淺談3S技術在精細農業中的應用

【摘 要】精細農業是農業的發展趨勢，也是農業的主要研究方向。從精細農業的思想內涵為入口，主要介紹3S技術以及各自在精細農業中的應用，并討論3S集成技術在精細農業中的作用，并指出3S技術在精細農業中面臨的主要問題。

【關鍵詞】3S技術；精細農業；應用；發展現狀

0.引言

我國是世界上最重要的農業國之一，用占世界7%的耕地面積養活了世界22%的人口。農業是一個國家的基本產業，依據農業地域分布規律，因地制宜發展農業，合理利用農業資源，發揮地區優勢，是農業生產的基本原則和規律。農業的發展呼吁新的農業技術革命，農業現代化建設需要高新技術的支持。精細農業代表著農業發展的方向，也是農業研究的重點。

1.精細農業

1.1精細農業的核心思想

傳統農業的管理是針對某一片土地的管理，而忽略了大多數土地都存在的時空差異。精細農業是隨著信息技術水平的提高而出現的，它是一種戰略思想，是信息和人工智能等高新技術在大農業中的微觀和宏觀運用。其核心意圖是實時測知作物（畜禽）個體、小群體、小區地塊生長或防疫的是實際需要，而及時確定針對性投入（肥、水、藥、飼料等）的量、質、和時機，一反傳統農業大群體大面積平均投入的作法，以求最佳效果而付出最低資源成本。

其技術思想是獲取農田小區作物產量和影響作物生長的環境因素（如土壤結構、地形、土壤營養、含水量、病蟲草害等）實際存在的空間和時間差異性信息，分析影響小區產量差異的主要原因，采取技術上可行、經濟上合算的調控措施，區別對待，按需實施定位調控的“處方農作”。

1.2精細農業的主要技術支持

要實現精細農業，目前采用的關鍵技術有全球定位系統（GPS）、地理信息系統（GIS）、遙感(RS)、傳感器及檢測系統等。而由前三項構成的及“3S”技術，它是精細農業進行抽樣調查，獲取作物生長的各種影響因素信息的重要技術手段之一。通過“3S”技術，可以實時采集時間、空間變化數據，繪制電子地圖，并加工處理形成管理設計，并對精細農業的效果、效益進行評估。

1.3在3S技術支持下的精細農業特點

1.3.1技術性強

3S技術涉及到電磁波理論、圖像處理、圖像解譯、計算機硬件與軟件技術、空間分析技術、衛星導航原理、測量等多個領域，將這些理論、方法和技術與農業生產結合，具有很強的技術性。

1.3.2定量化

3S技術應用使新型農田作業機械中的計算機可以根據不同的土質、作物的長勢和其他農業生態環境特點精確地控制種子、肥料、農藥等的用量等。

1.3.3定位化

GPS可提供準確定位，具有GPS導航儀的農業機械，在經過每塊土地時，都記錄下了作物的各種數據。農民分析這些資料，就能制定出對每塊土地內的作物或土壤區別對待的田間耕作和管理計劃，把計劃輸入到農田作業機械的計算機里。在GPS定位系統的協助下，農田機械可以根據不同地塊的差別，自動調節種子、肥料和化學劑的投放量。

2.3S技術在精細農業中的綜合應用

2.1 GIS在精細農業中的應用

地理信息系統（GIS）是用于存儲、分析、處理和表達地理信息系統的計算機軟件平臺。它在精細農業技術體系中主要用于建立農田土地管理，土壤數據、自然條件、作物苗情、病蟲草害等發生發展趨勢、作物產量的空間分布等的空間信息數據庫和進行空間信息的地理統計處理、圖形轉換與表達等，為分析差異性和實施調控提供處方信息。

其在精細農業中的應用主要包括以下幾個方面：

(1)GIS是精細農業整個系統的運作平臺，起到大腦和神經中樞的作用。精細農業作為一個完整的大系統，各種農業資源數據都通過GIS流入、決策、控制、流出。GIS作為精細農業的核心組件，將RS、GPS、專家系統、決策支持系統等組合起來。

(2)GIS可以作為農田空間數據庫的管理系統。在精確農業中，GIS用于農田土地數據管理，查詢土壤、自然條件、作物苗情、作物產量等數據，也能采集、編輯、統計分析不同類型的空間數據。

(3)繪制作物產量分布圖。安裝GPS的新型聯合收割機，在田間收割農作物時，每隔一定時間記錄下聯合收割機的位置，同時產量計量系統隨時自動稱出農作物的重量，置于糧倉中的計量儀器能測出農作物流入儲存倉的速度及已經流出的總量，這些結果隨時在駕駛室的顯示屏上顯示出來，并被記錄在地理數據庫中。利用這些數據，在地理信息系統支持下，可以制作農作物產量分布圖。

(4)農業專題圖分析。通過GIS提供的復合疊加功能，將不同農業專題數據組合在一起，形成新的數據集。通過對其分析，可以分析出土地上各種限制因子對作物的相互作用與相互影響，從中可以發現它們之間的關系。

