文献综述—地理信息系统在农业上的应用.doc

专业文献综述题 目: 地理信息系统及其在农业上的应用 姓 名: 学 院: 专 业: 班 级: 学 号: 指导教师: 职称: 2010 年 1 月 10日地理信息系统在农业上的应用摘要：地理信息系统(Geographic Information System，GIS)产生于60年代中期，但在我国起步较晚。本文首先介绍了GIS的基本概念、功能和构成，然后简述了GIS在精确农业，耕地地力等级评价，害虫治理和农业水资源管理上的应用，最后阐明了目前存在的问题及其解决的对策（方案）。关键词：地理信息系统；精确农业；耕地地力；害虫治理；农业水资源管理The Application of GIS on Agriculture Abstract：The Geographic Information System (GIS) began in mid 1960s, but started late in our country. This paper introduces the basic concept, function - and the composition of GIS, then describes GISs application in precision agriculture, evaluation of plowland fertility, pest management and assessment of agricultural water resources management. Finally, it expounds the existing problems of GIS and the countermeasures to those problems. Key words: GIS；Precision Agriculture；plowland fertility；pest control；management of agricultural water resources 随着经济的发展与社会的进步，农业技术的发展也得到空前提高。农业生产可以和诸多技术结合应用，从而很好的节约水资源和肥力资源以及市土地得到更好的休养生息等。本文详细介绍了地理信息系统（GIS）的相关信息，并将GIS应用于农业生产的各个方面做出了具体阐述。这是国际上研究的热点，并在实际应用中取得了良好的效果，不但使农民增收效果显著，而且减少了更多的人工过程，从而减少了很多人力与财力的投入。国内的研究也正在火热的进行，但很少在农业生产上得到实际应用。可以说将GIS应用于农业生产是将来的发展方向，本文详细阐明了其结合应用和相关注意事项以及一些存在问题的解决方案。1 GIS基本概述1.1 GIS定义美国国家地理信息与分析中心（National Center For Geographic Information and Analysis）1988年曾定义地理信息系统定义：为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。这几乎成为地理信息系统研究工作者和专业工作者普遍接受的标准定义。1.2 GIS功能GIS可执行如作物土壤天气害虫之间的关系及害虫易成灾的区域等图形化查询, 优化资源管理，辅助决策和制图等。GIS系统一般具备以下功能：（一）数据输人与贮存功能用数字化仪或扫描仪把地图、图片(航空摄影照片)和规划图等输入计算机，并可对其进行修改或增补内容。GIS处理的数据可分为两类：空间数据：与地理位置有关的一些定位数据, 如地图上标注的行政区界、河流、公路及定点位置等。属性数据：一些与地理位置无直接联系的数据，如人口、工农业产值、河水流速、交通流量等经济社会数据。又称为统计数据或非定位数据。与数据类型相对应的其存贮形式也有两种：网格数据：面向面积的象素或规则的网格单元以线性扫描次序存贮，每个单元有特定的值，布尔操作很容易实现，但边界或直线操作非常困难。网格数据在不昂贵的微型机上很容易实现，且能提供相当快捷的GIS分析方法。