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信息技术在农田施肥管理中的应用 193信息技术在农田施肥管理中的应用摘要：综述了目前国外“精准农业”的主要技术理论，着重围绕其在农田施肥管理中的应用，讨论基于GPS、GIS和网络技术应用的农田施肥管理系统的开发和应用，提出精准农业技术理论在我国农田施肥管理中的应用设想。关键词：精准农业；信息技术；施肥随着信息技术的不断发展，其在各个领域内的应用越来越显示出强大的推动力。近年来，西方发达国家提出了“精准农业”或“精细农业”（precision agriculture，precision farming）的概念，将信息技术应用于农业生产管理，大大地提高了农业生产的技术水平，揭开了21世纪“信息农业”发展的序幕1。精准农业的含意是针对田间每一操作单元的具体情况，因地制宜精细准确地调整土壤和作物管理措施，最大限度地优化各项农业投入，以获取最佳的产量和效益，保护农业生态环境，促进农业可持续发展2, 3。精准农业是信息技术与农业生产的有机结合，是信息技术、自动控制技术等在农业上的集成应用。其核心技术体系包括全球卫星定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）、传感器技术、计算机自动控制系统和人工智能技术等3, 4。精准农业实际上就是一种以信息为基础的农业管理系统，这些信息利用传感器及监测技术方便、准确、及时、完整地获得，再根据各因素在控制作物生长中的作用规律或相互关系，建立作物生产管理决策支持系统，运用自动控制技术，迅速做出恰当的管理决策，完成对农田的精细农作。1 准农业的技术体系1.1 全球卫星定位系统（GPS）GPS系统是利用地球上空的24颗通讯卫星、地面接收站和用户设备等组成的高精度、全天候、全球性的精确定位系统，最初用于军事目的，冷战结束后逐渐向民用开放。采用GPS技术可以实现精确定位，差分后误差只有几十厘米或更小。GPS在精准农业上主要用于田间信息的采集以及田间操作的准确定位。在农业机械上安装GPS接收器，可以准确指示机具所在位置座标，根据作业图自动进行定点作业。1.2 地理信息系统（GIS）地理信息系统（GIS）的主要功能是对各种空间数据进行管理，通过把地形地貌、土壤类型、土壤测试结果、化肥农药使用情况以及产量等数据输入GIS系统，对这些信息进行加工处理，绘制信息电子地图，并抽取相关信息提供给决策支持系统，形成施肥、灌水、喷药等田间操作决策。例如用GIS通过对土壤养分图和历年产量图的分析，可以得出田间养分和产量变异情况，然后通过产量图与其他相关因素图层的比较分析，找出影响产量的主要限制因素，在此基础上，制定出该区域的优化管理措施，通过计算机控制智能化农业机械实施变量而投入作业。1.3 遥感（RS）和传感器监测系统遥感（RS）和传感器监测系统主要用于数据采集及田间作业监测，现代遥感技术已经可以达到1 m以下分辨率，通过多波段的遥感、遥测，能够获得高分辨率、多时段的大量地面信息。传感器的应用能够实时获得相关的信息，例如产量、水分等。遥感、传感器不间断地监测与定位系统联合使用，就能够为GIS系统提供定位精确的数据信息，作为指导农田管理的依据。1.4 自动控制农业机械系统自动控制农业机械系统是实施精准农业技术的载体，通过配套相应的监视控制器及卫星定位系统等装置，根据操作者下达的指令，从GPS接收位置信息，从GIS中提取决策信息，并转变为可执行的控制信号，控制农业机械实现对作物的变量投入或作业操作。