地理信息在農業中的作用

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1地理信息技術

地理信息技術是以現代信息技術為技術基礎,以全球衛星定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS)、遙感(RS)等空間信息技術為手段,以計算機、現代網絡和通訊技術為技術支撐,為實現快速、高保真、大容量地獲取、處理、分析、應用、傳輸、存儲和管理與空間位置有關的數據而建立起的一個技術體系。地理信息技術的快速發展為農業數字化建設和自動化、智能化管理提供堅實的技術基礎,并逐漸成為以可持續發展為目標的精準農業技術體系的核心技術。然而,國內外關于地理信息技術應用于精準農業的研究基本上仍是集中于面向大田作物生產的精準農作中的3S技術應用,而沒有較全面地研究地理信息技術在整個精準農業體系中的地位和作用。本文旨在探討地理信息技術在精準農業中的應用前景和問題,為3S技術在精準農業中應用提供思路。

2地理信息技術發展現狀

以GPS/GLONASS,以及歐盟即將通過“伽利略”計劃建立起的導航衛星系統為代表的全球衛星定位技術具有快速、方便地獲取高精度位置信息的優勢。目前,差分定位(DifferentialGPS,簡稱DGPS)系統的定位精度可達到亞米級水平,實時動態差分(RealTimeKine-matic,簡稱RTK)技術能夠在野外實時得到厘米級的定位精度,特別是美國政府取消GPS數據精度選用政策(SA),GPS的民間用戶將能夠使定位精度提高10倍。因此,全球衛星定位技術將在很多領域逐漸取代常規的光學和電子測量定位儀器。衛星定位技術與現代通訊技術的結合,使空間定位技術發生巨大變革,為信息化農業獲取高精度定位信息提供了技術保障。遙感技術蓬勃發展,能夠獲取多傳感器、多時相、高分辨率(空間分辨率、時間分辨率、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據。極高分辨率的衛星遙感影像(如0.61m分辨率QuickBird)民用化和商業化,能夠滿足大比例尺的農業、資源環境等領域的應用,將成為信息獲取的重要數據源。高光譜遙感的發展,展現出遙感在農業中應用的蓬勃生機。在遙感影像處理方面,引入多源信息融合技術和智能專家系統使遙感信息提取邁上一個新的臺階[9]。地理信息系統正向網絡化、組件化發展[10],GIS逐步融入IT主流,其應用正走向企業化和社會化。GIS傳統功能日臻完善,如查詢統計、空間分析、編輯、地理數據可視化、制圖等;系統分析和設計全面采用面向對象技術(OOA&OOD),以及空間數據庫技術的發展等都為GIS在農業中應用提供很強的理論和技術基礎[11]。所有這些核心地理信息技術的發展為精準農業田間信息獲取、分析、管理和決策,以及系統集成研究與實踐提供了技術基礎。

3精準農業技術思想

3.1精準農業的技術思想

上世紀80年代初期,根據農田內以米為單位的小區作物產量、生長環境條件等具有明顯的時空差異性,國外學者產生了對農作物實施定位管理(Site-specificManagement)、根據實際需要進行變量投入(VariableRateTechnology)等農業生產的精準管理思想,進而提出了精準農業(PrecisionAgriculture)的概念。精準農業的思想實質就是通過各種技術手段來獲取農田內不同單元小區的農作物具體生產環境信息,并根據這些信息確定各個小區內的最為經濟和科學合理的農業生產投入,達到獲得經濟、環境等方面最高回報的目的,從而實現農業生產的精準管理[2,3]。