网格数据在环境保护研究中应用很广(卫星遥感图片属于此数据格式)。矢量数据：地理特征以一系列的x, y或x, y, z空间坐标表示的点、线或多边形，数据采集和构建相当耗时。矢量数据相对复杂得多，在微型机上实现较为困难, 但能提供许多复杂的操作。面向边界的数据特性在处理社会经济问题中广泛应用。对这两种数据存贮格式的优劣曾有过十多年的争议，因为数据存贮格式对GIS的数据传送和过程有着较大的影响，选择何种数据格式也受软件功能、性质、人员素质及以往的应用基础等因素的限制1。以往的系统通常只能处理一种类型的数据格式，现在，虽然各个系统有所侧重，但多数都能通过格式转换进行数据交换，有的甚至可以同时处理两种格式数据。（二）综合分析功能可以进行传统的统计分析或对空间定位数据的特定统计分析，可分为空间分析和网络分析，常用的有叠加分析和邻近分析等。（三） 数据查询功能对空间定位数据或属性数据分别查询或一一对应查询，对多个数据层进行简单或非常复杂的查询。（四）输出功能把经过分析做出的结果(文字报告或图形)以地图或其他图形通过显示器、打印机或绘图仪表达出来，直观形象，可视性强。1.3 GIS构成GIS的主要功能是检索和综合分析空间定位数据，由于采用了数据库技术，所以它能把地物的空间定位数据和属性数据一一对应地联系起来, 从而大大提高了对数据的综合分析能力。1.3.1 GIS功能模块GIS是软件，可有数十乃至上百个程序模块组成，但按功能分类可分为以下三个主要组：核心模块提供输入、贮存、管理和显示数据的基本实用程序。分析环模块提供主要图形分析工具。外围环模块提供系统与其他程序的数据通信或存贮格式转换实用程序。1.3.2 系统软件组成GIS的功能各异，各自的侧重点不同，软件组成可能不尽相同，但是真正称之为GIS的一般其软件都应有以下几部分：空间及属性数据库：这是的核心部分，存放地图及其相关的数字化信息。在一些系统中这二者截然分开，而在其他系统中它们紧密结合在一起。制图显示系统：为GIS中央数据库周边软件中最基本的部分，它允许通过选择数据库中的记录，产生并在屏幕或其他硬件（如打印机、绘图仪等）上输出地图。地图数字化系统：这为另一最基本的周边软件，通过它可以把现有的地图转换为数字形式，输入计算机。数据库管理系统：这又是GIS另一必备的周边软件，它不仅可以对属性数据库进行输入、管理、分析，而且也可以对空间数据库进行类似的操作。传统的数据库管理系统能提取和处理属性数据，通过地图分析系统生成空间定位的地图，但其处理过程并不涉及空间定位数据，也就是说其过程是不可逆的。GIS数据库管理系统不仅具有传统的数据库管理系统的功能，而且拥有管理地理数据的大量实用软件。有了数据库管理系统，才能输人诸如表格和统计数据之类的属性数据，而后通过提取特定的列表和统计报告生成新的报表，且能以地理有关的形式重新输入数据库。地理分析系统：具有以上成分的系统还不能称为真正的GIS(市面上有些只具有以上部件的软件称自己为GIS, 其实是传统的数据库管理系统加上图形处理系统而已)，GIS还必须有分析空间特征数据的能力。有了地理分析系统，我们才能把传统的数据库查询功能延伸到可以分析空间定位数据，如某种昆虫暴发成灾区域的风险估计。与GIS的数据库管理系统一样，其地理分析系统可以分析数据库中的地理数据，生成地图, 并且把此新地图输人数据库。图像处理系统：不是每个GIS都有这部分，但是要处理遥感图像, 并进行特定的统计分析，缺此不可。统计分析系统：进行传统的统计分析和空间数据的特定的统计分析。2 GIS在农业上的应用社会的需求推动着社会的发展和进步。当诺基尔汤姆林逊博士发现地图存在着一些弊端时，在1960年提出了一个新颖的思想，要把地图变成数字形式的地图，便于计算机存贮、处理和分析，当时很少有人能看到计算机在这个新的领域中的应用前景，正是这个诱人的思想导致了地理信息系统的诞生2-3，燃起了地理信息系统蓬勃兴起的燎原大火。经过三十多年的发展，GIS越来越显示出它应用领域的广泛和强大的生命力以及非常广泛的应用前景，并成为了地理学的第三代语言2-4。下面简述一下GIS在农业领域中的应用。