2 信息技术在农田施肥管理中的应用农田施肥管理是指通过对农田养分进行动态监测，根据获取的信息对农田养分平衡进行评价，以此为依据指导耕作、施肥措施，调控农田土壤养分的供给状况，提高养分的有效利用，保证作物的正常生长，达到高产、优质、高效的目的，并维持、提高农田的持续生产能力，保证粮食安全和农业可持续发展。精准农业是在美国等发达国家大规模经营和机械化操作条件下发展起来的，目前也主要在规模化经营地区发展应用。但其认识农田时空差异性、按照差异因地制宜地调整管理措施的核心思想适用于任何经营管理系统，特别是针对我国地块单元小、变异程度大的现实情况，更有借鉴的价值。其核心信息技术，包括信息采集系统、全球定位系统、信息管理系统、决策支持系统以及网络通讯技术等在我国农业生产中具有广阔的应用前景。2.1 遥感和监测技术对农田养分状况的动态监测是信息的采集、获取过程，内容包括养分的容量、供应强度、空间分布、动态变化等。对土壤养分的监测主要依赖于现代分析测试技术手段，通常是通过对代表性样品的采集，进行化验室分析测试，运用化学分析、光谱分析等技术，获得土壤养分信息。随着数据采集技术的发展，传感器技术开始在农业上应用，如产量检测、基于TDR技术的土壤水分监测等5。通过传感器技术的应用，有可能改变田间取土，返回室内进行处理分析的模式。其优势是做到实时监测，反映田间情况，减少采样、运输、处理分析等过程，大大提高监测的速度和能力，同时也降低了成本。遥感技术作为宏观对地观测的重要手段，在农业上的应用具有极大的潜力。例如区分植被类型、评估作物长势、测定土壤含水量等6。但遥感技术的应用受分辨率、专业遥感信息模型建立、分析处理软件开发等状况的限制，在农田施肥管理中应用尚不普遍。随着遥感技术的不断进步，特别是分辨率的提高和遥感信息模型的进一步研究，其在信息获取方面的作用越来越大。2.2 GPS技术的应用农田养分信息具有显著的空间属性，其空间变异性很大。在数据采集过程中，其位置的识别是与数据监测密不可分的，因此需要对信息进行准确的定位。全球定位系统（GPS）提供了全天候、实时精确定位的测量手段。精准农业中，GPS主要是用来确定在田间的位置，结合其土壤的含水量、氮、磷、钾、有机质、病虫害等不同信息的分布情况，辅助农业生产中的灌溉、施肥、喷药等田间操作。其作用从本质来说是提供三维位置和时间。面向小区域的农田施肥管理，按照农业应用GPS定位的不同精度要求，可以采用单点定位和差分处理两种方式。单点定位可使用手持GPS，其精度一般为十几米到几十米，如果采用差分纠正，精度会大大提高，达到1米以内7。由于近年来手持GPS的迅速发展，其重量越来越轻、便携性不断提高、操作越来越简便，部分产品已经具有全中文界面，为GPS的应用提供了有利的支持。差分包括后处理差分和实时差分两种：后处理是指在收集到数据以后进行校正的过程，用同时工作的两台GPS纪录的数据，通过计算机程序进行校正，以消除误差。后处理的缺陷是无法及时发现问题，提高了定位测量的风险。实时差分是在定位的同时进行差分运算，当时即可获得差分后的精确位置数据。实时差分需要建立可以播发差分信息的基准站，或支付服务费收取信标站提供的局域（广域）差分信号服务。采用差分，其定位精度可以达到米级和亚米级，满足高精度外业要求1。为开展精准农业的研究和示范，全国农技中心建立了北方精准农业示范区，研究提出了实时差分GPS系统设计的思路，见图1。整个系统由基准站和移动站两部分组成，基准站位置固定，田间测量调查由移动站完成。基准站由监控中心计算机、GPS接收机、电台组成，GPS接收机接收差分信号，并由电台发送到移动站。移动站通过电台接收差分信号，与移动站GPS接收机信号进行差分计算，获得准确定位信息，由数据记录设备进行纪录，并与移动站测量、调查的属性信息整合，通过电台将所有信息发送到基准站，由基准站电台接收后传送到监控中心计算机，实现对移动站的实时监控。