地理信息技术在精准农业中的应用.pdf

第 卷第 期 0 65 5 以及欧盟即将通过I伽利略J 计划建立起的导航卫星系统为代表的全球卫星定位技 术具有快速D方便地获取高精度位置信息的优势E目前 差分定位 Z 1 1 3 3 9 S P 5 简称Z S P 5 B系统的定位精 度 可 达 到 亚 米 级 水 平 实 时 动 态 差 分 U 3 9 L3 3 L 简称U B技术能够在野外实时得到厘米 级的定位精度 特别是美国政府取消S P 5数据精度选 用政策 5 6B S P 5的民间用户将能够使定位精度提高 倍E因此 全球卫星定位技术将在很多领域逐渐取代 常规的光学和电子测量定位仪器E卫星定位技术与现代 通讯技术的结合 使空间定位技术发生巨大变革 为信 息化农业获取高精度定位信息提供了技术保障E 遥感技术蓬勃发展 能够获取多传感器D多时相D高 分辨率 空间分辨率D时间分辨率D光谱分辨率B的直接 或间接反映地球表层地物光谱特征的遥感数据E极高分 辨率的卫星遥感影像 如 G L分辨率 B民 用化和商业化 能够满足大比例尺的农业D资源环境等 领域的应用 将成为信息获取的重要数据源E高光谱遥 感的发展 展现出遥感在农业中应用的蓬勃生机E在遥 感影像处理方面 引入多源信息融合技术和智能专家系 统使遥感信息提取迈上一个新的台阶 aE 地理信息系统正向网络化D组件化发展 a S T 5逐 步融入T 主流 其应用正走向企业化和社会化E S T 5传 统功能日臻完善 如查询统计D空间分析D编辑D地理数 据可视化D制图等F系统分析和设计全面采用面向对象 技术 YY6 bYYZ B 以及空间数据库技术的发展等都 为S T 5在农业中应用提供很强的理论和技术基础 aE 所有这些核心地理信息技术的发展为精准农业田 间信息获取D分析D管理和决策 以及系统集成研究与实 践提供了技术基础E c 精准农业技术思想 c R 精准农业的技术思想 上世纪A 年代初期 根据农田内以米为单位的小 区作物产量D生长环境条件等具有明显的时空差异性 国外学者产生了对农作物实施定位管理 5 3 H N 3 1 d Q 3 L3 B D根据实际需要进行变量投入 8 e 9 3 U 3 3 2 0 9 0 Q B等农业生产的精准管理思想 进而提 出了精准农业 P 3 0 6Q 9 3 B的概念E精准农 业的思想实质就是通过各种技术手段来获取农田内不 同单元小区的农作物具体生产环境信息 并根据这些信 息确定各个小区内的最为经济和科学合理的农业生产 投入 达到获得经济D环境等方面最高回报的目的 从而 实现农业生产的精准管理 9 9 A 7 9 3 3 3 B 8 B 9 C 9 6 6 3 A 8 E 通常所说的精准农业的核心是强调减少种植管理 过程中的农业投入 因此研究将精准农业分为田间信息 获取 信息分析处理 决策分析 精准实施F个过程 G 01 精准农业的目标不单是尽量减少投入 更重要的是要获 得经济 环境等方面的最高回报 因此笔者认为整个精 准农业种植循环过程应该经过产前规划 产中种植管 理 产后分析 产后加工和产后销售等H个环节1其中产 中种植管理是体现精准农业核心思想的重要环节 几乎 涉及精准农业技术体系中的所有技术1目前 国内外研 究的核心在于种植管理中的时空变异信息获取与提取 传感器 遥感软硬件研制 技术 信息处理与分析方法 决策分析集成系统 以及携带 9 6 英国R 4 B 的2 3 9 8 D 美国S T 9 9 9公司的 9 9 等1在实践过程中 也已经获得较好的效果 精准农业在大农场生产中已得 到较广泛的应用 并且许多成熟的技术已经形成1据统 计 到 K K