基于GIS 的农业精细化管理系统设计——以南通市为研究对象

羌栋强，蔡艳婧，袁娇娇

（江苏商贸职业学院，江苏 南通 226011）

0 引 言

《“十四五”国家信息规划》指出：“要发展农村数字经济。加快发展智慧农业，推动新一代信息技术和先进适用智能农机装备广泛应用于农业生产经营各环节各领域。加强国家农业农村大数据发展应用，建设国家农业农村大数据平台，建立农业农村大数据‘一张图’。完善农业基础数据资源体系，持续推进重要农产品全产业链大数据建设。”[1]智慧农业是实现农业现代化的重要途径，而GIS 技术在智慧农业精细化管理中的应用前景极为广阔。目前，我国的智慧农业精细化管理水平还在起步阶段，应深入研究其内涵，学习国外成熟理论和技术体系，优化智能设备，建立重点示范区，从而体现出智慧农业的优势并加以推广。

近年来，南通大力发展“数字农业农村”基地建设，全市建成农业物联网技术应用示范点近400 个，实现了智能化管理。如海安雅周镇盛雅农业发展有限公司，主要种植樱桃、车厘子等水果，该企业将GIS 技术外包，实现了通过手机控制大棚温度和湿度，所有大棚都实现了智能化管理，每年节约成本近30 万，该园区入选全省管理型数字农业农村基地。此外，通州、海门两地已建成3 家粮食生产“无人化农场”，这极大地提高了农场生产的全周期管理，为全市农业转型升级提供了方向[2]。但是，农业智能化管理规模较小、农业精细化管理水平不高、农业科技投入不足，成为了南通市现代农业农村体系发展的主要制约因素。

1 研究现状

1.1 国内外研究现状和趋势

“农业+人工智能”的思路早在20 世纪初就被提出，1978年，美国伊利诺伊大学开发了大豆病虫害专家诊断系统，是世界上最早的智慧农业系统。目前，将GIS 应用于农业智能化在国际上已经相当成熟了[3]。2012 年美国提出“大数据研究与发展计划”，强调要发展智慧农业，就要从数据集成入手，最终构建数据共享体系。

对于智慧农业，国内研究目前多集中于对3S 技术的应用性研究，包括土地资源管理、生态环境分析、水利林业等自然资源监测等，基础性研究多于政策研究。杨哲炜等[4]研究了3S 技术和物联网技术在农田信息获取中的相关应用，发现该技术能够帮助降低农业生产成本，实现农田信息快速获取，促进智慧农业发展。李锁刚[5]指出，通过GIS 技术能够实现对地理空间、时间和属性特征的动态分析，对土地利用方案的拟定，以及土地资源规划制定、土地利用动态监测和土地规划勘察工作。GIS 技术对实现多渠道信息采集和数据分析、满足多元化社会经济发展需求、提高土地资源利用效率有着重大影响。

GIS 技术在智慧农业领域的应用前景非常广泛，主要体现在3 个方面：（1）GIS 技术能够实现农业的精细化管理，极大提高了农业管理效率；（2）基于GIS 技术打造的智能化、精细化服务系统，形成一个互联互通、数据共享的农业业务决策和社会服务支持体系；（3）GIS 系统结合了专家系统和地理信息系统的优势，整合农业要素，实现了数据自动采集和分析的专家决策支持系统。

1.2 国内智慧农业的制约因素

就南通而言，影响智慧农业发展的因素具体体现在以下3 个方面：

（1）农业智能化管理规模较小。农业智能化管理，应打通“重平台建设、轻分散管理，重整合集成、轻单行业开发”的思路。目前，南通市农业智能化管理缺乏统一的规范和标准，智慧农业建设与智慧城市建设未达到相辅相成的效果。

（2）农业精细化管理水平不高。GIS 技术相关的科研合作机构少，科研成果不足导致产业发展带动能力减弱。南通智慧农业尚处在探索阶段，如农作物病虫害智能诊断、微生物智能识别及施肥；水生物物联网要素仅有溶氧量、pH 值和水位水温等基础要素，未形成水产养殖精细喂养和疾病智能诊断。

（3）农业科技投入不足。目前，南通市农业科技化水平相对较低，很大一部分原因是对智慧农业领域研发投入不够，信息处理、感知和传输技术均不成熟。相比之下，淮安市农业发展局每年安排约500～1 000 万智慧农业专项资金用于农业信息化建设，而南通市级每年用于智慧农业建设的资金只有几十万元。

