農田空間信息管理系統的開發研究

【摘要】將空間信息管理系統應用在農業生產中是未來農業發展的主要趨勢，也是促進農業生產的核心技術之一。在精細化農業生產概念的提出與落實條件下，農田空間環境與空間信息管理系統相結合已成為信息管理系統開發與研究的主要工作重點。本文就農作物生長狀況等進行深入的總結和闡述，并對其在生長和實驗中涉及到的各環節進行了分析與總結。

【關鍵詞】農田；信息管理系統；開發

0.前言

在精確化農業生產研究與實施的過程中，離不開農田環境與農作物生長條件信息管理支持。農田信息系統在目前的工作應用中是一項具有復雜性、多樣化的工作產量和作物生長優勢，同時其土壤環境等數據形式都出現了較大的變動，以及這些數據的分布及變化情況的空間分布信息資源等。在當前建立農田信息管理系統可以有效的對這些數據進行分析與統計，并使其能夠發揮應有的優勢，進而為農業工作人員提供管理依據。

1.農田空間管理系統概述

為了提高農田信息采集和存儲的自動化，從而滿足實時準確獲取農田環境信息的需要。在目前的信息管理系統中，是以人為主導，利用計算機硬件、軟件、網路硬件、軟件等其他設備組成一個綜合性系統模式，進而通過信息的收集、傳輸、加工、儲存和更新維護來提高管理工作效率和質量。在農田管理空間管理信息系統中，最為常見的結構主要可以分為地理信息系統、遙感信息系統等。本文主要就這兩種信息系統模式進行深入總結和分析。

2.精細農業技術思想

二十世紀后半葉，全世界農業發展呈現出高速發展趨勢，除了在工作中依靠生物遺傳育種技術改進之外，耕地面積與灌溉面積也快速擴大。在這種農業生產趨勢下，基本上所有的農業生產都是以化肥、農藥等產品為基礎，再配合以機械動力與礦物質能源進行分析與總結獲得的，這種高能耗的農業生產與管理引起了眾多的農業生產的不利現象，造成了水土流失嚴重、土壤板結和酸堿性失衡，也導致了化肥與除草劑在土壤中的集結，嚴重的影響了土壤的成分，甚至是帶來環境污染和生態環境惡化。基于這種情況，新世紀以來，農業工作人員不斷對這些問題進行總結和探討，使得這些環境問題在一定程度上得到了改進與優化。

3.地理信息系統

統計為了獲得土壤與作物信息而進行的田間數據采集，在個別試驗中結果呈現不確定性，但是在大量試驗中其結果又有統計規律性，所以可以將田間數據采集看作是隨機現象，同時可以將土壤養分、苗情艮勢與作物產量等參數看作隨機變量。隨機變量的統計特性可以用分布函數完整的描述，但是在某些情況中很難得到隨機變量的分布函數，并且在一些實際問題中也不需要去全面考察隨機變量的變化情況，而只需要知道隨機變量的某些特征。

二十世紀后半葉世界農業的高速發展，除了依靠生物遺傳育種技術的進步，耕地和灌溉面積的擴大以外，基本上是依賴化肥、農藥等化學產品投入的大量增加和機械動力與礦物能源的大量投入所獲得的這種高能耗和化學物質過量投入的農業管理，引起了水土流失、土壤板結和酸堿性失衡，導致化肥與除草劑在土壤和地下水以及農產品中富集，使環境受到污染、農產品品質下降，并帶來全球性環境惡化、資源日益短缺與生物多樣性損失等諸多問題。所有這些情況表明要想適應當今社會的發展，必須對傳統農業的生產管理方式進行調整與改進。人們在探索21世紀農業科技革命過程中，充分認識到信息技術的重要作用，在黨的十六大報告中也明確提出了我國農業“推動經濟結構戰略性調整，基本實現工業化，大力推進信息化，加快建設現代化”的發展目標。

4.農田電子測繪技術

4.1電子地圖主要測繪方法

精細農業需要利用定位農作技術手段，通過對農業資源空間分布差異的定位管理，來提高農資利用率，從而達到降低成本或增加利潤來提高農業生產效率與保護環境的目的。在精細農業的實施過程中需要涉及到大量關于農田環境與作物生長情況的空間分布數據和相應的屬性數據。而在使用時，所有這些數據都必須以一個基本圖層作為參照。在理想的情況下，參考圖層應該為大比例尺、高精度的電子地圖。

4.2 3S系統技術

3S目POS（地理信息系統）、GPS（全球定位系統）和RS（遙感）的簡稱。它們都是上個世紀60年代前后逐步發展起來的高新技術，同時也是精細農業的主要支持技術。目前利用3S技術獲取農田基本地圖是較為常用的方法。與傳統的測繪方法相比，利用3S技術獲取農田基本地圖的方法具有成圖周期短、更新速度快、測量精度高等優點。在3S技術中GIS作為空間數據與屬性數據管理系統，具有數據的輸入、修改、編輯、分析、圖形顯示與輸出等功能，而GPS可以作為為GIS的空間數據庫提供快速獲取數據和更新數據的手段。

4.3基于遙感圖像的地圖更新

農田的邊界或土地利用狀況常常會發生一些變化，比如荒地的開墾、灌溉與排水系統的建設、地塊的合并等，所以農田的電子地圖就需要根據實際情況隨時進行更新。為了減少人力物力的投入，并保證地圖的更新速度。GIS中提供了應用遙感圖像作為參考底圖進行地圖更新的方法。用戶可以首先根據遙感圖像判斷農田邊界等地物是否發生了變化，對于變化的部分可以通過有針對性的進行GPS測繪將地圖更新。或者用戶也可以依據高分辨率的遙感圖像，直接對電子地圖直接進行修改編輯。

4.4開發研究

測試與應用的結果表明上述各種數據分析與信息管理功能，其正確性與有效性都具有一定保障，可以作為分析田間數據與管理農田信息的工具。其中：

（1）統計分析功能中包括最大值、最小值、中值、總和、平均值、總體方差、均方差、標準差與變異系數等常用統計參數的計算方法，是分析田間數據規律的一個重要功能。與EXCEL軟件進行的對比測試表明系統中這一功能運算可靠，作為數據分析的一個工具，其結果能夠正確反映田間數據的統計特征。

（2）利用相關分析功能，可以分析土壤的各種理化特性或其它環境參數對作物產量的影響，以便加以改善。為檢驗系統中相關系數計算的正確性，將GIS系統與EXCEL軟件和SPSS軟件分別進行了對比測試，測試結果完全一致。這一功能主要適用于分析兩個變量之間的線性相關程度，需要分析某一變量與多個因素之間的相關關系時，建議將這一方法與偏相關分析、回歸分析、主成分分析、通徑分析或灰色關聯分析等方法中的一種或幾種結合使用，以便取得更加可靠的分析結果。

（3）利用系統中的緩沖區分析，可以根據病蟲草害的發生情況和擴散程度，來建立適當大小的防治區域進行處理，來達到既不過量使用農藥，又能夠有效防治病害的目的。而疊加分析功能主要用來為農田參數的空間模式識別提供多個圖層中的屬性數據。

5.結束語

目前，遙感（RS） 、地理信息系統（GIS） 、地球定位系統（GPS） 三者結合已成為目前農業空間信息管理系統開發與研究的主要核心技術，在地理信息系統支持下的農田資源監測，能夠即時展示農田資源的現狀及其歷史變化，還能模擬資源環境的進一步發展過程。 [科]