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1地理信息技術(shù)

地理信息技術(shù)是以現(xiàn)代信息技術(shù)為技術(shù)基礎(chǔ),以全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感(RS)等空間信息技術(shù)為手段,以計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)為技術(shù)支撐,為實(shí)現(xiàn)快速、高保真、大容量地獲取、處理、分析、應(yīng)用、傳輸、存儲(chǔ)和管理與空間位置有關(guān)的數(shù)據(jù)而建立起的一個(gè)技術(shù)體系。地理信息技術(shù)的快速發(fā)展為農(nóng)業(yè)數(shù)字化建設(shè)和自動(dòng)化、智能化管理提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ),并逐漸成為以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的核心技術(shù)。然而,國(guó)內(nèi)外關(guān)于地理信息技術(shù)應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究基本上仍是集中于面向大田作物生產(chǎn)的精準(zhǔn)農(nóng)作中的3S技術(shù)應(yīng)用,而沒(méi)有較全面地研究地理信息技術(shù)在整個(gè)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)體系中的地位和作用。本文旨在探討地理信息技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景和問(wèn)題,為3S技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用提供思路。

2地理信息技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

以GPS/GLONASS,以及歐盟即將通過(guò)“伽利略”計(jì)劃建立起的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)為代表的全球衛(wèi)星定位技術(shù)具有快速、方便地獲取高精度位置信息的優(yōu)勢(shì)。目前,差分定位(DifferentialGPS,簡(jiǎn)稱DGPS)系統(tǒng)的定位精度可達(dá)到亞米級(jí)水平,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分(RealTimeKine-matic,簡(jiǎn)稱RTK)技術(shù)能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)的定位精度,特別是美國(guó)政府取消GPS數(shù)據(jù)精度選用政策(SA),GPS的民間用戶將能夠使定位精度提高10倍。因此,全球衛(wèi)星定位技術(shù)將在很多領(lǐng)域逐漸取代常規(guī)的光學(xué)和電子測(cè)量定位儀器。衛(wèi)星定位技術(shù)與現(xiàn)代通訊技術(shù)的結(jié)合,使空間定位技術(shù)發(fā)生巨大變革,為信息化農(nóng)業(yè)獲取高精度定位信息提供了技術(shù)保障。遙感技術(shù)蓬勃發(fā)展,能夠獲取多傳感器、多時(shí)相、高分辨率(空間分辨率、時(shí)間分辨率、光譜分辨率)的直接或間接反映地球表層地物光譜特征的遙感數(shù)據(jù)。極高分辨率的衛(wèi)星遙感影像(如0.61m分辨率QuickBird)民用化和商業(yè)化,能夠滿足大比例尺的農(nóng)業(yè)、資源環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用,將成為信息獲取的重要數(shù)據(jù)源。高光譜遙感的發(fā)展,展現(xiàn)出遙感在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的蓬勃生機(jī)。在遙感影像處理方面,引入多源信息融合技術(shù)和智能專家系統(tǒng)使遙感信息提取邁上一個(gè)新的臺(tái)階[9]。地理信息系統(tǒng)正向網(wǎng)絡(luò)化、組件化發(fā)展[10],GIS逐步融入IT主流,其應(yīng)用正走向企業(yè)化和社會(huì)化。GIS傳統(tǒng)功能日臻完善,如查詢統(tǒng)計(jì)、空間分析、編輯、地理數(shù)據(jù)可視化、制圖等;系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)全面采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)(OOA&OOD),以及空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展等都為GIS在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用提供很強(qiáng)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)[11]。所有這些核心地理信息技術(shù)的發(fā)展為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)田間信息獲取、分析、管理和決策,以及系統(tǒng)集成研究與實(shí)踐提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

