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1gis的基本原理及發(fā)展歷程

GIS是由地理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)與組織機構(gòu)等組成，主要以采集和存儲地球表面與空間和地理分布有關的數(shù)據(jù)，并加以分析、顯示和應用的計算機系統(tǒng)，其主要涉及空間位置、模式模型、變化趨勢等功能。GIS技術(shù)起始于20世紀60年代，發(fā)展成熟于七八十年代，由偏重于空間數(shù)據(jù)的處理，轉(zhuǎn)向自然資源開發(fā)、國土規(guī)劃及生態(tài)保護等領域。90年代以來，隨著GIS理論、方法和技術(shù)的成熟，廣泛應用在于環(huán)境資源保護、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、災害預測和政府管理等領域。1978年，國內(nèi)學者開始對地統(tǒng)計學的研究，特別是近年來，地統(tǒng)計學與GIS的結(jié)合是國內(nèi)外學者研究農(nóng)田精準施肥的熱點，GIS作為功能性的空間技術(shù)被應用于農(nóng)業(yè)管理和農(nóng)業(yè)分析科學研究中，主要應用于精準施肥、作物產(chǎn)值評估、病蟲害預測和專家決策系統(tǒng)等方面，極大地推動了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

2地理信息系統(tǒng)在煙草農(nóng)業(yè)領域的應用

20世紀90年代中期，我國逐漸將GIS應用在煙草農(nóng)業(yè)領域，主要應用于農(nóng)業(yè)氣候與煙草種植區(qū)劃、植煙土壤適宜性評價、煙草病蟲害預測及評估和變量施肥等方面，取得了較大的成就，一些研究成果直接應用于煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，取得了很好的經(jīng)濟和社會效益。

2．1對植煙土壤養(yǎng)分的空間管理及應用

2．1．1植煙土壤適宜性評價。土壤是一個具有空間變異的系統(tǒng)，經(jīng)典統(tǒng)計學不能反映養(yǎng)分含量在空間上的分布情況。植煙土壤是優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)的基礎，對煙葉品質(zhì)風格的形成具有重要作用。對植煙土壤養(yǎng)分空間變異性及煙草養(yǎng)分吸收規(guī)律的研究，可為實現(xiàn)植煙土壤適宜性的評價奠定基礎。陳海生等利用GIS技術(shù)，運用模糊數(shù)學和層次分析法，對烤煙種植區(qū)各項土壤肥力指標進行了綜合評價，并繪制了土壤肥力評價圖，建立了河南省南陽市烤煙土壤肥力適宜性評價指標體系。徐大兵等以湖北省恩施市“清江源”現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)科技園區(qū)、恩施城郊和利川柏楊基地單元新整治區(qū)域的土壤屬性和速效養(yǎng)分為研究對象，在GIS平臺的基礎上，采用模糊數(shù)學法對新整治區(qū)域的土壤肥力適宜性指數(shù)進行了評價。汪璇等對重慶黔江煙區(qū)土壤的速效養(yǎng)分和pH等6種主要植煙土壤肥力指標進行了分析，研究了土壤養(yǎng)分要素與各地形因子之間存在的相關關系，在GIS的平臺下，利用模糊綜合評價法對丘陵山區(qū)的植煙土壤養(yǎng)分適宜性進行了綜合評價，并確立了黔江植煙土壤養(yǎng)分適宜性指數(shù)空間分布。

2．1．2植煙土壤養(yǎng)分空間變異研究。土壤養(yǎng)分空間變異性是土壤重要屬性，隨著科學信息技術(shù)和GIS的快速發(fā)展，土壤養(yǎng)分空間變異性的研究成為了土壤科學研究領域的最前沿熱點之一。利用GPS、GIS和地統(tǒng)計學等相結(jié)合的方法，對植煙土壤大、中、微量元素空間變異的研究，可為煙區(qū)的管理分區(qū)和變量施肥提供科學依據(jù)。黃新杰等采用GPS技術(shù)，在GIS的基礎上，利用經(jīng)典統(tǒng)計學和地統(tǒng)計學的方法，對湖南省典型稻煙輪作區(qū)3255份土樣養(yǎng)分的總體特征和空間分布特征進行了研究，探明了其養(yǎng)分的空間分布，為該地區(qū)的養(yǎng)分精準管理提供了理論依據(jù)。董旭等采用GIS和地統(tǒng)計學相結(jié)合的方法，對遼寧昌圖煙區(qū)的植煙土壤pH和有效態(tài)中量元素的空間變異及分布特征進行了研究，并繪制了其空間分布圖。李強等探討微量元素精準施肥，研究了馬龍縣植煙土壤有效態(tài)微量元素的總體特征和空間變異特征，利用GIS技術(shù)，繪制了微量元素空間分布圖，為該縣的微量元素精準施肥專家系統(tǒng)提供了理論基礎。王新中等運用地統(tǒng)計學和GIS技術(shù)，以平頂山郟縣的植煙土壤為研究對象，分析了土壤粒級和主要土壤養(yǎng)分之間的關系，并對土壤粒級的空間變異規(guī)律進行了研究。