3.2精準農業技術體系

精準農業強調經濟、生態和社會效益的統一,實現定位、定量、定時的最優化生產管理,由此可見,精準農業是一種基于空間信息管理和變異分析的現代農業管理策略和農業操作技術體系,以地理信息技術為主體的信息技術是精準農業的技術核心,基于知識和先進技術的現代農田精準農業技術體系至少包括以下方面:地理信息技術(GIS、RS、GPS)、生物技術、農業專家系統(ES)、決策支持系統(DSS)、工程裝備技術等[13]。通常所說的精準農業的核心是強調減少種植管理過程中的農業投入,因此研究將精準農業分為田間信息獲取、信息分析處理、決策分析、精準實施4個過程[12]。精準農業的目標不單是盡量減少投入,更重要的是要獲得經濟、環境等方面的最高回報,因此筆者認為整個精準農業種植循環過程應該經過產前規劃、產中種植管理、產后分析、產后加工和產后銷售等5個環節。其中產中種植管理是體現精準農業核心思想的重要環節,幾乎涉及精準農業技術體系中的所有技術。目前,國內外研究的核心在于種植管理中的時空變異信息獲取與提取(傳感器、遙感軟硬件研制)技術、信息處理與分析方法、決策分析集成系統,以及攜帶DGPS的智能農機系統,這些正是精準農業實施和推廣必須解決的關鍵技術。

3.3精準農業發展現狀

20世紀90年代以來,發達國家許多學者著力于研究運用高新技術提高農業勞動生產率和農資利用率,以達到經濟效益、生態效益和社會效益的最大統一,最終實現農業生產可持續發展。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農業技術的示范應用系統[1,4～7],如美國CaseIH公司的AFS(AdvancedFarm-ingSystem)、英國MasseyFerguson的FieldStar、美國JohnDeree公司的GreenStar等。在實踐過程中,也已經獲得較好的效果,精準農業在大農場生產中已得到較廣泛的應用,并且許多成熟的技術已經形成。據統計,到1995年,美國約有5%的作物面積上不同程度地應用了精準農業技術[12],在西方發達國家,精準農業技術思想也逐漸被農場管理人員了解和接受,并且成立了許多以精準農業為基礎的服務機構。近年來不僅西方發達國家對精準農業的技術實踐引起重視,在日本、韓國、巴西、馬來西亞等國亦已開始了試驗示范研究[8]。在我國,從事農業研究的人員首先開始了精準農業研究,隨后生物技術、信息技術、地理科學和生態學研究人員對此表示了濃厚的興趣,并且先后開展了關于技術體系、發展策略等方面的研究[14～23]。但從總體上我國對精準農業的研究還處在引進和消化吸收階段,還沒有形成較為系統的學術思想和技術體系。目前已經在北京和上海建成兩個精準農業示范區。

4地理信息技術在精準農業中應用

精準農業實施的前提是及時采集分析土壤肥力和作物生長狀況的空間差異信息,生成田間管理處方,以實現精準的定位和定量的田間管理,因此,地理信息技術應在精準農業中扮演重要的角色。國外關于精準農業的研究基本上仍是集中于利用3S空間信息技術和作物生產管理決策支持技術(DSS)為基礎的、面向大田作物生產的精準農作技術,而沒有較全面地研究地理信息技術在整個精準農業體系中的應用。

4.1全球定位系統應用

GPS技術為土壤類型、土壤肥力特性、水分、作物生長發育狀況、病蟲草害及農作物產量等田間信息采樣和決策方案的田間實施提供準確的空間位置信息。在精準農業中,GPS作用主要有三點:控制測量、農田信息采集定位(采樣定位和遙感信息定位)和控制導航。目前,GPS應用研究主要在研制基于移動電腦或掌上電腦的農田信息采集系統和攜帶GPS接收機的智能農機系統兩個方面。如美國FieldWorker公司的基于掌上電腦的信息采集軟件FieldWorker能很好地滿足精準農業農田信息采集的需要;美國Trimble公司的AgGPS160PortableComputer能實現田間成圖、各種作物及其生長環境屬性信息記錄、獲取來自各種田間環境傳感器的信息。智能農業機械在田間進行農作生產時通過GPS獲取的精確定位信息實施導航監控,同時能夠實時獲得農作物生長狀態信息和與之相關的空間位置信息。目前智能農機應用研究最為成功的是帶有GPS定位系統的能夠獲取田間作物產量信息的聯合收割機[24]。變量施用機具是精準農業的田間實現,國內外的研究均很多,如變量施肥機、變量播種機、變量灌溉和噴藥機等,其中變量施肥是精準農業變量施用技術的第一項內容,也是研究最多的項目,但無論如何,單純用于農田信息采集的軟件系統將隨著遙感在農田信息獲取應用的不斷深入而被淘汰,取代它的將是集成GPS的遙感系統與智能農機系統。可以預見,集成GPS的遙感成像系統將在獲取田間“空間差異”信息方面發揮巨大作用。