H年 美国约有H U的作物面积上不同程度地 应用了精准农业技术 G 0 在西方发达国家 精准农业技 术思想也逐渐被农场管理人员了解和接受 并且成立了 许多以精准农业为基础的服务机构1近年来不仅西方发 达国家对精准农业的技术实践引起重视 在日本 韩国 巴西 马来西亚等国亦已开始了试验示范研究 V 01 在我国 从事农业研究的人员首先开始了精准农业 研究 随后生物技术 信息技术 地理科学和生态学研究 人员对此表示了浓厚的兴趣 并且先后开展了关于技术 体系 发展策略等方面的研究 F LG 01但从总体上我国对 精准农业的研究还处在引进和消化吸收阶段 还没有形 成较为系统的学术思想和技术体系1目前已经在北京和 上海建成两个精准农业示范区1 W 地理信息技术在精准农业中应用 精准农业实施的前提是及时采集分析土壤肥力和 作物生长状况的空间差异信息 生成田间管理处方 以 实现精准的定位和定量的田间管理 因此 地理信息技 术应在精准农业中扮演重要的角色1国外关于精准农业 的研究基本上仍是集中于利用 能实现田间成图 各种作物及 其生长环境属性信息记录 获取来自各种田间环境传感 器的信息1智能农业机械在田间进行农作生产时通过 5 在精准农业技术体系中的地位举足轻重 其作 用不仅在于从田间信息采集 信息处理与管理 信息分 析 到田间决策方案实施的整个种植管理过程 而且贯 穿规划 种植管理 产后分析 产后加工及销售的整个种 植循环过程 这要归功于精准农业实施对空间信息的依 赖性 在精准农业体系中 5 9 A B C D E F G H I B C JD K B HL A C M G A LE N D K I B C J I B CE C A G L B HD C G O N K O C A 9 P 9 Q 农田信息管理 农田信息具有多源性 具体表现在存储格式多样 性 多尺度性 获取方式多样性 另外还包括系统或数据 库数据组织的复杂性 通过 5 平台 在融合多源数据 的基础上建立农田管理系统 实现对多源 多时相农田 信息的有序管理和分析 这是精准农业实施的基础 其 作用表现在数据组织和集成管理 空间分析查询 空间 数据更新与综合处理 可视化分析与表达 5 为田间 信息采集提供基础信息 也为田间变量实施决策分析提 供信息源 因此农田地理信息系统是精准农业实施的信 息管理员 目前 5 在国外精准农业应用中还处在农 田边界图管理 土壤肥力管理 产量分布图管理分析和 5 制图阶段 并没有充分发挥 5 应有的作用 相应 的管理软件也不成熟 虽然经过几十年的发展 国外许 多 5 产商开发了诸如7C G 5 产品系列 RD E 5 H I B系 列等通用 5 软件 但这些软件与农业生产有关的功 能只是很小一部分 而且它们价格昂贵 然而 应用于精 准农业的 5 5 D C J5 H I B C JD K B H 5 是农业 5 发展的一个方向 9 P 9 信息更新与交换 信息更新与交换服务是服务平台的重要组成部分 数据是系统的血液 平台的生命力在于信息的现势性及 P 第 期潘瑜春等T地理信息技术在精准农业中的应用 万方数据 可更新性 信息更新一般分为两个层次 一是不定期的 局部数据更新 二是周期性的全局数据更新 信息交换 是信息进出服务平台的通道 解决服务平台与各种数据 采集系统 应用系统之间的数据交换问题 遥感信息的特点决定了它必将成为农田信息获取 的主要手段 然而从遥感获取的不是直接用于精准农业 的信息 如土壤水分 作物冠层生化参数等 而需要通过 分析建立遥感信息与土壤和作物生长状态相关的参数 之间的关系 这是限制遥感信息应用与农业信息获取的 与专 家系统集成智能作业系统 