2．1．3植煙區(qū)土壤養(yǎng)分分區(qū)管理及變量施肥研究。管理分區(qū)就是將具有相似土壤肥力及其養(yǎng)分利用率，以及相似生態(tài)環(huán)境的區(qū)域作為一個單元進行管理。變量施肥管理系統(tǒng)是精準農(nóng)業(yè)的核心技術(shù)，在農(nóng)業(yè)上已取得了良好應用效果。利用GIS技術(shù)對植煙土壤進行管理分區(qū)研究，是在對每一管理單元的生態(tài)環(huán)境、土壤理化性質(zhì)、煙草需肥規(guī)律和病蟲害的綜合分析的基礎上，建立相應的施肥模型，并確立相對應的施肥方案，進行變量施肥管理，達到優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)的目的，并且對保護煙田生態(tài)環(huán)境有重要意義。Yang等對變量施用液態(tài)N和P肥作了研究，得出應用變量施肥技術(shù)可以減少產(chǎn)量變化的差異，提高產(chǎn)量和增加回報。Liu等研究了植煙土壤養(yǎng)分的空間變異，并采用半方差圖和克立格插值法進行土壤特性研究，為烤煙的變量施肥提供了理論基礎和技術(shù)支撐。江厚龍等以GIS為平臺，利用主成分分析和模糊聚類分析法，用平頂山典型煙區(qū)111個土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)對煙田進行管理分區(qū)研究，將研究區(qū)域分為3個區(qū)域進行管理，分區(qū)結(jié)果可以作為變量施肥的單獨作業(yè)單元進行施肥管理。

2．2煙草病蟲害預測及評估煙草病蟲害是煙葉生產(chǎn)的制約因素，不僅嚴重影響煙葉品質(zhì)，而且造成煙農(nóng)經(jīng)濟損失。對煙草病蟲害進行統(tǒng)防統(tǒng)治是煙葉生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。利用GIS技術(shù)可以分析煙草病蟲害發(fā)生的趨勢及其影響發(fā)生的適宜環(huán)境因子，預測其發(fā)生的規(guī)律及時空動態(tài)，為防治煙草病蟲害發(fā)生提供準確、及時、可視的科學決策。Richam等利用GIS技術(shù)分析了不同地域間的氣象、不同年度、有益有害生物、煙草品種抗性、生態(tài)變化等信息，并利用模擬模型對煙草蚜蟲發(fā)生進行預測，建立煙草病蟲害的發(fā)生預測模型。陶瓊等利用GIS對昆明市煙草的“六病四蟲”的發(fā)生率和發(fā)生指數(shù)進行分析，準確地預測到病蟲害發(fā)生的程度和空間分布，對病蟲害進行有效的防治和預防有很好的應用效果，并利用WebGIS建立了昆明市煙草病蟲害監(jiān)測預警體系。劉長明等應用互聯(lián)網(wǎng)、GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，以福建煙草病蟲害監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，構(gòu)建福建省煙草病蟲害管理信息系統(tǒng)。

2．3植煙區(qū)氣候與煙草種植區(qū)劃氣候是影響煙草生產(chǎn)和種植區(qū)劃的重要生態(tài)因素，不僅影響煙草的生物學性狀和病蟲害的發(fā)生，而且還對煙草的內(nèi)在品質(zhì)和產(chǎn)質(zhì)量有重要影響。因此，將GIS的空間分析功能與當?shù)氐臍夂蛸Y源和種植水平相結(jié)合，進行精準的氣候區(qū)劃，可為煙草種植區(qū)劃的調(diào)整和合理利用氣候資源提供科學依據(jù)。莫建國等利用GIS技術(shù)，采用克里克插值和構(gòu)建模型的方法，對威寧縣烤煙生長期氣候條件及各氣象要素對烤煙品質(zhì)的影響進行了研究，實現(xiàn)了對威寧縣烤煙種植的精細氣候劃分。符昌武等應用GPS和GIS技術(shù)，對普洱煙區(qū)氣候要素進了空間分析，模擬繪制了氣候要素的地理空間分布細網(wǎng)格模擬數(shù)字地圖，為普洱優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)區(qū)劃奠定了基礎。董謝瓊等利用氣象、土壤、地形、土地利用等多源數(shù)據(jù)，在GIS技術(shù)支持下，根據(jù)煙草生長發(fā)育生態(tài)條件，確定煙草種植適宜性氣候生態(tài)指標和區(qū)劃原則，對云南省烤煙種植適宜區(qū)劃進行研究，區(qū)劃結(jié)果與云南省實際優(yōu)質(zhì)煙葉產(chǎn)地分布基本一致。