4.2遙感應用

田間時空變異信息獲取方式有傳統田間采樣測試、GPS田間信息采集、智能農機系統作業采集和多平臺遙感信息采集系統。然而遙感能夠以“無損測試”方式方便、及時、準確地獲取反映較大面積內的“面狀”地物性質與狀態信息。而其它方式獲取的“點狀”信息顯然不足以了解全局,而且人工采樣都會對作物造成不同程度上破壞。因此遙感將在實現大面積情況下作物長勢與營養實時診斷中發揮不可替代的作用。目前遙感應用研究主要集中在對地面光譜測量數據和采樣測試相關數據的分析,建立遙感數據與土壤狀況或作物生物物理化學參數(如葉面積指數、葉綠素含量、土壤特性等)之間的相關關系,結合作物生態生理過程間接獲取作物農學特性(作物冠層營養水平、籽粒與生物質產量、質量等信息)。在大面積農作物宏觀長勢監測、農作物宏觀估產、農情宏觀預報、農業資源調查等方面,遙感已經發揮其應有的作用,而且研制出了可行的技術路線[28,29],如東北玉米、華北小麥和南方水稻估產精度達到90%以上。高光譜遙感是遙感發展的一個重要趨勢,光譜分辨率達到納米級的高光譜遙感數據可以很好地描述作物的“紅邊”特性(紅邊位置、紅邊斜率、“紅移”、“藍移”),區分作物葉片生化成分、含量及其變化[27],還可以用來減弱土壤對作物光譜的影響,作物具有一些明顯的、獨特的吸收特征。作物生物物理和生物化學信息是研究理解植被生態系統過程和生理機制的重要參數,是診斷植物營養狀況的重要依據,國內外許多學者已經涉足高光譜遙感在植被生物物理信息和生物化學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用帶來了強大的活力,通過分析高光譜植被指數與農作物特征的關系,選擇表征農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信息。在精準農業體系中,遙感(特別是高光譜遙感)將為精準農業實施提供大量的田間時空變化信息,遙感技術將成為監測土壤和作物養分變化、水分脅迫和病蟲害等的主要數據源。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,目前許多學者開始研制基于地物光譜特征,并用于田間低成本間接測定作物養分和生化參數的儀器和工具,如NDVI測量儀、LAI測量儀、谷物品質測量儀等,這在衛星和航空遙感技術進一步發展和成熟前,正在被發展為高密度獲取農田信息的技術手段。

4.3地理信息系統應用

GIS在精準農業技術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,到田間決策方案實施的整個種植管理過程,而且貫穿規劃、種植管理、產后分析、產后加工及銷售的整個種植循環過程。這要歸功于精準農業實施對空間信息的依賴性。在精準農業體系中,GIS不再是一個孤立的系統,而是圍繞精準農業核心思想而提供較全面的地理信息服務的平臺,而且該平臺與其它系統或用戶之間通過信息交換而緊密聯系。概括來說,這種地理信息服務主要包括信息管理服務、信息交換與更新服務、信息決策分析服務和信息服務等4項,如圖2所示。

