地理信息系統在耕地質量管理中的應用概述

秦方錦，王 飛，翁 穎，葛超楠，馬建芳，王 劍，徐靜高，洪可蔚

(1.寧波市種植業管理總站，浙江 寧波 315000； 2.慈溪市農業監測中心，浙江 寧波 315300；3.寧海縣農業技術推廣總站，浙江 寧波 315600； 4.奉化市農業技術服務總站，浙江 寧波 315500；5.江北區農技推廣服務總站，浙江 寧波 315021； 6.北侖區農業技術推廣總站，浙江 寧波 315800)

地理信息系統在耕地質量管理中的應用概述

秦方錦1，王 飛1，翁 穎2，葛超楠3，馬建芳4，王 劍5，徐靜高6，洪可蔚1

(1.寧波市種植業管理總站，浙江 寧波 315000； 2.慈溪市農業監測中心，浙江 寧波 315300；3.寧?？h農業技術推廣總站，浙江 寧波 315600； 4.奉化市農業技術服務總站，浙江 寧波 315500；5.江北區農技推廣服務總站，浙江 寧波 315021； 6.北侖區農業技術推廣總站，浙江 寧波 315800)

回顧地理信息系統(GIS)在國內外耕地質量管理上的應用進展，并簡要介紹GIS在耕地地力評價、耕地適宜性評價、耕地質量動態變化、耕地占補平衡管理、土壤養分管理及施肥推薦等方面的應用，提出GIS在耕地質量管理中存在的問題及應用展望。

地理信息系統； 耕地質量管理； 綜述

耕地是人類賴以生存與發展的基礎資源，是糧食生產能力的基本構成要素，是保障國家糧食安全的基石。近年來，隨著經濟社會發展，城鎮化建設加快，耕地資源約束趨緊，糧食安全、耕地保護面臨嚴峻挑戰。基于當前耕地數量減少趨勢短時期內難以扭轉的態勢，合理利用和保護好有限的耕地資源，加強耕地質量管理，是新形勢下保障國家糧食安全、促進農業健康發展的重要基礎，也是實施“藏糧于地、藏糧于技”戰略的重要任務。

地理信息系統(GIS)是一項始于20世紀60年代中期以計算機科學為基礎的技術，它將地理空間數據庫與計算機信息技術相結合，通過地理模型分析方法，適時提供多種空間的、動態的地理信息，為地理研究及地理決策服務[1]。目前，已發展為一門集計算機科學、測量學、地圖學、地理學等多學科為一體的綜合性學科，應用于涉及地理信息的多個領域，并呈快速發展趨勢。地理信息系統強大的地理空間數據處理和分析能力，可為耕地質量管理和決策提供服務。

1 國內外GIS在耕地管理上的應用進展

1.1 國外應用進展

20世紀50年代，計算機信息技術的不斷發展，使得通過計算機收集、存儲和處理各種與空間地理信息相關的圖屬數據成為可能，也因此加速了GIS技術的問世。在繼奧地利采用計算機技術建立地籍數據庫后，許多國家陸續開發了用于地籍管理的土地信息系統，如加拿大于1963年成功研制了世界上首個地理信息系統(CGIS)，它作為國際上建立最早的一個性能較為完善的大型實用性系統于1971年正式啟用，主要應用于自然資源管理和規劃[2]。

進入20世紀70年代以后，許多國家相繼采用GIS技術建立了土壤數據庫。1975年，英國Macauly土壤研究所在蘇格蘭試建了首個土壤數據庫，它是一個包括土壤調查、土壤礦物分析、光譜分析、土壤統計分析等海量數據的國家土壤信息系統。美國于20世紀70年代初建立了土壤數據庫，并于20世紀80年代初開發完成了州級及國家土壤地理數據庫系統。此外，國際土壤學會還建立完成了1∶100萬世界土壤和土地數字化數據庫(SOTER)[3]。

進入20世紀80年代以后，計算機軟硬件技術的飛速發展為GIS在耕地質量管理上的應用提供了強有力的技術支持，一些發達國家先后建立了專業性的地理信息系統，如美國于1981年提出了土地評價和立地評價系統(LESA)，主要應用于以農業為目的的土地評價。20世紀80年代末期，隨著“3S”(遙感技術、地理信息系統、全球定位系統)和地圖自動制圖等高新技術的發展與應用，GIS在數據更新、動態評價、評價精度等方面取得了長足發展。到目前為止，世界上許多國家和地區均建立了基于GIS的耕地管理系統，如美國紐約土地利用與自然資源信息系統(LUNR)、新西蘭微型計算機土地信息系統(MIDGE)、法國國土信息系統等。

1.2 國內應用進展

國內地理信息系統的發展始于20世紀80年代初期，中國科學院遙感應用研究所建立了國內首個GIS研究室。隨著GIS技術發展，我國土壤工作者于20世紀80年代中期始建土壤數據庫和土壤信息系統。例如，1986年底北京大學遙感中心建立了區域土壤侵蝕信息系統，1989年揚州市土壤肥料站建立的揚州市土壤肥料信息管理系統被農業部土壤肥料總站列為土壤肥料規范化管理軟件，并在全國范圍內推廣應用。