3GIS在我國煙草農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程中的研究與應用展望

隨著煙草農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程的推進和GIS技術(shù)的不斷發(fā)展、成熟，GIS技術(shù)需要加強在以下4個領域內(nèi)的應用研究。

3．1以GIS、RS、GPS等技術(shù)為核心的“3S”空間決策支持系統(tǒng)主要是GPS為RS和GIS提供監(jiān)測范圍的定位信息，RS為GIS提供重要的信息數(shù)據(jù)庫，能及時準確提供監(jiān)測范圍內(nèi)的綜合性的定位定量信息，并有助于及時更新GIS數(shù)據(jù)庫，特別是對煙草生長過程的動態(tài)監(jiān)測。建立基于煙草“3S”技術(shù)的空間決策支持系統(tǒng)，可為煙草管理提供精確操作和決策服務。隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，其將成為今后現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)研究的熱點，也將是現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)精益生產(chǎn)的基礎。

3．2GIS和專家系統(tǒng)(ES)高度集成具有人工智能的GIS在煙草農(nóng)業(yè)領域內(nèi)將得到廣泛應用。目前，GIS的應用還主要在煙田土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)庫的建立、精準施肥、病蟲害的監(jiān)測和預測等方面，但煙草生長是一個動態(tài)過程，與當?shù)厣鷳B(tài)氣候、種植制度和田間管理等緊密相關，單純的GIS研究，很少能為現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中復雜的空間問題的解決提供足夠的決策支持，這需要大量的專家經(jīng)驗和知識。所以，GIS與專家系統(tǒng)的有機結(jié)合，為解決煙草生產(chǎn)過程遇到的各種問題提供了有效的途徑。

3．3建立三維GIS與煙草模型的開發(fā)三維GIS的應用將在煙草農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、煙草生產(chǎn)管理與決策等模型方面發(fā)揮不可估量的作用。通過三維GIS可以立體表達煙草生長發(fā)育，主要體現(xiàn)在空間位置與拓撲關系的描述及空間分析的伸展方向上;對煙草進行三維空間分析是三維GIS特有的功能。隨著GIS技術(shù)向現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)應用層次的發(fā)展，建立煙草農(nóng)業(yè)三維GIS系統(tǒng)是未來現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)重點開發(fā)技術(shù)之一。

3．4GIS和虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)結(jié)合，建立虛擬煙草農(nóng)場虛擬農(nóng)業(yè)的理論基礎是農(nóng)作物與環(huán)境之間的關系是可計算的。虛擬煙草農(nóng)業(yè)是以煙草農(nóng)業(yè)領域為研究對象，利用先進信息技術(shù)，建立計算機平臺，研究煙草與環(huán)境因子交互作用，以生態(tài)環(huán)境及氣候的適應和改造、改良煙草品種、增質(zhì)適產(chǎn)等為目的的技術(shù)系統(tǒng)。利用三維GIS與虛擬煙草農(nóng)業(yè)等相結(jié)合技術(shù)建立虛擬煙草農(nóng)場，在計算機上種植可視虛擬煙草和虛擬煙田管理，從觀察煙草生長狀況和動態(tài)過程，并可通過改變環(huán)境條件和栽培措施，直觀地觀察對煙草生長發(fā)育的影響。虛擬煙草農(nóng)業(yè)將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究方法的革新和先進的技術(shù)手段，它將提高現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)領域研究的效率，促進煙草農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。

4結(jié)論

近年來，經(jīng)過GIS技術(shù)的發(fā)展，其在煙草農(nóng)業(yè)的植煙土壤養(yǎng)分空間變異分析、植煙土壤適宜性評價、植煙區(qū)土壤養(yǎng)分分區(qū)管理及變量施肥研究、煙草病蟲害預測及評估和植煙區(qū)氣候與煙草種植區(qū)劃等方面取得較大成就，推動煙草農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展，但在空間決策系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、三維煙草模型開發(fā)、虛擬煙草農(nóng)場等方面研究較少，需要進一步加強研究。

作者：張春華劉國順單位：川渝中煙工業(yè)有限責任公司河南農(nóng)業(yè)大學國家煙草栽培生理生化研究基地