3精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)思想

3.1精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)思想

上世紀(jì)80年代初期,根據(jù)農(nóng)田內(nèi)以米為單位的小區(qū)作物產(chǎn)量、生長(zhǎng)環(huán)境條件等具有明顯的時(shí)空差異性,國(guó)外學(xué)者產(chǎn)生了對(duì)農(nóng)作物實(shí)施定位管理(Site-specificManagement)、根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行變量投入(VariableRateTechnology)等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)管理思想,進(jìn)而提出了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(PrecisionAgriculture)的概念。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的思想實(shí)質(zhì)就是通過(guò)各種技術(shù)手段來(lái)獲取農(nóng)田內(nèi)不同單元小區(qū)的農(nóng)作物具體生產(chǎn)環(huán)境信息,并根據(jù)這些信息確定各個(gè)小區(qū)內(nèi)的最為經(jīng)濟(jì)和科學(xué)合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入,達(dá)到獲得經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等方面最高回報(bào)的目的,從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)管理[2,3]。

3.2精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益的統(tǒng)一,實(shí)現(xiàn)定位、定量、定時(shí)的最優(yōu)化生產(chǎn)管理,由此可見(jiàn),精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是一種基于空間信息管理和變異分析的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理策略和農(nóng)業(yè)操作技術(shù)體系,以地理信息技術(shù)為主體的信息技術(shù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)核心,基于知識(shí)和先進(jìn)技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)田精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系至少包括以下方面:地理信息技術(shù)(GIS、RS、GPS)、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)(ES)、決策支持系統(tǒng)(DSS)、工程裝備技術(shù)等[13]。通常所說(shuō)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的核心是強(qiáng)調(diào)減少種植管理過(guò)程中的農(nóng)業(yè)投入,因此研究將精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)分為田間信息獲取、信息分析處理、決策分析、精準(zhǔn)實(shí)施4個(gè)過(guò)程[12]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的目標(biāo)不單是盡量減少投入,更重要的是要獲得經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等方面的最高回報(bào),因此筆者認(rèn)為整個(gè)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)種植循環(huán)過(guò)程應(yīng)該經(jīng)過(guò)產(chǎn)前規(guī)劃、產(chǎn)中種植管理、產(chǎn)后分析、產(chǎn)后加工和產(chǎn)后銷售等5個(gè)環(huán)節(jié)。其中產(chǎn)中種植管理是體現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)核心思想的重要環(huán)節(jié),幾乎涉及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中的所有技術(shù)。目前,國(guó)內(nèi)外研究的核心在于種植管理中的時(shí)空變異信息獲取與提取(傳感器、遙感軟硬件研制)技術(shù)、信息處理與分析方法、決策分析集成系統(tǒng),以及攜帶DGPS的智能農(nóng)機(jī)系統(tǒng),這些正是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施和推廣必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。

3.3精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代以來(lái),發(fā)達(dá)國(guó)家許多學(xué)者著力于研究運(yùn)用高新技術(shù)提高農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率和農(nóng)資利用率,以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益的最大統(tǒng)一,最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。他們的研究取得了令人矚目的成果,并建立了若干支持精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)的示范應(yīng)用系統(tǒng)[1,4～7],如美國(guó)CaseIH公司的AFS(AdvancedFarm-ingSystem)、英國(guó)MasseyFerguson的FieldStar、美國(guó)JohnDeree公司的GreenStar等。在實(shí)踐過(guò)程中,也已經(jīng)獲得較好的效果,精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在大農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)中已得到較廣泛的應(yīng)用,并且許多成熟的技術(shù)已經(jīng)形成。據(jù)統(tǒng)計(jì),到1995年,美國(guó)約有5%的作物面積上不同程度地應(yīng)用了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)[12],在西方發(fā)達(dá)國(guó)家,精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)思想也逐漸被農(nóng)場(chǎng)管理人員了解和接受,并且成立了許多以精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)的服務(wù)機(jī)構(gòu)。近年來(lái)不僅西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)實(shí)踐引起重視,在日本、韓國(guó)、巴西、馬來(lái)西亞等國(guó)亦已開(kāi)始了試驗(yàn)示范研究[8]。在我國(guó),從事農(nóng)業(yè)研究的人員首先開(kāi)始了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究,隨后生物技術(shù)、信息技術(shù)、地理科學(xué)和生態(tài)學(xué)研究人員對(duì)此表示了濃厚的興趣,并且先后開(kāi)展了關(guān)于技術(shù)體系、發(fā)展策略等方面的研究[14～23]。但從總體上我國(guó)對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究還處在引進(jìn)和消化吸收階段,還沒(méi)有形成較為系統(tǒng)的學(xué)術(shù)思想和技術(shù)體系。目前已經(jīng)在北京和上海建成兩個(gè)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范區(qū)。