4.3.1農田信息管理

農田信息具有多源性,具體表現在存儲格式多樣性、多尺度性、獲取方式多樣性,另外還包括系統或數據庫數據組織的復雜性。通過GIS平臺,在融合多源數據的基礎上建立農田管理系統,實現對多源、多時相農田信息的有序管理和分析,這是精準農業實施的基礎,其作用表現在數據組織和集成管理、空間分析查詢、空間數據更新與綜合處理、可視化分析與表達。GIS為田間信息采集提供基礎信息,也為田間變量實施決策分析提供信息源,因此農田地理信息系統是精準農業實施的信息管理員。目前GIS在國外精準農業應用中還處在農田邊界圖管理、土壤肥力管理、產量分布圖管理分析和GIS制圖階段,并沒有充分發揮GIS應有的作用,相應的管理軟件也不成熟。雖然經過幾十年的發展,國外許多GIS產商開發了諸如ArcGIS產品系列、MapInfo系列等通用GIS軟件,但這些軟件與農業生產有關的功能只是很小一部分,而且它們價格昂貴。然而,應用于精準農業的GIS應用系統應該是小型廉價且適用的農場信息系統FIS(FarmInformationSystem)。因此根據農業信息采集、存儲和處理分析的特點,研發功能針對性強的FIS是農業GIS發展的一個方向。

4.3.2信息更新與交換

信息更新與交換服務是服務平臺的重要組成部分。數據是系統的血液,平臺的生命力在于信息的現勢性及可更新性。信息更新一般分為兩個層次:一是不定期的局部數據更新;二是周期性的全局數據更新。信息交換是信息進出服務平臺的通道,解決服務平臺與各種數據采集系統、應用系統之間的數據交換問題。遙感信息的特點決定了它必將成為農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農業的信息,如土壤水分、作物冠層生化參數等,而需要通過分析建立遙感信息與土壤和作物生長狀態相關的參數之間的關系,這是限制遙感信息應用與農業信息獲取的“瓶頸”。GIS的參與將為遙感信息提取提供新的思路,提供背景數據和分析方法。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,開發服務于具體應用的遙感和GIS集成系統,是GIS應用于農業的又一個重要方向。

4.3.3決策分析

決策分析服務是整個地理信息服務平臺的核心部分,利用已有的信息,根據不同應用目的,集成相應的知識和模型,分析生成供決策服務的知識,這是地理信息技術在精準農業應用中的首要目的。信息分析服務是一個知識挖掘的過程,其關鍵是GIS與專家系統、模型庫系統集成,其集成程度決定分析效率和分析結果的可靠性。決策分析可以歸納為產前規劃評價分析、產中監測與控制分析,以及產后分析與銷售管理。規劃評價主要利用區域自然要素、社會經濟要素、產量歷史數據、作物品種特性等進行農業區的規劃、種植區劃、作物種植適宜性評價和作物品質區劃,這方面的GIS應用研究取得了一定的進展[32,33]。實現以高產、高效、優質和實時管理為目標,為農業生產提供一個合理、詳細、完整的農田作業規劃,它是精準農業實施的基礎。如通過分析產量數據、肥力水平和作物生長的適宜性,選擇合適的品種、肥料和農業機械設備,制定合理的耕作計劃。監測與控制分析是信息分析決策服務的一個重要內容,是最能體現精準農業核心思想的內容。將GIS作為決策分析的平臺為精準農業實施提供決策和控制的依據是其在精準農業中的另一個發展方向。通過GIS集成作物栽培管理輔助決策支持系統與作物生產管理與長勢預測模擬模型、投入產出模擬模型和智能化農作專家系統,根據作物長勢和其背景狀況做出診斷,提出科學處方,調控操作。將不同類型的地理數據,如土壤、作物、氣象和土地歷史等,與水分運動、溶質運移、農藥滲漏、作物生長、土壤侵蝕等各種模擬模型和專家知識和推理機整合,產生支持定位實施的“農作處方”,這一切都需要集成模擬模型和專家系統的GIS應用服務平臺的支持。也正是GIS的這一功能才使得用于變量作業的農藝處方生成得以實現,同時也能夠通過專家系統實現精準農業實施中的自動控制。國內有學者開始研究采用GIS進行施肥推薦處方生成[30,31]。