2.2 GPS在精細農業中的應用

GPS在精細農業中的作用包括精確定位、田間作業自動導航和測量地形起伏狀況.精細農業中的GPS主要是用來確定田間地塊土壤信息采樣點位置，然后結合其土壤的含水量、氮、磷、鉀、有機質、病蟲害等不同信息的分布情況，輔助農業生產中的灌溉、施肥、噴藥等田間操作。另外在翻耕機、播種機、田間取樣機、施肥噴藥機、收獲機等農具上安裝GPS，可以精確指示機具所在位置坐標，對農業機械田間作業和管理起導航作用，從根本上來說是提供三維位置和時間。為了實現以上功能， GPS需要與農田機械結合，隨著農田機械在田間作業，同時進行精確定位、田間作業自動導航和測量地形起伏。由于具有精確定位功能，農業機械可以將作物需要的肥料送到準確的位置，也可以將農藥噴灑到準確位置。這不僅有助于提高作物產量，也可以降低肥料和農藥的消耗。

2.3 RS在精細農業中的作用

遙感（RS）是在不接觸物體的情況下利用傳感器接收的物體的電磁波特性，來識別物體及其存在的環境條件的技術。

相對傳統的觀測技術，RS具有以下的特點：

(1)可以進行大面積的同步觀測。比如，一幀美國Landsat圖像覆蓋面積為185km*185km，5～6min即可掃描完成，而一幀同步氣象衛星可覆蓋1/3的地球表面。

(2)可以短時期內重復觀測。地球同步軌道衛星可以每30min對地面觀測一次。

(3)進行全天候觀測。遙感所使用的寬的電磁波波段可以大大超出人眼所能觀測的可見光范圍，在微波范圍內，傳感器可不受制于晝夜和天氣變化。

(4)觀測精度高。航天照片的分辨率可以達到厘米級甚至毫米級。

這些特點使遙感技術可以客觀、準確、及時地提供作物生態環境和作物生長的各種信息。它是精細農業獲取田間數據的重要來源。遙感技術在精細農業中主要應用于以下幾方面。

(1)農作物播種面積檢測和估算。遙感可實時記錄農作物覆蓋面積數據，通過這些數據可以對農作物分類，并在此基礎上可以估算出每種作物的播種面積。

(2)監測作物長勢和估算作物產量。利用遙感技術在作物生長不同階段進行觀測，獲得不同時間序列的圖像。農田管理者可以通過遙感提供的信息，及時發現作物生長中出現的問題，采取針對性措施進行田間管理。還可以根據不同時間序列的遙感圖像，了解不同生長階段中作物的長勢，提前預測作物產量。

(3)作物生態環境監測。利用遙感技術可以對土壤侵蝕面積、土壤鹽堿化面積、主要分布區域以及土地鹽堿化變化趨勢進行監測。也可以對土壤水和其他作物生態環境進行監測，這些信息有助于田間管理者采取相應的措施。

(4)災害損失評估。氣候異常對作物生長具有一定的影響。利用遙感技術可以監測與定量評估作物受災程度，對作物損失進行評估，然后針對具體受災情況，進行補種、澆水、施肥或排水等抗災措施。

2.3 3S集成技術在精細農業中的應用

全球定位系統的優勢是精確定位，地理信息系統的優勢是管理和分析，遙感的優勢是快速提供各種作物生長與農業生態環境在地表的分布信息。它們可以做到優勢互補，促進精細農業的發展。

GPS可以確定農業機械在田間作業中的精確位置， GIS可對各種田間數據進行處理和分析，二者結合為科學種田提供了所需要的定位和定量的技術手段，進行田間作業和田間管理。例如，地理信息系統能夠根據地塊中土壤特性和土地條件，結合GPS提供的位置數據，指揮播種機進行定量播種，確定播種的疏密程度。在GIS和GPS指揮下，農藥噴灑機可以去病蟲害發生地自動噴灑農藥。

RS和GIS結合提供了多種數據源，這為建立農田基礎數據庫奠定了基礎。農田基礎數據庫是農田科學管理的基礎。搭載在農田機械上的地理信息系統，可以記錄下各種農田操作過程中的數據，如作物品種、播種深度、噴灑農藥類型、施肥和灌溉以及收獲產量，同時記錄下田間作業時的位置與范圍、灌溉量、化肥使用量、農藥噴灑量、噴施部位、使用時間、當天天氣狀況。通過RS，則可以獲得作物生長情況、作物生態環境等數據。將這些數據都記錄在數據庫內，日積月累就形成了農田基礎數據庫。

3.結束語

可以說，精細農業是在遙感、地理信息系統和全球定位系統技術推動下發展起來的現代農田精耕細作技術，它代表了未來農業發展的一個主要方向。3S技術在精細農業中的應用，面臨的主要問題有:農業遙感圖像的解譯技術的完善、農田作業定位精度的提高、農田基礎數據庫的更新，以及農田機械與3S技術的集成。 [科]

【參考文獻】

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