移動GIS在現代農業中的應用研究進展

方凡 馬友華 丁文金 方興龍 王強

摘要：為研究移動GIS在現代農業中的應用進展，歸納了移動GIS及其在現代農業中的農田信息采集與查詢、農業氣象監測、田間精準施肥查詢和病蟲害監控與預報方面上的應用，指出了移動GIS在GPS定位系統、采集方式、無線網絡以及定位傳感器方面的不足，為現代農業提供更好的指導。

關鍵詞：移動GIS；現代農業；精準施肥；病蟲害防治；農業氣象；農田信息采集

中圖分類號：S-1文獻標志碼：A論文編號：2013-0687

0引言

自20世紀60年代初，加拿大的Roger F. Tom linson和美國的Duane F. Marble提出地理信息系統這一概念以來，這門集計算機科學、地理學、測繪遙感學、環境科學、城市科學、空間科學、信息科學和管理科學為一體的新興邊緣學科在最近的幾十年里取得了驚人的進展，尤其自20世紀90年代中期以后，隨著計算機技術、無線網絡通信、數據庫技術以及互聯網技術的飛速發展，地理信息系統(GIS)也進入了新的發展階段[1-3]。

當前二次開發的GIS軟件已廣泛應用于軍事、自動制圖、資源管理等100多個領域，并在測繪、城市規劃、交通以及環境保護等方面發揮著重大的作用。尤其是結合地理信息服務器，信息搜索引擎，移動定位和無線搜索的移動GIS在個人位置信息服務，導航跟蹤等方面提供了卓越的幫助[4-6]。許多筆者圍繞移動GIS的原理、關鍵技術及二次開發的移動GIS軟件在農業上的應用情況發表了諸多論著，但缺少從整體上對移動GIS在農業上應用進展的研究。因此筆者從農田信息采集與查詢、農業氣象監測、田間精準施肥查詢和病蟲害監控與預報4個方面闡述了移動GIS在農業上的應用進展。

1移動GIS

移動GIS是基于移動智能終端，并集成空間信息技術、移動通信技術、互聯網服務和多媒體技術提供相應信息服務的總稱，它是一個建立在嵌入式（硬件、軟件）和無線（通信、網絡）基礎之上的系統。移動GIS擺脫了位置和有線傳輸介質的束縛，使人們隨時隨地都可方便的采集、傳輸和顯示地理空間數據[7-9]。

移動GIS主要由移動終端設備、無線通信網絡、地理應用服務器以及空間數據庫組成，其客戶端需要符合易便攜、低能耗的特點，并且可以快速、精確的定位和進行地理識別。移動終端的種類十分豐富，如便攜式電腦、個人數字助理(PDA)、智能手機、GNSS接收終端等[10-11]。它的工作原理是：移動終端通過無線網絡將請求或數據發送至地理應用服務器，服務器對接受信息進行分析，從空間數據庫中調取所需資料，處理后經由無線網絡傳回到移動終端上（圖1）。

2移動GIS在農業方面的應用

自20世紀60年代誕生至今，隨著計算機技術、無線網絡技術、移動通訊技術以及3S技術的飛速發展，移動GIS已經滲透到農業、水文、旅游城市規劃、醫療衛生、考古、交通、軍事、資源利用和環境保護等眾多領域。目前移動GIS在現代農業方面的應用主要體現在精準農業研究和應用上[12-13]。

精準農業的實質就是通過各種技術手段來獲取農田內不同單元小區的農作物具體的生產環境信息，并根據這些信息確定各個小區內的最為經濟和科學合理的農業生產投入，達到獲得經濟、環境等方面最高回報的目的，從而實現農業生產的精準管理[14-16]。

在中國，移動GIS在精準農業上的應用主要集中在農田信息采集與查詢，農業氣象監測、田間精準施肥查詢和病蟲害監控與預報4個方面。

2.1農田信息采集與查詢

目前國內基于GPS和GIS的農情信息定位采集系統的研究較國外起步晚，多數處于手工采集階段[17]。傳統的人工數據采集與野外調查耗時多，容易出錯，且野外作業的空間定位能力差，往往以點代面，導致GIS數據的精度難以保證，野外編輯的數據需被帶回后才可手動輸入編譯進電腦數據庫導致數據不能經常更新，這些都為數據分析和決策帶來極大的不可靠性。而集GPS技術、傳感技術、多傳感信息融合技術、無線通訊技術等現代信息技術的移動GIS的應用使得農田信息數據的實時快速采集成為可能。

在信息采集方面，移動GIS的優勢之處在于其便攜性的特點。在沒有攜帶大容量的存儲設備，而所采集的空間數據又非常大時，就可以通過移動GIS把采集到的空間數據直接上傳到空間數據服務器上。同時服務器又可以經過處理將數據再傳到移動GIS的終端上，從而形成了終端與服務器間雙向的數據采集模式，方便了外出數據的采集。

