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3S技术在土壤养分管理中的应用摘要：农业是一个国家的基本产业,精细农业代表着农业发展的方向,也是农业研究的重点。以地理信息系统( GIS)、全球定位系统( GPS)、遥感技术( RS)和计算机自动控制技术为核心技术引发的一场新农业技术革命,将对我国农业技术的发展产生重大影响。为此,介绍了3S技术在精细农业中研究应用情况。关键词：3S技术，精准农业，GIS，RS，GPS3S Technology In Soil Nutrient ManagementAbstract: Agriculture is the basic industry of the nation, and the meticulous agriculture is representing the direction of agriculture development, while is the focal point of agriculture research. The key technologies used in the precision agriculture include Geographic Information System (GIS), Remote Sensing (RS), Global Positioning System (GPS) and variable rate technology. Its potential influence to the future development of agriculture in China cannot be ignored. The application in the meticulous agriculture of 3S technology is introduced in this paperKeywords:3S technologies，Precision agriculture，GIS，RS，GPS正文：3S技术是遥感技术(Remote sensing，RS)、地理信息系统(Geography information systems，GIS)和全球定位系统(Global positioning systems，GPS)的统称，是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。 精准农业是在现代信息技术、生物技术、工程技术等一系列高新技术最新成就的基础上发展起来的一种现代农业生产模式, 是实现农业低耗、高效、优质、安全的重要途径。精准农业是一项庞大的农业系统工程,涉及的学科包括系统学、信息学、遥感、计算机、农学、工程学科、生物、管理学、决策学等。它是由信息技术支持的、根据空间变异定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统。以作物生产为例,其基本涵义是根据作物生长的土壤性状,调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异,另一方面确定农作物的生产目标,进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”,调动土壤生产力,以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入,并改善环境,高效地利用各类农业资源,取得经济效益和环境效益。精准农业由十个系统组成，即全球定位系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、农业专家系统、智能化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统。（一）3S技术与精准农业（1）全球定位系统。精准农业广泛采用了GPS系统用于信息获取和实施的准确定位。为了提高精度广泛采用了 DGPS（Differential Global Positioning System）技术，即所谓“差分校正全球卫星定位技术”。它的特点是定位精度高，根据不同的目的可自由选择不同精度的GPS系统。（2）地理信息系统GIS。精准农业离不开 GIS（Geographical Information System）的技术支持，它是构成农作物精准管理空间信息数据库的有力工具，田间信息通过GIS系统予以表达和处理，是精准农业实施的重要。（3）遥感系统 RS。遥感技术（Remote Sensing）是精准农业田间信息获取的关键技术，为精准农业提供农田小区内作物生长环境、生长状况和空间变异信息的技术要求。（4）作物生产管理专家决策系统。它的核心内容是用于提供作物生长过程模拟、投入产出分析与模拟的模型库；支持作物生产管理的数据资源的数据库；作物生产管理知识、经验的集合知识库；基于数据、模型、知识库的推理程序；人机交互界面程序等。（5）田间肥力、墒情、苗情、杂草及病虫害监测及信息采集处理技术设备。（6）带GPS系统的智能化农业机械装备技术。如带产量传感器及小区产量生成图的收获机械；自动控制精密播种、施肥、洒药机械等等。其核心是建立一个完善的农田地理信息系统（GIS），可以说是信息技术与农业生产全面结合的一种新型农业。精准农业并不过分强调高产，而主要强调效益。它将农业带入数字和信息时代，是21世纪农业的重要发展方向。传统农业的发展在很大程度上依赖于生物遗传育种技术，以及化肥、农药、矿物能源、机械动力等投入的大量增加而实现。由于化学物质的过量投入引起生态环境和农产品质量下降，高能耗的管理方式导致农业生产效益低下，资源日显短缺，在农产品国际市场竞争日趋激烈的时代，这种管理模式显然不能适应农业持续发展的需要。地理信息系统（GIS，Geographical Information System）作为用于存储、分析、处理和表达地理空间信息的计算机软件平台，技术上已经成熟。它在“精准农业”技术体系中主要用于建立农田土地管理，土壤数据、自然条件、作物苗情、病虫草害发生发展趋势、作物产量的空间分布等的空间信息数据库和进行空间信息的地理统计处理、图形转换与表达等，为分析差异性和实施调控提供处方信息。