4地理信息技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的前提是及時(shí)采集分析土壤肥力和作物生長(zhǎng)狀況的空間差異信息,生成田間管理處方,以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位和定量的田間管理,因此,地理信息技術(shù)應(yīng)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中扮演重要的角色。國(guó)外關(guān)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究基本上仍是集中于利用3S空間信息技術(shù)和作物生產(chǎn)管理決策支持技術(shù)(DSS)為基礎(chǔ)的、面向大田作物生產(chǎn)的精準(zhǔn)農(nóng)作技術(shù),而沒(méi)有較全面地研究地理信息技術(shù)在整個(gè)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)體系中的應(yīng)用。

4.1全球定位系統(tǒng)應(yīng)用

GPS技術(shù)為土壤類型、土壤肥力特性、水分、作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況、病蟲草害及農(nóng)作物產(chǎn)量等田間信息采樣和決策方案的田間實(shí)施提供準(zhǔn)確的空間位置信息。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中,GPS作用主要有三點(diǎn):控制測(cè)量、農(nóng)田信息采集定位(采樣定位和遙感信息定位)和控制導(dǎo)航。目前,GPS應(yīng)用研究主要在研制基于移動(dòng)電腦或掌上電腦的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)和攜帶GPS接收機(jī)的智能農(nóng)機(jī)系統(tǒng)兩個(gè)方面。如美國(guó)FieldWorker公司的基于掌上電腦的信息采集軟件FieldWorker能很好地滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)農(nóng)田信息采集的需要;美國(guó)Trimble公司的AgGPS160PortableComputer能實(shí)現(xiàn)田間成圖、各種作物及其生長(zhǎng)環(huán)境屬性信息記錄、獲取來(lái)自各種田間環(huán)境傳感器的信息。智能農(nóng)業(yè)機(jī)械在田間進(jìn)行農(nóng)作生產(chǎn)時(shí)通過(guò)GPS獲取的精確定位信息實(shí)施導(dǎo)航監(jiān)控,同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)獲得農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)信息和與之相關(guān)的空間位置信息。目前智能農(nóng)機(jī)應(yīng)用研究最為成功的是帶有GPS定位系統(tǒng)的能夠獲取田間作物產(chǎn)量信息的聯(lián)合收割機(jī)[24]。變量施用機(jī)具是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的田間實(shí)現(xiàn),國(guó)內(nèi)外的研究均很多,如變量施肥機(jī)、變量播種機(jī)、變量灌溉和噴藥機(jī)等,其中變量施肥是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量施用技術(shù)的第一項(xiàng)內(nèi)容,也是研究最多的項(xiàng)目,但無(wú)論如何,單純用于農(nóng)田信息采集的軟件系統(tǒng)將隨著遙感在農(nóng)田信息獲取應(yīng)用的不斷深入而被淘汰,取代它的將是集成GPS的遙感系統(tǒng)與智能農(nóng)機(jī)系統(tǒng)。可以預(yù)見(jiàn),集成GPS的遙感成像系統(tǒng)將在獲取田間“空間差異”信息方面發(fā)揮巨大作用。