2.1 GIS在精确农业(Precision Agriculture)中的应用精细农业这一名词已经开始成为农业革命性发展的代名词。“精细农业”技术体系是农学、农业工程、电子与信息科技等多种学科知识的组装集成，其应用研究发展必将带动一批直接面向农业生产者应用服务的电子信息高新技术。PA强调各种与作物生长有关因素的空间差异性，如土壤的N、P、K、石灰、pH等，通常将GPS接受设备安装在采样车或施肥机械、农药喷撒机械、收割机等设备上，GIS的作用是将用GPS 配合采集的各种信息按空间位置叠加起来，这种叠加分析是PA不可缺少的技术手段。Noel Anderson 提出影响作物生长的因素有近40种之多5。这些因素有些与空间位置有关，如土壤条件等, 有些与时间有关，如气象条件等。有些因素则支持与变量技术的应用联系，如氮、磷、钾含量等。进行产量图分析时还可以结合土壤背景数据及利用航测信息绘制的地面信息资料图确定土地施肥量和变量施肥方式6。农民由于采用PA技术获得了显著的经济效益。明州玉米每英亩增加4.4529.15美元，蒙大纳州春小麦每英亩增加12美元，华盛顿州冬小麦每英亩增加3.3914.80美元，明州甜菜增加4875美元，爱达荷州马铃薯竟增加368.17美元。2.2 GIS支持下的耕地地力等级评价计算机技术在土壤科学领域的应用和发展客观上要求对土壤构成要素的数字表达，因此耕地地力的自动化和定量化成为评价科学的发展趋势之一。耕地地力是指由土壤本身特性、自然背景条件和耕作管理水平等要素综合构成的耕地生产能力，从耕地地力的概念可以看出，与土地适宜性评价不同，它不针对某种利用类型，它是一种一般目的的评价，是根据所在地特定气候区域以及地形地貌、成土母质、土壤理化性状、农田基础设施等耕地系统的各组成要素之间的相互作用而表现出来的综合特征，来评价耕地生物生产力的高低。耕地地力评价的任务就是通过对耕地资源的科学评价，了解耕地资源的利用现状，存在的问题，从而合理利用现有的耕地资源；治理或修复退化、沙化以及受污染的土壤；为农业结构调整、无公害农产品生产等农业决策提供科学依据，保障我国农业持续发展。以农业部有关耕地地力等级评价在山东省的试点县青州市为例7，在借助遥感、野外采样和室内化验分析等手段获取大量耕地地力相关信息的基础上，在GIS 的支持下，利用系统聚类方法、层次分析法、模糊评价等数学方法和数学模型成功地实现了耕地地力自动化、定量化评价。评价获取了青州市各耕地地力等级面积及其分布信息，经实地调查分析符合当地实际，表明运用该技术方法对耕地地力等级评价的可行性和科学性。对耕地资源的科学管理和可持续利用有积极意义。地理信息系统强大的空间数据处理和分析功能，不仅可以成功地支持整个耕地地力评价过程、可视化土壤养分的空间分布，还可以获得评价区的深层次的信息。经研究和实地调查表明，利用GIS可以快速有效地对耕地地力进行科学评价，比传统的评价方法可以节约大量的人力，财力和物力。评价指标在量化处理时可以采取分级赋值法，但这样得到的数值是离散的，指标值的变化对评价对象的影响得不到充分体现，容易使评价结果出现误差。将数学模型与GIS相结合运用于耕地地力评价，成功地实现了全部参评因子定量化中的连续性，为快速准确地进行耕地地力评价提供了一个有效途径。2.3 GIS在害虫治理中的应用Shepherd8等把因舞毒蛾（Lymantria dispar L.）引起的落叶的历史图片数字化，进行叠加分析得到落叶的频率分布图，再把此图与森林类型及生物地理气候图叠加，找出将来最易暴发成灾的森林区域和气候，用于将来的暴发预测。与此类似的还有Johnson9，他利用GIS研究了历史上蝗虫暴发与土壤特征的相关性，以及与降雨的关系，发现蝗虫的猖撅与土壤类型而不是土壤结构有关，且降雨与其种群密度有显著相关。并通过分析10年的蝗虫资料，进行路边和田间蝗虫发生量统计报告的相关分析，以及空间自相关、种群密度等值图的分析，实现了利用路边蝗虫进行田间发生量的统计预测，绘制了其发生程度的空间分布图。我们在对褐飞虱的迁飞研究中对其夏季北迁的期间各地的灯诱资料用GIS进行了图形化处理，分析其迁飞动态，结合以往对其进行的迁飞轨迹分析结果和褐飞虱协作组进行的标记、释放、回收试验结果，进一步证实了其在我国东部因季风环流变化而作南北往返迁飞的学说10。