它将纳入作物栽培管理辅助决策支持系统，与作物生产管理与长势预测模拟模型、投入产出分析模拟模型和智能化农业专家系统一起，并在决策者的参与下根据产量的空间差异性，分析原因、作出诊断、提出科学处方，落实到GIS支持下形成的田间作物管理处方图，指导科学的调控操作。遥感（RS，Remote Sensing）技术是未来精准农业生物技术体系中获得田间数据的重要来源。它可以提供大量的田间时空变化信息。近30多年来，RS技术在大面积作物产量预测，农情宏观预报等方面作出了重要贡献。遥感技术领域积累起来的农田和作物多光谱图像信息处理及成像技术、传感技术和作物生产管理需求密切相关。（派得伟业）RS获得的时间序列图像，可显示出由于农田土壤和作物特性的空间反射光谱变异性，提供农田作物生长的时空变异性的信息，在一季节中不同时间采集的图像，可用于确定作物长势和条件的变化。由于采用卫星遥感比航空摄影的成本将低一半以上，卫星遥感技术可预期在近35年内，在“精准农业”技术体系中扮演重要角色。“精准农业”中的定位信息采集与处方农作实施，需要采用全球卫星定位系统（GPS）。近几年来，GPS产业技术发展迅速，若干大公司迅速涉足农业领域，提供了用于农田测量、定位信息采集和与智能化农业机械配套的差分校正全球卫星定位技术（DGPS，Differential Global Positioning System）产品。系统可用于农田面积和周边测量、引导田间变量信息定位采集、作物产量小区定位计量、变量作业农业机械实施定位处方施肥、播种、喷药、灌溉和提供农业机械田间导航信息等。DGPS作为农业空间信息管理的基础设施，一旦建立起来，即不但可服务于“精准农业”，也可用于农村规划、土地测量、资源管理、环境监测、作业调度中的定位服务，其农业应用技术开发的前景广阔。（二）3S技术在土壤养分管理中的应用1.基于GIS的土壤性状数据库建设精准农业的实质是应用3S技术的现代数字化和智能技术表达农田条件和作物状况的复杂空间变异,并实时实地地做出操作处理,而这种农田条件的空间变异性是以土壤为基础的。应用GIS系统,可以将土壤边界、土壤类型、地形地貌、排灌水系统、历年的土壤测试结果、化肥和农药等使用情况以及历年产量结果做成各自的GIS图层管理起来。通过历年的产量图分析,可以看出田间产量变异情况,找出低产区域。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,制定出该地块的优化管理信息系统,用于指导当年的播种、施肥、除草、防治病虫害、中耕、灌水等管理措施。同时,当前的各项管理措施又作为一个新的GIS图层储存起来,用于下一季作物管理的决策参考。2.实时遥感信息解译技术研究遥感信息是获得作物生长情况最实时、最有效的方法之一。在精准农业中,遥感信息用于作物病虫害防治、作物追肥等具有很大潜力。但是,目前所用的地球资源卫星数据,由于其地面分辨率为2530m,对作物施肥来讲,似乎有点太粗。所以,以施肥为目的的遥感信息最好是航模遥感、航空遥感或其他形式的近地面遥感。同时,遥感信息的解译也是精准农业重要的研究内容,主要是根据作物长势、叶色等判断土壤养分状况,结合土壤养分的测定,用于施肥决策。该方法比用纯粹的土壤养分测定方法实时且费用也低。3.精准农业中数字信息的处理与接口技术研究在精准农业中,为了获得数字信息,并将这些信息进行处理,最后转化为能控制变量机械的信号,需要经过一系列的信息流及接口技术,如GPS与GIS的联接与传输、GPS与作物产量取样器及土壤采样器信号的叠加处理与传输、控制信号的形成与传输等,这些都是精准农业需要解决的问题。（三）应用GIS技术进行土壤养分管理的步骤我国是一个农业大国,而农业的现状是:化肥使用不合理造成肥料利用率降低,农产品质量低下,土壤退化,环境污染,这严重影响了农业和农村经济的持续发展。GIS在土壤养分管理方面发挥着巨大的作用。利用GIS研究某地的土壤养分管理,步骤如下。1.土壤空间数据的采集在GIS和相关技术的支持下,可以快速取得有关土壤及其影响因素等一系列基础空间信息,如地形、土地利用、作物、土壤肥力等,这些信息是进行土壤空间分析与评估的基础。在土壤空间分析中,需要优先考虑的主要是土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效钾、pH值、土壤重金属含量、土壤含水量、土壤压实、耕作层深度等土壤属性,也要考虑到作物病虫害及作物苗情等信息。2.土壤空间数据的分析通过GIS提供的空间分析功能,可以从已知的土壤数据中得出重要的结果,这对于土壤养分的管理是十分重要的。地理信息系统与传统地图相比,其优点是通过GIS提供的叠加分析功能,将土壤不同的数据组合在一起,形成新的数据集,能够很快地将各种要素组合在一起,产生出新的综合信息。并可分析出土壤各种因子的相互作用与相互影响,从中可发现它们之间的关系,如土壤养分与作物产量的关系;将土壤类型、地形、作物覆盖数据进行叠加,建立三者在空间上的联系,可以分析出土壤类型、地形、作物覆盖之间的关系;将地形坡度、坡向、土壤养分、土壤类型、土地利用类型等数据进行叠加分析,结合土壤质量评价模型,可以产生土壤质量图。3.土壤空间信息查询与制图土壤空间信息查询有空间定位查询,如对某种土壤类型的空间分布位置进行查询;空间关系查询,如与某种土壤类型相邻的土壤类型,某一行政区域包括的土壤类型、沿河流域分布的土壤类型等。GIS具有很强的制图功能,可以编绘出所需要的各种要素的专题地图,如土壤肥力图、土壤评级图、土壤类型图、土地利用图及其他一些专题地图,以及一系列社会经济指标统计图等。在可视化方面,这些专题图可以叠加在三维DEM上显示,可以直观地看出不同高程的土壤等级分布及N,P, K的分布,土壤类型的分布等,据此可进行多种专题图的重叠而获得土壤综合信息。同时,可利用RS的实时信息,对土壤空间信息进行动态的监测,及时调整和更新各种地图。参考文献：1郑宇鸣，孟波等.“3S”集成技术在精细农业中的应用.农机化研究2011（8）：219-2222张丽，张东旭.“3S”技术在现代数字农业中的应用.河北农业科学2009，13（10）：149-1513姚建松.3S技术在精细农业中的应用.农业装备技术2009，35（1）：22-254王素珍，吴崇友.3S技术在精准农业中的应用研究.中国农机化2010（6）：79-825房超. 3S技术在精准农业中的应用研究.农业网络信息2011（2）：11-136Yuhong Li,Li He,Xin Yang. 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