本套系统的设计能够完成小区域实时差分定位信息采集，实现双向通讯，移动站信息能够及时传回基准站进行处理。并可由控制中心对移动站进行实时监控，及时发现和避免仪器故障、数据缺损、数据丢失等问题。通过控制中心的软件控制，能够实现1个基准站对多个移动站的监控。应用此套系统，可完成如田间采样、绘制田地边界等田间作业的实时差分定位需求。应用范围根据电台性能和地形情况一般可达十几至几十公里。差分数据控制中心计算机GPSGPS移动站位置和属性信息差分数据控制指令 电台数据记录设备电台 移动站位置和属性信息 基准站移动站（田间作业）图1实时差分GPS系统设计思路示意图2.3 GIS系统的应用农田养分信息包括多种形式，如电子地图、遥感影像、三维空间图形、多媒体信息以及各种专业测量信息、属性信息、统计信息等。为便于数据的管理、传递、更新以及分析使用，这些信息都需要以数据库形式存储。农田养分信息通常需要以图形方式进行表达，这种表达应该是图形和属性的并集。就传统意义上的数据库而言，无论是FoxPRO，还是Oracle，Sybase，它们管理的信息类型主要是文字和数字，对图形的管理功能则十分薄弱。因此，建立农田施肥GIS系统，应用GIS技术是对农田施肥数据进行有效管理的最佳选择。从系统论和应用的角度出发，地理信息系统由四部分组成，即计算机硬件和系统软件，数据库系统，数据库管理系统，应用人员和组织机构。图2提出农田施肥GIS系统的结构框架。考虑到农田施肥管理的特殊性，农田施肥地理信息系统分为三个层次，基础数据层、专业系统层和综合决策层。基础数据层以农田施肥数据库为主体，集成各种数据包括RS数据、GIS数据、GPS数据等，并通过WebGIS综合管理服务系统实现网络数据集成和共享，提供各种数据服务，是整个系统的基础。农田施肥数据库包括属性数据库、空间数据库、影像库、模型库、参数库等，共同构成。属性数据库包括各种统计数据、土壤养分监测数据、气候、水分、作物品种等农业相关数据。空间数据库包括行政区划图、地形图、气候土、土壤图、土壤养分图(有机质，全氮，速效磷，速效钾，pH，碳酸钙)、微量元素分布图(Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo)等。影像库包括土壤肥料基础知识（文字、图表）、各种作物的缺素症状（照片、文字）、各种施肥方法（影像）等。模型库对农田施肥模型进行管理，包括各种推荐施肥模型、养分丰缺评价模型、作物需肥模型等专业模型，具体有目标产量推荐施肥模型、养分平衡推荐施肥模型、丰缺指标推荐施肥模型、肥料效应函数推荐施肥模型，大量元素（N、P、K）、中量元素（Ca、Mg、S）、微量元素（Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo）养分丰缺评价模型、以及土壤物理性状评价模型等。参数库包括推荐施肥的各种参数，包括肥料利用率、空白产量、土壤养分利用系数、土壤养分换算系数等。专业系统层包括数据输入子系统，数据查询检索子系统，数据分析处理子系统，数据输出子系统，并与专家咨询和决策支持系统相结合。数据输入子负责数据的采集、预处理和数据的转换。数据查询检索子系统负责组织和管理数据库中的数据，以便于数据查询、更新与编辑处理；数据分析与处理子系统负责对数据库中的数据进行计算和分析、处理。如面积计算、体积计算、缓冲区分析、空间叠置分析等。数据输出子系统可以以表格、图形、图象等方式将数据库中的内容和计算、分析结果输出到显示器、绘图纸或透明胶片上。专家咨询和决策支持系统提供专业模型分析、专家咨询和决策支持服务，包括土壤肥力分等定级评价、养分丰缺状况评价、肥料效应分析、平衡施肥推荐等专业模型分析以及土肥知识专家咨询、宣传、培训等功能。