这为今后进行中小尺度的迁飞监测和预测的研究打下了基础。2.4 GIS在农业水资源管理上的应用作物需水量是水土资源平衡计算、灌溉工程设计与管理中不可缺少的基本数据，同时也是制定科学合理的灌溉制度的基础。但是作物需水量受气象、土壤及作物等因素的影响，在空间上往往表现出很大差异11。通过试验观测只能得到个别点上的需水量值，而定点观测到的数据大多不能直接用于其它点上，更不能代替某一较大面积上的平均值12。但是人们又不能无限制地增设试验站点来满足这种要求，唯一可行的途径就是合理地布置观测站点，然后由这些站点资料提供的信息使用估值方法来确定众多的非测点或某个区域的需水量值12。GIS可以把空间和属性信息有机地结合起来，通过地理数据能够比较容易地确定样本点之间的距离，进而根据同性数据可以计算出变量之间的差异，从而得到地统计学所需要的步长和半方差的函数关系，使分析大尺度的作物需水量的变异规律变得较为方便13-16。事实上，GIS虽然具有较强的空间数据管理功能，但缺乏对一些问题的空间分析能力；地统计学则具有较强的空间分析功能，但其空间数据管理功能较弱；二者的结合为地统计学在大尺度作物需水量估值中的广泛应用提供了技术支持和条件。通过对山东省冬小麦需水量的数据分析17，冬小麦需水量基本符合正态分布，克里金方法估值精度高于传统的插值方法，球状普通克里金方法较简单克里金方法具有较高的插值精度；研究结果表明：冬小麦需水量具有明显的各向异性，在东偏北西偏南方向变程较大，而在其相垂直的方向即北偏西南偏东方向的变异较小，空间自相关距离在201. 84527.52km，出现这种较大范围的空间结构性，主要归因于气象因子（如湿度、风力、温度等）在区域上的连续性，此外可能与该省地势相对较平坦有关。克里金插值图结果显示：山东省中部需水量最高，南部最低，出现这种现象的原因有待进一步分析。GIS和地统计学相结合能够取长补短，发挥各自的优势，研究结果也证明将空间数据管理和分析功能有机结合进行大尺度的作物需水量的估值是可行的。3.问题与展望地理信息系统作为一种决策支持系统，它是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。地理信息系统的发展速度之快、应用范围之广、影响领域之大是其他地理学科无法比拟的。为了使地理信息系统在农业领域得到更好的应用，应该注意以下几个方面18：首先，要丰富数据资源的来源，在各涉农部门加强信息化硬件建设的同时，要严防数据源缺乏，要充分利用现代信息技术，进行数据的收集与整合。其次，要建立统一的信息标准，方便信息的共享，避免各部门存在各自为政、重复建设的“孤岛”苗头。最后，是建立评价体系方面。要逐步建立一套完善的评价体系，树立优秀服务型农业电子政务典范，由此带动全国范围内农村信息化建设的快速发展。参考文献：1 王海扣，周保华，程遐年. 地理信息系统及其在害虫治理中的应用J. 昆虫知识，1997, (6) : 366 370.2 单艳红，王建国. 地理信息系统的发展动态与应用前景J. 山东农业大学学报，1998,(1):125129.3 秦其明.地理信息基本教程.北京大学影印本，1995. 4 邹伦等.地理信息系统教程.北京大学出版社，1994. 5 Gary L Wagner. Precision agriculture on the farmJ.A W G Farm s Inc. Crookston, MN , Aug.5, 1999,17. 6 彭望禄，Pierre Robert，程惠贤.农业信息技术与精确农业的发展J. 农业工程学报，2001,(2):911. 7 王瑞燕，赵庚星，李涛，岳玉德. GIS 支持下的耕地地力等级评价J. 农业工程学报，2004,(1):307310. 8 Shepherd, R.F, Grant, G.G, Manville. J.F. Lymantria dispar sex pheromone is a behavioral antagonist t