9开发针对性强 成本低廉的实用系统 如农田信 息管理系统 农田变量施肥处方生成系统等 这是产业 农业工程学报 1 1 年 万方数据 化的最佳途径 精准农业产业化不可能是将整个体系作 为一个整体提供给用户 成立遥感信息服务机构 集中人才优势 充分利 用遥感影像信息提取所需的昂贵软硬件 降低信息提取 的成本 为广大农田管理或粮食收购工作人员提供信息 服务 目前 精准农业技术体系基本上是面向农田作物 的 更 确 切 的 说 是 一 种 7 农业工程学报 8 8 A B C D8 8 6 7 E F G 2 H 1 3 G I G B J G E K 1 1 I1 J 2K 1 IL 1 1 I M N L 2 1 IO G 1 I M 6 H7 P B H3 G I G P J G E Q K 1 1 I 1 J E V I MWQ X J 8 C C A B Y D8 A 6 Z 7 S 1 I 9 VE I F I 1 2 J 9 N 1 2 3 E 21 1 3 2 NL 1 1 I M 6 7 X 1 J 1 J 8 C C Y 8 B 8 D Z 6 7 徐可英 国内外精确农业发展现状与对策6 7 中国农业资 源与区划 8 B Y Z DY 6 Y 7 张晓辉 李汝莘 法国的精确农业研究及应用现状6 7 农 机化研究 8 B 8 D8 Y 6 7 S X M a M Q G 1 F G 3 E F M I I N 1 2 3 J 1 1 21 1 3 2 G 3 3 3 1 K E N 21 M 26 7 E 3 1 22 S 3 3W 9 2 Q 3 8 C C Y 8 8 8 B 8 Z Z D8 Z C 8 6 A 7 9 U 1 3 G I G B1 N 21 L I G 1 3 G I G 6 b 7 H3 G I G cG I 0 G 2 8 C C C 8 DY 6 7 杨印生 吴才聪 冯传平 日本精确农业的研究现状6 7 农 业机械学报 8 Z B 8 A D8 8 6 C 7 HI 3 E 2 N E 1 3 J 1 G 1 L 2 6 7 9 2 Q 3 N S L 2 8 C C Z B C Y D8 6 8 7 b E 3S E G Q 3 G 1 N G V1 3S O d L I K 2 N 1 2K P Q 1 J 1 K K I 1 6 H7 J 3 NP S HQe C AW P V P Qe C A 6 U 7 R I G 2 8 HG 3 G 8 D 8 C C AF f 3U E 1 g I I h 9 J J H U 2K 1 N 0 G 6 8 8 7 潘瑜春 钟耳顺 梁军 空间数据库技术在土地信息系 统中的应用研究6 7 计算机应用研究 Y B A D C 6 8 7 Q g X Q I F 9 1 G V 9 1 I a N K 1 I 1 J 1 N 3 i 1 N I j 3 J N E 1 6 7 7 农业工程学 报 8 C C C 8 Y 8 B 8 D 6 8 7 刘金铜 陈谋询 我国精准农业实施的技术体系与行动对 策探讨6 7 农业系统科学与综合研究 8 8 A Z B 8 Z D 8 Y 6 8 Y 7 刘金铜 陈谋询 我国精准农业的概念5内涵及理论体系 的初步构建6 7 农业系统科学与综合研究 8 8 A Z B 8 D8 6 8 7 张伟 农业发展的新课题k精确农业6 7 农业工程学 报 8 C C A 8 Z Z B C D Y 6 8 A 7 邝朴生 刘刚 邝继双 精细农业技术体系初探6 7 农 业工程学报 8 C C C 8 Y Z B 