國家農業信息化工程技術研究中心于2003年研究實現了便攜式數字化農業信息技術產品——農務通的開發，率先在國內研究開發出基于PDA的嵌入式操作系統Window CE的農業專家數據庫查詢信息系統[18]。西北農林科技大學2007年開發了基于GPS-OEM模塊的農田基本信息采集系統，其高性能、低成本、低能耗的特點也使得長時間的田間作業變成可能。同時該系統還實現了對農田位置的定位和地塊長度以及面積的測量等功能[19]。方慧等[20]提出并實現的基于掌上電腦的農田信息快速采集與實時處理系統能夠快速地測量和分析農田信息。區別于其他基于掌上電腦的GIS系統（如地籍測量GIS），在農田信息采集過程中，除接收位置信息和手工輸入其他屬性信息之外，還可自動采集來自傳感器的農田屬性信息，并可對所獲信息進行實時和后期再編輯。同樣在傳感器與移動GIS結合應用于農田數據采集方面，車艷雙等[21]于2010年將無線傳感器網絡、GPS、虛擬參考站、長距離無線通訊和移動便攜式計算機(PDA)集成為一體，多種模塊的集成便利了移動終端的攜帶和數據的管理，提升了農田信息測量的準確性和實時性。

準確可靠的農田信息是實施精準農業的基礎，而移動GIS的便攜性的特點使得大量數據通過無線網絡的渠道匯總入后臺的空間數據庫中，提高了田間數據采集的效率。地理應用服務器可將多余數據剔除，僅保存并反饋有效數據的分析處理功能大大減低了后期數據整理工作量。手自動一體化的數據采集模式也更加適用于實際操作。總而言之，移動GIS為更方便、準確、快捷的農田信息采集工作提供了強有力的支持。

2.2農業氣象監測

地理信息系統(GIS)作為一門重要的信息技術近年來在氣象氣候領域內引起了廣泛的關注并得到了初步應用，而移動GIS是繼Web GIS、桌面GIS之后又一新的技術熱點。隨著農業一體化的發展，傳統的紙制地圖或者基于Web GIS的地圖服務已經不能滿足農業研究生產的需求，人們急切需要及時地定位并使用農業氣象信息等數據地圖。

池文羽[22]研究了基于Android人工影響天氣智能終端。其智能終端通過3G鏈路實現與遠程中心指揮端的信息交互，中心指揮端將處理好的最新的雷達回波截圖和云圖等氣象數據上傳至GIS服務器，智能終端通過移動GIS平臺瀏覽服務器上的實時天氣圖況。終端的攝像頭可獲取現場實時作業情況，利用H.264標準壓縮編碼成適合無線網絡傳輸的碼流，再通過RTP/RTCP協議打包上傳至中心流媒體服務器，遠程指揮端通過訪問流媒體服務器可觀看現場作業。金浩軍等[23]研究的基于Android平臺移動GIS在農業氣象服務中的應用中，邏輯層，即服務器不僅根據用戶的位置信息調取空間數據庫中的歷史氣象數據，同時將通過網絡獲得的實時氣象數據與歷史氣象數據進行整合疊加至Google Map中，并反饋至用戶端。

通過移動GIS技術將歷史數據與實時氣象數據進行整合疊加至地圖中，更能準確的反應某地某一時間段的天氣狀況，為即將到來的農業生產安排提供了參考和借鑒。通過無線網絡等方式對田間作業實施遠程監控，偶遇天氣多變時可靈活調度，進行統一安排。

2.3田間精準施肥查詢

中國測土配方施肥補貼項目自2005年在全國各地市、區、縣開展以來，積累了大量的成果數據，如何充分利用這些數據，進一步地準確地指導生產實踐成為了亟待解決額問題。而現今隨著科技的發展，采用信息技術深化和普及測土配方施肥技術是近年來農業資源利用學科關注的熱點之一。

2008年華中農業大學資源環境信息工程系已采用ESRI公司的ArcGISEngine二次開發平臺，開發了以縣為單位的配方施肥系統[24]。聶宜名等[25]設計實現了基于GIS無線服務的農業信息平臺，用戶通過手機向服務器發送田間服務請求，服務器對提交信息進行分解，提取用戶的身份、坐標位置等信息，從空間數據庫中調取土壤圖、養分圖等基礎圖件數據中的相關信息，生產模型根據相關的資料計算出配方施肥的方案，最后服務器將方案通過移動通訊公司的接口以短信、彩信、郵件或wap等形式反饋至用戶手中。張國鋒等[26]在ArcGIS Mobile的技術基礎上進行集成二次開發，選取常用的養分豐缺指標法作為施肥模型，開發了基于移動GIS的面向導航型PDA施肥推介終端軟件，以滿足人們隨時隨地獲取施肥信息的需要。車明亮[27]結合移動GIS技術，利用小麥氮肥施肥推薦模型，以Java語言為平臺，提出基于GIS無線服務的小麥氮肥施肥推薦系統，實現小麥氮肥施肥實時實地推薦查詢功能。安徽農業大學的祖娟等[28]以PDA為載體建立的施肥模型可藉由智能輸入查詢，定位查詢等多種方式實時查詢施肥配方，而隨時隨地短信群發施肥指導的功能也充分體現了移動GIS便捷性的特點。