4.2遙感應(yīng)用

田間時(shí)空變異信息獲取方式有傳統(tǒng)田間采樣測(cè)試、GPS田間信息采集、智能農(nóng)機(jī)系統(tǒng)作業(yè)采集和多平臺(tái)遙感信息采集系統(tǒng)。然而遙感能夠以“無(wú)損測(cè)試”方式方便、及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取反映較大面積內(nèi)的“面狀”地物性質(zhì)與狀態(tài)信息。而其它方式獲取的“點(diǎn)狀”信息顯然不足以了解全局,而且人工采樣都會(huì)對(duì)作物造成不同程度上破壞。因此遙感將在實(shí)現(xiàn)大面積情況下作物長(zhǎng)勢(shì)與營(yíng)養(yǎng)實(shí)時(shí)診斷中發(fā)揮不可替代的作用。目前遙感應(yīng)用研究主要集中在對(duì)地面光譜測(cè)量數(shù)據(jù)和采樣測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)的分析,建立遙感數(shù)據(jù)與土壤狀況或作物生物物理化學(xué)參數(shù)(如葉面積指數(shù)、葉綠素含量、土壤特性等)之間的相關(guān)關(guān)系,結(jié)合作物生態(tài)生理過(guò)程間接獲取作物農(nóng)學(xué)特性(作物冠層營(yíng)養(yǎng)水平、籽粒與生物質(zhì)產(chǎn)量、質(zhì)量等信息)。在大面積農(nóng)作物宏觀長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物宏觀估產(chǎn)、農(nóng)情宏觀預(yù)報(bào)、農(nóng)業(yè)資源調(diào)查等方面,遙感已經(jīng)發(fā)揮其應(yīng)有的作用,而且研制出了可行的技術(shù)路線[28,29],如東北玉米、華北小麥和南方水稻估產(chǎn)精度達(dá)到90%以上。高光譜遙感是遙感發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì),光譜分辨率達(dá)到納米級(jí)的高光譜遙感數(shù)據(jù)可以很好地描述作物的“紅邊”特性(紅邊位置、紅邊斜率、“紅移”、“藍(lán)移”),區(qū)分作物葉片生化成分、含量及其變化[27],還可以用來(lái)減弱土壤對(duì)作物光譜的影響,作物具有一些明顯的、獨(dú)特的吸收特征。作物生物物理和生物化學(xué)信息是研究理解植被生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程和生理機(jī)制的重要參數(shù),是診斷植物營(yíng)養(yǎng)狀況的重要依據(jù),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)涉足高光譜遙感在植被生物物理信息和生物化學(xué)信息提取方面的研究[25,26]。高光譜遙感以其高光譜分辨率特性所攜帶的豐富光譜信息為遙感應(yīng)用帶來(lái)了強(qiáng)大的活力,通過(guò)分析高光譜植被指數(shù)與農(nóng)作物特征的關(guān)系,選擇表征農(nóng)作物特征的特定波段和光譜參量可以較好地反演作物生物物理和生物化學(xué)信息。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)體系中,遙感(特別是高光譜遙感)將為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施提供大量的田間時(shí)空變化信息,遙感技術(shù)將成為監(jiān)測(cè)土壤和作物養(yǎng)分變化、水分脅迫和病蟲害等的主要數(shù)據(jù)源。由于航空、航天遙感成本較高,而且受信息獲取的滯后性、信息分析處理方法等因素的限制,目前許多學(xué)者開(kāi)始研制基于地物光譜特征,并用于田間低成本間接測(cè)定作物養(yǎng)分和生化參數(shù)的儀器和工具,如NDVI測(cè)量?jī)x、LAI測(cè)量?jī)x、谷物品質(zhì)測(cè)量?jī)x等,這在衛(wèi)星和航空遙感技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和成熟前,正在被發(fā)展為高密度獲取農(nóng)田信息的技術(shù)手段。

