化等因素进行综合分析，利用作物遭受灾害前后光谱特征的变化，判断作物生长是否存在异常情况和灾害风险，进行灾害解译和评估。

3.3 3S技术在乡村产业数字化服务系统建设中的应用

以潼南区行政全域1 583 km2范围为技术示范推广应用区域，基于3S技术的产业数字化研发成果，开展潼南全域范围内土地资源、农情信息、生产经营、社会化服务的数字化工作，构建了潼南区“1+4”的乡村产业数字化服务系统平台。

3.3.1 平台模块

平台主要有乡村资源、乡村产业、乡村经营、乡村服务等4 个功能模块。其中，乡村资源展示乡村土地利用现状、乡村土地利用规划、资源监测；乡村产业展示乡村产业分布现状（包括种植业、养殖业、加工业、农业旅游业等）及农情遥感监测；乡村经营综合分析农业企业、家庭农场、乡村民宿和合作社等经营主体的基本情况、分布、营收、土地流转面积、就业人数等数据，综合展示农业企业、家庭农场、农业合作社、乡村民宿、农地交易等；乡村服务包括农资服务、农机监管、公共服务、农技培训等。

3.3.2 数据管理

建立乡村产业数据管理服务平台信息数据库，数据库的管理需要满足对乡村信息的采集、加工、使用、查询等要求，乡村产业数字管理服务平台信息定期更新，确保平台系统信息的准确性。