通過整合第二次全國土壤普查的大量數據，同時利用地理信息技術成圖、建立模型，計算出適宜的田間施肥配方比。通過移動GIS實現人機交互，獲取土壤養分、地力等級、施肥配方、施肥技術指導等信息，指導農業生產。

2.4病蟲害監控與預報

中國為農業病蟲害多發國家，病蟲害是制約農作物生產和限制品質提高的主要因素，且作物病蟲害的暴發具有時間短、災害面積大等特點每年都要給農業生產造成重大損失。由于農業病蟲害發生及分布具有較強的時空分布特征，傳統的一些病蟲害信息調查管理方法很難適應農業病蟲害監測的需要。因此及時、準確、有效獲取病蟲害的發生時間、危害程度及病源位置是病蟲害防治、治理的基礎。又由于作物種類繁多，病蟲害名稱難以界定，建立數據庫，錄入病蟲害癥狀、防治方法、病源名稱、多發區域等信息，建成病蟲害管理系統，對所管理區域長期監測，實時采集作物病蟲害信息上報，并針對病蟲害癥狀及時制定出防治措施就顯得尤為重要[29]。

2004年河北省氣象科學研究所的科技人員就開展的“河北省蝗蟲災害氣象監測預測技術方法研究”，針對河北省東亞飛蝗災害大發生關鍵影響因子，融合移動GIS等多項技術探索蝗蟲災害的發生程度、發生期與氣象條件的關系及規律，建立了河北省蝗蟲災害氣象監測、預報實時服務系統[30]。孟志軍等[20]開發農作物病蟲害防治管理信息系統，對農作物病蟲害發生動態、作物生長狀況、采取的防治措施、進行化學防治所用的藥劑、各地作物播種面積、病蟲害發生面積、災情損失和各地各級農業行政和技術部門所采取的措施等信息進行動態定位采集、網絡化上報和動態更新、可視化分析統計、顯示，同時還進行相關的預測和預報。值得一提的是，為了便于用戶野外作業，該系統還設計了作業導航模塊。該模塊以GPS定位數據和用戶指定的地圖數據為依據，實時計算用戶當前位置和目的地之間的距離和方位，指引用戶到達預定目標。同時，該模塊支持用戶采集記錄作業過程中的航跡點、航跡線。趙春雷等[31]在基于GIS、GPS技術的蝗蟲災害遙感監測系統中通過搜集基本圖件數據形成底圖后，利用移動終端的GPS定位進行現場調查和數據錄入，以便確定蝗蟲的易發區域。不同的是它結合了遙感技術，通過歸一化植被指數檢測蝗區的植被的作物長勢和葉面積指數等，從而反映蝗蟲災害發生的程度和變化情況。

基于移動智能終端平臺“GIS+GPS+無線網絡+多媒體技術”一體化的“移動GIS”在病蟲害信息管理中的應用可對農田病蟲害防治信息進行規范、系統和動態地管理，能夠達到及時準確地收集、傳遞和發布相關信息，并能第一時間制定出治理方案，減小了病蟲害的危害面積，降低了病蟲害的危害程度，對于全面提升病蟲害防治管理水平、提高防災減災能力具有重要意義。同時，收集、記錄的農田病蟲害數字化資料也對未來的區域性病蟲害研究提供了寶貴的數據。

3展望

移動GIS技術在農業方面展示了廣泛的前景，但同時也存在著很多的問題。

（1）與移動GIS相配套的GPS定位系統發展并不成熟，無論是單個手持GPS接收機進行田間信息定位還是兩個手持GPS接收機相對定位都存在一定的誤差。

（2）定位傳感器有盲區現象，使接收的數據產生錯位和變形等。

（3）無線網絡技術發展并不成熟，實際應用中的傳輸速度遠低于理論傳輸速度，限制了移動終端與服務器之間的數據交流。

（4）相對于傳統數據采集方式，移動GIS雖然提高了數據獲取的精準性和便捷性，但在短時間的大范圍數據采集上還是存在欠缺。

精準農業中自動化變量控制技術是實現規模化管理農田生產的重要手段，而自動變量控制機具的施肥數據大多依托于FLASH數據卡進行存儲，移動GIS通過無線網絡實現數據傳輸與共享的特點應用于智能農機上將是未來的發展方向。RS（遙感）能夠提供實效性強，準確度高、監測范圍大的綜合性定位定量信息，與RS等技術相融合的移動GIS技術必將在田間數據采集、農田信息動態分析、農田土壤養分、土壤墑情、蟲害等情況監測、肥料農藥噴灑管理的大田農業中發揮舉足輕重的作用。

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