4.3地理信息系統(tǒng)應(yīng)用

GIS在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中的地位舉足輕重,其作用不僅在于從田間信息采集、信息處理與管理、信息分析,到田間決策方案實(shí)施的整個(gè)種植管理過(guò)程,而且貫穿規(guī)劃、種植管理、產(chǎn)后分析、產(chǎn)后加工及銷售的整個(gè)種植循環(huán)過(guò)程。這要?dú)w功于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施對(duì)空間信息的依賴性。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)體系中,GIS不再是一個(gè)孤立的系統(tǒng),而是圍繞精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)核心思想而提供較全面的地理信息服務(wù)的平臺(tái),而且該平臺(tái)與其它系統(tǒng)或用戶之間通過(guò)信息交換而緊密聯(lián)系。概括來(lái)說(shuō),這種地理信息服務(wù)主要包括信息管理服務(wù)、信息交換與更新服務(wù)、信息決策分析服務(wù)和信息服務(wù)等4項(xiàng),如圖2所示。

4.3.1農(nóng)田信息管理

農(nóng)田信息具有多源性,具體表現(xiàn)在存儲(chǔ)格式多樣性、多尺度性、獲取方式多樣性,另外還包括系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)組織的復(fù)雜性。通過(guò)GIS平臺(tái),在融合多源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立農(nóng)田管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)多源、多時(shí)相農(nóng)田信息的有序管理和分析,這是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的基礎(chǔ),其作用表現(xiàn)在數(shù)據(jù)組織和集成管理、空間分析查詢、空間數(shù)據(jù)更新與綜合處理、可視化分析與表達(dá)。GIS為田間信息采集提供基礎(chǔ)信息,也為田間變量實(shí)施決策分析提供信息源,因此農(nóng)田地理信息系統(tǒng)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的信息管理員。目前GIS在國(guó)外精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用中還處在農(nóng)田邊界圖管理、土壤肥力管理、產(chǎn)量分布圖管理分析和GIS制圖階段,并沒(méi)有充分發(fā)揮GIS應(yīng)有的作用,相應(yīng)的管理軟件也不成熟。雖然經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,國(guó)外許多GIS產(chǎn)商開(kāi)發(fā)了諸如ArcGIS產(chǎn)品系列、MapInfo系列等通用GIS軟件,但這些軟件與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān)的功能只是很小一部分,而且它們價(jià)格昂貴。然而,應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的GIS應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)該是小型廉價(jià)且適用的農(nóng)場(chǎng)信息系統(tǒng)FIS(FarmInformationSystem)。因此根據(jù)農(nóng)業(yè)信息采集、存儲(chǔ)和處理分析的特點(diǎn),研發(fā)功能針對(duì)性強(qiáng)的FIS是農(nóng)業(yè)GIS發(fā)展的一個(gè)方向。

4.3.2信息更新與交換

信息更新與交換服務(wù)是服務(wù)平臺(tái)的重要組成部分。數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的血液,平臺(tái)的生命力在于信息的現(xiàn)勢(shì)性及可更新性。信息更新一般分為兩個(gè)層次:一是不定期的局部數(shù)據(jù)更新;二是周期性的全局?jǐn)?shù)據(jù)更新。信息交換是信息進(jìn)出服務(wù)平臺(tái)的通道,解決服務(wù)平臺(tái)與各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題。遙感信息的特點(diǎn)決定了它必將成為農(nóng)田信息獲取的主要手段,然而從遙感獲取的不是直接用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的信息,如土壤水分、作物冠層生化參數(shù)等,而需要通過(guò)分析建立遙感信息與土壤和作物生長(zhǎng)狀態(tài)相關(guān)的參數(shù)之間的關(guān)系,這是限制遙感信息應(yīng)用與農(nóng)業(yè)信息獲取的“瓶頸”。GIS的參與將為遙感信息提取提供新的思路,提供背景數(shù)據(jù)和分析方法。遙感和地理信息集成研究,脫離龐大昂貴的遙感影像處理系統(tǒng),開(kāi)發(fā)服務(wù)于具體應(yīng)用的遙感和GIS集成系統(tǒng),是GIS應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的又一個(gè)重要方向。