农田施肥地理信息系统综合决策层肥料利用率空白产量养分利用系数专业系统层基 础 数 据 层地形图养分图土壤图土壤养分气候水分作物品种缺素症状施肥方法肥料知识 空间数据库影像库属性数据库施肥参数库RS数据GIS数据GPS数据土肥知识咨询模型库平衡施肥推荐养分丰缺分析土壤肥力评价分析处理子系统数据输入子系统数据输出子系统检索查询子系统专家咨询决策支持系 统WebGIS综合管理服务系统养分评价作物需肥肥料效应农田施肥数据库 图2 农田施肥地理信息系统框架综合决策层在实现对农田养分信息进行有效管理的基础上，与推荐施肥专家咨询系统、决策支持系统结合，提供多种推荐施肥模型；通过对施肥参数的动态管理，实现适时更新和校正；开发多种管理工具，提供办公系统管理、信息传递管理、数据处理等功能；采用多媒体技术，是宣传培训具有新颖、活泼的形式；存储大量的土肥技术知识信息，供用户在线查阅。通过整个农田施肥GIS系统的应用，提供决策者对农田施肥管理措施进行正确的决策，保证农业生产的正常进行，达到高产、优质、高效、可持续发展的目的。2.4 通信网络的应用通信网络是把空间信息收集平台、空间信息资源数据库、空间信息处理计算机和用户终端计算机连结起来的网络系统，包括相应的硬件、软件、标准、服务等一系列内容。通信网络使空间信息流按照需要在各组成部分之间流动，达到信息共享、集成、分发和互操作的目的8。农田施肥信息的收集和建库管理是由各省、地、县不同级别的有关部门完成的，虽然获得了大量的数据，建立了数据库，但只局限于地方信息和部门信息，仅是一个个的信息孤岛，没有形成信息的集成和融合。农田施肥管理GIS的建立和应用必须要依靠通信网络的支持，才能建立各种级别和规模的分布式的数据库和数字资料馆，把一个个的信息孤岛联系起来，完成多种信息的采集和数据集成。随着通信网络和WebGIS技术的发展，可通过服务器（工作站）完成对分布式数据库的操作和施肥信息的查询和处理。分布式数据库网络服务系统结构设想见图3。用户网络WebGIS综合管理服务系统国家级GIS系统 中心数据库省级数据库省级数据库省级数据库县级数据库县级数据库县级数据库县级数据库县级数据库县级数据库 图3 分布式数据库网络服务系统结构21世纪是信息时代，信息技术的进一步发展应用将带来新的创新点和增长点。随着我国加入WTO，农业也将面临着一场新的技术革命。精准农业、数字农业、信息农业距离我们并不遥远，我们只有及时跟踪国际农业高新技术的研究进展，采取跨越是的发展，才能缩短与发达国家的差距，迎接“入世”的挑战。因此，我们应该在充分了解精准农业的原则和有关技术原理的基础上，结合我国国情，进一步研究发展适合我国国情的精准农业技术体系，并进行推广应用。参考文献：1 NATIONAL RESEARCH COUNCIL. Precision Agriculture in the 21st Century, Geospatial and Information Technologies in Crop Management MWashington D C: National Academic Press, 1997.2 汪懋华. “精细农业”发展与工程技术创新 J. 农业工程学报，1999，56（1）：1-8.3 蒋恩臣. 精准农业及其应用前景分析 J. 佳木斯大学学报，1999，17（1）：96-100.4 张柏. 中国发展精准农业耕作的基本分析及设计 J. 地理科学，2000，20（2）：111-114.5 刘刚. 精细农业的技术组成、决策分析及在我国的应用实践 J. 农业现代化研究, 2000, 21（1）：57-59.6 杨敏华，胡慧萍. 试谈遥感