2 需求分析

本研究对推动智慧农业、农村数字化转型、农村产业转型升级有着重大意义，既符合国家层面的战略需求，也为GIS 技术在农业中的应用提供了宝贵的借鉴意义。

2.1 国家需求层面

国务院在《关于做好2022 年全面推进乡村振兴重点工作的意见》中提出：“全面梳理短板弱项，加强农机装备工程化协同攻关，加快大马力机械、丘陵山区和设施园艺小型机械、高端智能机械研发制造并纳入国家重点研发计划予以长期稳定支持。”开发智慧农业精细化管理系统是乡村振兴工作的着力点[6]。今年2 月颁布的《南通市“十四五”数字经济发展规划的通知》中提出：“要推动农业数字化转型，加快数字化农业建设、完善农村电商物流体系、积极发展乡村新业态，打造感知体验、智慧应用、要素集聚、融合创新的‘互联网+’产业生态圈，辐射和带动乡村创业创新。”[7]由此可见，要实现农业高质量发展，需要加大信息技术投入。

2.2 产业转型层面

《国务院关于印发“十四五”数字经济发展规划的通知》（国发[2021]29 号）中指出：“要促进农村产业结构转型升级，提高面向新型农业经营主体的直通式、个性化服务水平。”[8]GIS 技术支撑的智慧农业精细化管理系统，能够与南通已有的农业物联网技术对接，实现数据相互融合，从园区（农场）到市级农业管理部门都可以通过系统实现农业生产管理的多场景多尺度的可视化功能，帮助农业管理部门全局掌握属地宏观数据，提高决策管理能力和效率；为农业科研单位科技创新提供连续、长期、全面、详实的基础数据；为农业生产经营主体实现生产过程的精准感知、智能控制、智慧管理，构建“三产融合”可视化服务平台。

3 研究内容和关键技术

3.1 研究内容

系统将充分发挥南通市自身独特农业资源优势，建立以县为节点、农田地块为基本单元的市级智慧农业精细化管理系统。通过整合各类农业信息资源、接入外部数据，构建南通市农业“一张图”数据中心，以服务农业生产经营为主线，构建出互联互通、服务共享的农业业务管理、决策支持和社会服务体系。

（1）数据资源中心化。制定市级平台数据标准，完善南通市农业大数据体系，形成市级统一的资源大数据中心。集成农业种植资源大数据、集体资产大数据和自然资源大数据中心。基于Web GIS 多要素融合数据中心，高效整合全市基础地理空间底图数据、自主采集数据和互联数据，极大提高数据资源共享和分析应用能力，逐步打造南通农业生产、信息、监管、仓储及农业电子商务等数据资源共享平台，让更多农业生产经营主体有获得感、幸福感。

（2）业务决策数据化。充分运用GIS 可视化技术、物联网技术和大数据技术，基于数据中心，实现南通地区农业生产经营要素可查询、可分析、可决策、情况清、底数明、决策有依据、实施有目标的效果。为相关农业生产经营管理活动如市场预警、舆情分析、乡村治理、政策评估、执法监管等决策提供服务，实现线上线下“一站式服务”，推进产业协同发展，提高管理的科学性和精确性，最终实现南通市域农业治理现代化和农田指挥中心的全面优化。打造南通市现代化农业农村监测评价体系，开发实际经济运行分析系统。打造更高效便捷的政务服务环境、农业经营主体环境，提高南通市农业农村领域管理服务能力和科学决策水平。

（3）应用场景个性化。通过灵活的工作流系统、丰富的应用场景、高效率的运行平台搭建，快速响应用户层业务个性化、多样化的需求，产出多样的业务流程和业务应用系统供用户选择；实时获取场地数据，并以专题地图、动态图、折线图、柱状图表等多种可视化形式汇总呈现；提供能够适应不同作物、作业环境的个性化农业应用解决方案[9]；打造数字化融合应用场景，完善农业数字化融合发展生态体系。

主要建设内容包括：（1）建立一套标准数据体系；（2）建立一个大数据资源中心，实现基于GIS、大数据、云计算的设计、开发和部署，满足大并发量下的用户访问和数据使用；（3）建立一套安全体系；（4）建立四个以数据为支撑的平台，包括数据资源与采集管理平台、数据治理管理平台、大数据分析挖掘平台、共享交换与开放平台；（5）建设五个智慧农业应用子系统，包括农业标准查询、统计数据查询、虫害知识识别、农产品特产查询、农业舆情查询监控。

系统主要模块功能如下：

（1）地图管理基本模块。提供南通市全域地图信息，系统地图操作的基本工具包括：地图的放大、缩小、平移，图层点选查询，图层框选查询，测量工具，标绘工具，图层切换工具，路线漫游，历史影像对比，影像解析上传，路径规划及兴趣点查询，热力图，聚合图，克里金空间插值图，场景图片导出等。

（2）地块管理模块。以园区为基础单元的编辑、变更、信息更新，地块删除、拆分、合并，新建地块、地块编码生成、图形修改等。

（3）数据填报模块。地块属性数据填报，包含地块基础属性、农作物信息（种植时间、作物生长周期），自动关联作物简介、农业专家信息、病虫害防治信息、合作社等信息，大数据分析预估产量数据。