4.3.3決策分析

決策分析服務(wù)是整個(gè)地理信息服務(wù)平臺(tái)的核心部分,利用已有的信息,根據(jù)不同應(yīng)用目的,集成相應(yīng)的知識(shí)和模型,分析生成供決策服務(wù)的知識(shí),這是地理信息技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的首要目的。信息分析服務(wù)是一個(gè)知識(shí)挖掘的過(guò)程,其關(guān)鍵是GIS與專家系統(tǒng)、模型庫(kù)系統(tǒng)集成,其集成程度決定分析效率和分析結(jié)果的可靠性。決策分析可以歸納為產(chǎn)前規(guī)劃評(píng)價(jià)分析、產(chǎn)中監(jiān)測(cè)與控制分析,以及產(chǎn)后分析與銷售管理。規(guī)劃評(píng)價(jià)主要利用區(qū)域自然要素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素、產(chǎn)量歷史數(shù)據(jù)、作物品種特性等進(jìn)行農(nóng)業(yè)區(qū)的規(guī)劃、種植區(qū)劃、作物種植適宜性評(píng)價(jià)和作物品質(zhì)區(qū)劃,這方面的GIS應(yīng)用研究取得了一定的進(jìn)展[32,33]。實(shí)現(xiàn)以高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)和實(shí)時(shí)管理為目標(biāo),為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供一個(gè)合理、詳細(xì)、完整的農(nóng)田作業(yè)規(guī)劃,它是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的基礎(chǔ)。如通過(guò)分析產(chǎn)量數(shù)據(jù)、肥力水平和作物生長(zhǎng)的適宜性,選擇合適的品種、肥料和農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備,制定合理的耕作計(jì)劃。監(jiān)測(cè)與控制分析是信息分析決策服務(wù)的一個(gè)重要內(nèi)容,是最能體現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)核心思想的內(nèi)容。將GIS作為決策分析的平臺(tái)為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施提供決策和控制的依據(jù)是其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的另一個(gè)發(fā)展方向。通過(guò)GIS集成作物栽培管理輔助決策支持系統(tǒng)與作物生產(chǎn)管理與長(zhǎng)勢(shì)預(yù)測(cè)模擬模型、投入產(chǎn)出模擬模型和智能化農(nóng)作專家系統(tǒng),根據(jù)作物長(zhǎng)勢(shì)和其背景狀況做出診斷,提出科學(xué)處方,調(diào)控操作。將不同類型的地理數(shù)據(jù),如土壤、作物、氣象和土地歷史等,與水分運(yùn)動(dòng)、溶質(zhì)運(yùn)移、農(nóng)藥滲漏、作物生長(zhǎng)、土壤侵蝕等各種模擬模型和專家知識(shí)和推理機(jī)整合,產(chǎn)生支持定位實(shí)施的“農(nóng)作處方”,這一切都需要集成模擬模型和專家系統(tǒng)的GIS應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)的支持。也正是GIS的這一功能才使得用于變量作業(yè)的農(nóng)藝處方生成得以實(shí)現(xiàn),同時(shí)也能夠通過(guò)專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施中的自動(dòng)控制。國(guó)內(nèi)有學(xué)者開(kāi)始研究采用GIS進(jìn)行施肥推薦處方生成[30,31]。

4.3.4產(chǎn)后分析與銷售管理

從精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)業(yè)化角度考慮,GIS在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用并沒(méi)有隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)田間實(shí)施全過(guò)程的結(jié)束而終止,它還在后續(xù)工作中起著重要作用。利用產(chǎn)后產(chǎn)量分析為下一種植循環(huán)的規(guī)劃提供決策信息,這是當(dāng)前國(guó)外精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)體系中注意得比較多的一項(xiàng)內(nèi)容,但僅此而已,它們并沒(méi)有從市場(chǎng)銷售角度考慮GIS的應(yīng)用。目前,作物生產(chǎn)已開(kāi)始由單純追求高產(chǎn)模式向優(yōu)質(zhì)、專用和高效的方向轉(zhuǎn)變,利用品質(zhì)監(jiān)測(cè)信息可用于指導(dǎo)糧食分類加工,大幅度提高加工品質(zhì)和附加值,這是產(chǎn)后基于GIS分析的又一個(gè)內(nèi)容。市場(chǎng)分析是根據(jù)作物產(chǎn)量和品質(zhì),以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素進(jìn)行分析,用于指導(dǎo)糧食銷售價(jià)格和銷售方向,從而提高糧食生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。銷售管理主要對(duì)客戶和糧食配送的管理,分為客戶關(guān)系管理和物流管理,它是提高糧食銷售管理效率的必要前提。因此研發(fā)為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)服務(wù)的產(chǎn)后市場(chǎng)分析和銷售管理的應(yīng)用軟件是GIS應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的一個(gè)重要補(bǔ)充,具有較大應(yīng)用前景。