8 D 6 8 7 张柏 中国发展精准农业耕作的基本分析及设计6 7 地理科学 B 8 8 8 D8 8 6 8 C 7 丁圣彦 精确农业的技术体系与应用研究进展6 7 农业 现代化研究 Z Z B D Y 6 7 王克林 李文祥 精确农业发展与农业生态工程创新6 7 中国农业资源与区划 8 8 B Y D 6 8 7 金继运 3 4 AB C D E F B G H F I D F J J K D F IL J M J B K N OP J F C J KQ E KR F Q E K SB C D E FT J N O F E G E I UD FVI K D N W G C W K J 9X J D Y D F IZ 9P O D F B 0 数据的分析 该过程包括地理信息系统与其它技术的集成 数据的转换和信息的处理 地理信息系统作为一种信息处理工具有效地满足了以上各个阶段的需要 6 期刊论文 翟长远 朱瑞祥 张佐经 马亮亮 张启遇 精准施药技术现状分析 农机化研究2010 32 5 在分析精准施药技术重要性的基础上 从信息获取方式 喷雾技术和控制系统3个环节对国内外精准施药技术进行了分析 首先 详细阐述了基于实时传感器和 基于地理信息技术的信息获取方式 其次 分析了风送液力式喷雾技术 静电式喷雾技术 超低量和低量喷雾技术和仿形喷雾技术 最后对控制系统进行了阐述和分 析 旨在为我国精准施药技术的发展提供借鉴 7 期刊论文 傅泽田 祁力钧 王俊红 Fu Zetian Qi Lijun Wang Junhong 精准施药技术研究进展与对策 农业机械学报 2007 38 1 简述了当前国内外精准施药技术的主要组成部分 自动对靶喷雾技术 以地理信息技术和实时信息与采集2种系统为例 概括了国内外自动对靶喷雾技术的研究 现状 并且根据我国国情提出了我国应该加大对精准施药技术研究资金投入 迫切需要技术和人才储备 8 会议论文 徐霞 GIS在精准农业研究中的应用 2003 本文通过对我国精准农业研究现状的分析 对地理信息系统 GIS 应用于精准农业的管理和决策进行了有益的探索 提出了构建基于空间信息的农业决策支持 系统的设想 为作物生长模型的空间区域应用提出了一种有效的 直观的解决方案 通过对农业决策支持系统的系统分析 系统设计及其功能实现技术的研究 并 采用SuperMap作为开发平台 利用二次开发语言Visual Basic开发了AgroDSS 1 0农业决策支持系统 该系统充分利用了SuperMap的多源空间数据无缝集成 基于 结构化存储技术的数据组织 基于关系数据库的空间数据存储与管理 海量空间数据管理技术 将各种有关信息进行综合 抽取等 实现了作物生长的属性数据 和空间数据双向连接 使得作物生长模型在区域上的应用成为可能 为农业决策提供了强有力的帮助 9 期刊论文 当今农业发展七大新型模式 饲料博览2004 3 1精准农业 Precision Agriculture 精准农业是一种把科学的精确性引进农业生产的方法 即通过全球卫星定位系统 遥感技术 地理信息技术 自动化控制技术等 利用大型的机械设备进行田间管 理 能够做到精确配方施肥 定点施药 在减少投入的情况下增加或维持产量 提高农产品质量 降低成本 减少环境污染 节约资源及保护生态环境 适用于种植 业 畜牧业 园艺和林业等 精准农业将现代科学技术 包括电子 计算机和信息技术等 运用在农业中 是一种关于农业管理系统的战略思想 并与可持续农业密切 相关 10 学位论文 李瑞 规模经营条件下土壤养分精准管理研究 2006 本文应用现代地统计学和地理信息技术在上海崇明岛研究了规模经营的农场土壤有效养分含量与作物产量的空间变异规律 