4.3.4產后分析與銷售管理

從精準農業實施的經濟效益和產業化角度考慮,GIS在精準農業中的應用并沒有隨著精準農業田間實施全過程的結束而終止,它還在后續工作中起著重要作用。利用產后產量分析為下一種植循環的規劃提供決策信息,這是當前國外精準農業體系中注意得比較多的一項內容,但僅此而已,它們并沒有從市場銷售角度考慮GIS的應用。目前,作物生產已開始由單純追求高產模式向優質、專用和高效的方向轉變,利用品質監測信息可用于指導糧食分類加工,大幅度提高加工品質和附加值,這是產后基于GIS分析的又一個內容。市場分析是根據作物產量和品質,以及社會經濟要素進行分析,用于指導糧食銷售價格和銷售方向,從而提高糧食生產的經濟效益。銷售管理主要對客戶和糧食配送的管理,分為客戶關系管理和物流管理,它是提高糧食銷售管理效率的必要前提。因此研發為精準農業服務的產后市場分析和銷售管理的應用軟件是GIS應用于精準農業中的一個重要補充,具有較大應用前景。

4.3.5空間信息

利用GIS進行空間信息服務是精準農業體系中“空間變異信息”的重要消費者,它通過Internet或無線(有線)通訊向公眾原始和分析結果信息。的空間信息可以包括農田作物長勢監測信息、作物產量及品質監測和預測信息、產品供需分布信息等,空間信息將使地理信息技術在精準農業中的應用走向社會化,這是產業化發展的重要方向。

5應用前景與產業化發展

實施精準農業不但可以最大限度提高農業現實生產力,而且是實現優質、高產、低耗和環保的可持續發展農業的有效途徑。因而精準農業技術被認為是21世紀農業科技發展的前沿,是科技含量最高、集成綜合性最強的現代農業生產管理技術之一。它的應用實踐和快速發展將使人類充分挖掘農田最大的生產潛力、合理利用水肥資源、減少環境污染、大幅度提高農產品產量和品質成為可能。實施精準農業也是解決我國農業由傳統農業向現代農業發展過程中所面臨的確保農產品總量、調整農業產業結構、改善農產品品質和質量、資源嚴重不足且利用率低、環境污染等問題的有效方式,將在世紀之交成為我國農業科技革命的重要內容。

地理信息技術在精準農業中的廣泛應用為地理信息技術應用開拓了一個領域,也為地理信息技術產業化發展孕育了新的增長點。精準農業要從“示范基地”走向實用化和產業化,“精準農業”示范工程研究是地理信息技術應用于精準農業研究的切入點。在精準農業應用中,地理信息技術的產業化必需從以下幾個方面著手:1)利用GIS技術建立農業基礎地理信息系統,這是農業信息化的基礎;2)加強地理信息技術相關理論和技術研究,如多源數據融合、從遙感影像中作物理化參數快速提取、GIS與專家系統及專業應用模型集成、GIS、GPS與專家系統集成智能作業系統;3)開發針對性強、成本低廉的實用系統,如農田信息管理系統、農田變量施肥處方生成系統等,這是產業化的最佳途徑,精準農業產業化不可能是將整個體系作為一個整體提供給用戶;4)成立遙感信息服務機構,集中人才優勢,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,為廣大農田管理或糧食收購工作人員提供信息服務。目前,精準農業技術體系基本上是面向農田作物的,更確切的說是一種“精細農作(PrecisionFarming)”,整個技術要進一步轉向包括養殖、加工、市場服務等在內的大農業領域,因此地理信息技術將具有更加廣闊的前景。