4.3.5空間信息

利用GIS進(jìn)行空間信息服務(wù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)體系中“空間變異信息”的重要消費(fèi)者,它通過(guò)Internet或無(wú)線(有線)通訊向公眾原始和分析結(jié)果信息。的空間信息可以包括農(nóng)田作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)信息、作物產(chǎn)量及品質(zhì)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)信息、產(chǎn)品供需分布信息等,空間信息將使地理信息技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用走向社會(huì)化,這是產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要方向。

5應(yīng)用前景與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)不但可以最大限度提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力,而且是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的有效途徑。因而精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展的前沿,是科技含量最高、集成綜合性最強(qiáng)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理技術(shù)之一。它的應(yīng)用實(shí)踐和快速發(fā)展將使人類充分挖掘農(nóng)田最大的生產(chǎn)潛力、合理利用水肥資源、減少環(huán)境污染、大幅度提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)成為可能。實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)也是解決我國(guó)農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中所面臨的確保農(nóng)產(chǎn)品總量、調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和質(zhì)量、資源嚴(yán)重不足且利用率低、環(huán)境污染等問(wèn)題的有效方式,將在世紀(jì)之交成為我國(guó)農(nóng)業(yè)科技革命的重要內(nèi)容。

地理信息技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用為地理信息技術(shù)應(yīng)用開(kāi)拓了一個(gè)領(lǐng)域,也為地理信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展孕育了新的增長(zhǎng)點(diǎn)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)要從“示范基地”走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化,“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”示范工程研究是地理信息技術(shù)應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究的切入點(diǎn)。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用中,地理信息技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化必需從以下幾個(gè)方面著手:1)利用GIS技術(shù)建立農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng),這是農(nóng)業(yè)信息化的基礎(chǔ);2)加強(qiáng)地理信息技術(shù)相關(guān)理論和技術(shù)研究,如多源數(shù)據(jù)融合、從遙感影像中作物理化參數(shù)快速提取、GIS與專家系統(tǒng)及專業(yè)應(yīng)用模型集成、GIS、GPS與專家系統(tǒng)集成智能作業(yè)系統(tǒng);3)開(kāi)發(fā)針對(duì)性強(qiáng)、成本低廉的實(shí)用系統(tǒng),如農(nóng)田信息管理系統(tǒng)、農(nóng)田變量施肥處方生成系統(tǒng)等,這是產(chǎn)業(yè)化的最佳途徑,精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化不可能是將整個(gè)體系作為一個(gè)整體提供給用戶;4)成立遙感信息服務(wù)機(jī)構(gòu),集中人才優(yōu)勢(shì),充分利用遙感影像信息提取所需的昂貴軟硬件,降低信息提取的成本,為廣大農(nóng)田管理或糧食收購(gòu)工作人員提供信息服務(wù)。目前,精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系基本上是面向農(nóng)田作物的,更確切的說(shuō)是一種“精細(xì)農(nóng)作(PrecisionFarming)”,整個(gè)技術(shù)要進(jìn)一步轉(zhuǎn)向包括養(yǎng)殖、加工、市場(chǎng)服務(wù)等在內(nèi)的大農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,因此地理信息技術(shù)將具有更加廣闊的前景。