（4）分层要素显示模块。基于地理图层分层显示农业经营柱体信息、龙头企业信息、用地现状信息和地理标志农产品分布、环境信息（日照时间、光照度、雨量、大气温度等）、土壤质量信息等要素，实现各类信息检索功能。

（5）综合统计模块。根据地域、要素及年份生成统计报表，按关键指标（实施后论证）进行统计汇总，结果以专题图形式呈现。

（6）数据要素数据库。依据系统各类要素构建数据字典，建立要素分类数据库，并可新增全新的要素分类，实现编辑、删除以及在空间标注功能。

（7）数据采集系统接口。与土壤、大气、光照等数据采集设备实现数据对接，在地图空间标注地理位置。

（8）建立时间节点。在任何状态下可以手动设置时间节点，记录保存当前状态下全要素信息，并自定义节点名称。

（9）手机端采集数据上传功能。手机端GIS 一张图，支持用户在任何时间、任何地方对相关数据进行上传和编辑，以及相关数据的预览。

（10）地图监测监管“一张图”。实时监控硬件设备地图位置，设备可以交互查询，具有掌握设备实时信息、辅助决策者分析功能。

3.2 关键技术

系统融合了自动地块识别、农业生产全要素实时监测、定量指标反演（土壤相关参数的反演、病虫害监测/灾害预警、产量评估等）、农业生产要素变化数据挖掘等关键技术，通过动态监测数据与多模态社会经济数据的汇聚、融合与关联，构建基于GIS 地理空间全覆盖、生产全过程及资源权属全要素的农业精细化管理监测体系[10]。

系统整体采用MapGIS IGSS 共享服务平台和SOA 的设计思想，支持组件式、搭建式开发，在数据层实现数据采集、数据管理、数据共享。以“图形-指标-辅助决策”为主干的渐进式信息提取与分析方法框架如图1 所示。

图1 GIS 智慧农业精细化管理系统

系统大数据资源中心整体架构由4 个层级构成，分别如下：

（1）应用层，即包括地图管理基本模块、地块管理模块、数据填报模块、分层要素显示模块、综合统计模块等的基于GIS 地图可视化的系统。

（2）服务层，即包含物联网数据统一处理组件、数据要素数据库、开放WebService、SOA、API 或其他形式接口的综合运营支撑云平台。

（3）传输层，即包括WiFi、TD-LTE、ZigBee 等网络通信。

（4）感知层，即包括负责传感与采集工作的无限环境监测、太阳能供电、数据收集处理设备。

3.3 评价指标

项目评价指标选择以采集经济数据类型为基础，为能够更精准地评价GIS 系统在促进南通市智慧农业精细化发展水平中的效果，项目以有效性、可操作性、指导性为原则，将评价体系分为一级指标和二级指标。

根据有效性原则，在选择各层级指标时，应在采集数据类型的基础上进行分析，从而发展出可量化的经济指标类型，而二者之间具有一定的对应性，能够反映出南通市智慧农业、农业精细化程度和农业发展质量。根据可操作性原则，本项目的指标制定参考了我国农业高质量发展指标体系，选取了具有权威性、社会认可的指标，能够从已有的市级农业统计数据库获取，且确保评估结果符合国家统计制度特点。根据指导性原则，突出南通市智慧农业精细化水平发展与高质量发展的有机结合，既有度量农业产业经济效益水平的产出性指标，又有突出推进农业产业高质量发展的绿色生态建设方面的过程性指标，能够为南通市智慧农业实现绿色健康高质量发展提供指导性参考。

本项目的评价体系包含5 个一级指标和若干二级指标。一级指标包括产出类指标、投入类指标、发展类指标和经济效益指标。每个指标都在不同纬度上考核了GIS 系统在促进南通智慧农业、高质量农业发展中的经济效益，具体参数见表1 所列。

表1 南通市智慧农业精细化管理系统评价指标

4 结 语

在南通市智慧农业发展期和转型期，项目从市级层面开发基于GIS 技术的智慧农业精细化管理系统，通过对生产主体开放管理平台和对现有物联网系统提供数据接口，实现市级农业生产经营数据的整合、管理和利用。根据不同使用者角色，实现多场景、多视角、全方位的可视化表达。系统为农业管理部门全局掌握属地宏观数据进而提高决策管理能力、效率，以及农业科研单位科技创新提供长期连续、全面详实的基础数据；为农业生产经营主体构建“三产融合”可视化服务平台，提升农业生产智能化和高效化、经营管理网络化和便捷化水平。

本系统的开发不仅实现了农业信息最大化整合，为智慧农业精细化管理提供了关键技术，还为推动南通市农业经济发展和产业转型，促进南通联网产业链发展，服务南通“3+3+N”的电子信息支柱产业及中欧绿色智慧城市、国家智慧城市的建设提供了动力。