整合了田间计算机 GPS以及变量 控制系统到国产拖拉机上进行了变量施肥的初步实践 并对水稻变量施用氮肥的效应进行了研究 取得如下研究结果 1 利用土壤养分状况系统研究法对试验农场土壤养分状况进行了评价 土壤酸度呈中性偏碱 土壤养分中有效钙 硫 硼 铜 铁 锰属于含量非常丰富的 元素 大量营养元素磷和钾属于中等偏低 而有效氮含量很低 土壤有效锌含量低于临界值 2 通过对农场477个有效土壤采样点土壤有效养分以及pH值的常规统计 发现土壤养分属性并不完全呈正态分布 土壤有效磷和有效钙含量呈对数正态分布 在农场范围内土壤酸度有很小的变异 土壤有效硼 硫 锌含量的变异较大 变异系数超过50 有效氮为中等变异 其它元素都有不同程度变异 变异系数 在大约16 30 之间 3 对几个地块内采样点土壤养分的方差分析表明 地块内部养分变异小于地块之间的变异 表明养分规模经营条件下农场土壤养分含量的空间变异与地块的 耕作 施肥农艺措施的影响有密切关系 4 半方差分析结果表明 土壤pH值不仅变异很小 空间结构性也很弱 表明土壤酸度是一种与土壤发育密切相关的属性 施肥等农艺措施的不同对土壤酸度 影响较小 其它各土壤有效养分含量尽管受施肥 灌水等农艺的影响 仍然保持着一定的空间自相关 5 采用偏相关分析研究了在试验农场土壤各有效养分含量与作物产量的关系 结果表明土壤有效铁含量与作物产量负相关达到极显著水平 有效钙 磷和硫 含量与作物产量显著正相关 其它有效养分的指标与产量的相关性则均未达到显著水平 6 变量施肥是精准农业中土壤养分精准管理的核心内容 本试验将美国Trimble公司的全球定位系统AgGPS132和田间计算机AgGPS170以及美国Mid Tech公司的 变量控制器TASC6100和自主开发的变量旋耕施肥机 整合到国产铁牛75马力拖拉机上 成功的形成了变量控制施肥机械系统 7 采用差分式全球定位系统 网格法采集土壤样品 使用ASI系统研究法进行土壤有效氮和有机质含量的测试 使用地理信息技术和kriging插值的方法 对 土壤有机质和有效氮含量在试验田块内的空间分布进行预测 结合ASI推荐施肥模型 生成了整个操作田块的氮肥施用的变量施肥图 可供DGPS导航下的机械变量 施肥同时也可以使用手工变量施肥 或者用作常规施肥的指导 8 通过田间实践 开发的变量控制施肥系统工作状况良好 完成了整个操作田块的变量施肥 真正实现了发达国家目前大力推行的变量控制施肥 9 变量施肥精度试验结果证明变量旋耕施肥机完全可以达到相当精确的变量排肥 满足精准农业中变量施肥的需求 试验只对尿素进行了测试 对于粒径和 颗粒表面光滑度不同的其它种类的肥料适用性还需要进一步测试 10 变量施肥试验结果表明 手工变量施肥和机械变量施肥和恒量对照施肥相比土壤有效氮和有机质含量变异并没有变得更小 但是空间分布图表明变量施肥 使得土壤有效氮和有机质空间上的分布更加均匀 11 试验结果显示对于变量施肥处理 随着土壤采样尺度变小 产量也有上升的趋势 但是采样尺度的减小意味着土壤样品采集数量的几何级数的增加 本试 验中最大采样网格50米水稻产量比10米网格区变量施肥产量低198kg ha 考虑到10米网格将极大增加变量施肥的成本 变量施肥40或50米网格是可以接受的 12 机械变量施肥和手工施肥处理水稻产量并无显著差异 表明变量施肥机械的变量施用氮肥是成功的 产量空间分布图表明变量施肥导致产量空间分布更为 均匀 引证文献 16条 引证文献 16条 1 刘虎 王振宇 魏占民 张金龙 尹春艳 电磁感应式大地电导率仪在土壤学领域中的应用研究 期刊论