進入20世紀90年代以后，GIS技術在耕地資源管理上的應用研究更為深入，不同應用、不同層次和不同規模的數據庫相繼建立，同時有關專家系統和專業應用模型等方面的研究也有了較大進展。例如，1991年周慧珍等[4]研究了1∶100萬土壤—土地圖數據庫及土壤退化信息解譯；1993—1998年浙江農業大學遙感與信息技術應用研究所研制了浙江省紅壤資源信息系統；1999年張新長等[5]采用地理信息系統研究了廣東省耕地變化情況；2002年張定祥等[6]進行了1∶100萬土壤數據庫的建設與應用工作；2004年畢如田等[7]利用GIS技術建立了山西省永濟市耕地資源管理信息系統。

近年來，GIS技術通過與專業模型和數學方法的集成，更加有力地助推了耕地資源的合理使用與科學管理。例如，胡德勇[8]用VB和Map Object構建了耕地分等定級系統，實現了GIS功能與耕地分等定級的融合；劉排九等[9]利用VB和MapInfo集成開發技術構建了C/S模式支持下的基于GIS的耕地資源管理信息系統。

2 基于耕地信息系統的應用進展

2.1 GIS在耕地地力評價中的應用

耕地地力是指在當前耕作管理水平下，由土壤本身特性、自然背景條件和基礎設施水平等要素綜合構成的耕地生產能力，主要包括農田基礎設施和土壤肥力。耕地地力評價是以利用方式為目的，評估耕地生產潛力的過程，主要揭示生物生產力和潛在生產力的高低，其實質是對耕地生產力高低的評價。

國外最早以合理利用耕地為目的的耕地評價研究可追溯到20世紀30年代。當時美國提出了世界上首個較為全面的土地利用管理系統，它是一款基于土壤分類的土地利用潛力分類系統。20世紀70年代，隨著遙感等先進技術手段在資源調查中的廣泛應用，土地研究逐漸由土地資源清查向土地評價發展。繼而在20世紀80年代，隨著計算機技術、3S技術等高新技術的發展和應用，土地動態評價和評價精度方面取得了巨大進展。進入20世紀90年代以后，地理信息技術在耕地評價中得到了廣泛應用：如Luckman等[10]運用專家系統和地理信息系統進行土地評價；Kollias等[11]采用ARC/INFO軟件的模糊處理功能對土地資源進行評價；劉欽普[12]利用GIS和SPSS技術對許昌市耕地基礎地力進行綜合評價；張月平等[13]應用組件式GIS開發了我國第一款耕地地力評價專用軟件《縣域耕地資源管理信息系統》(簡稱CLRMIS)。

2.2 GIS在耕地適宜性評價中的應用

耕地適宜性評價是在耕地潛力評價的基礎上，綜合自然條件、社會經濟條件、生態環境等要素，對耕地潛在生物生產能力進行適宜程度評估的過程，以此來全面分析耕地適宜程度和限制程度[14]。20世紀70年代以來，耕地適宜性評價受到了廣泛關注。1976年，聯合國糧農組織(FAO)頒布了《土地評價綱要》，它是目前國際上使用范圍最廣、最具影響力的評價綱要。進入20世紀80年代后，隨著計算機信息技術的高速發展和廣泛應用，耕地適宜性評價朝著系統化、精確化、定量化及綜合化方向發展。期間，Ghaffari等[15]從氣候和土壤的生產潛力入手，采用GIS技術對英國Kent地區的馬鈴薯種植進行適宜性評價。趙小敏等[16]在GIS支持下，以Overlay模型得出的土地資源單位為評價單元，采用二次開發的主成分模型、層次分析模型和綜合評價模型，分別對南豐蜜橘種植地進行適宜性評價。新疆生產建設兵團農五師81團以MapInfo與Delphi作為開發工具，采用OLE自動化技術開發建立了基于GIS的棉花土地適宜性評價系統[17]。黃河18]采用GIS與數學模型等技術對福建郊區蔬菜地的種植適宜性及其環境質量狀況進行分析評價。朱恒星等[19]利用ArcGIS軟件對鳳丹牡丹在重慶地區的栽植進行了適應性評價，并就不同因子制作了適宜分級圖。

2.3 GIS在耕地質量動態變化方面的應用

耕地質量動態變化研究是一項以土地資源調查和土壤資源清查等調查工作為基礎的應用性工作，對提高農業綜合生產能力和確保國家糧食安全有重要現實意義。20世紀中期，隨著經濟社會發展和科學技術進步，為應對耕地污染、土壤退化等問題，許多國家相繼展開了土壤普查和土地調查。美國從1977年開始，采用立法形式正式確立了國家資源清查(NRI)的制度[20]。加拿大也于20世紀80年代后期在資源調查的基礎上建立了土壤質量監測系統，并按一定標準于1992年確定了23個耕地質量長期定位監測點[21]。我國自1949年起先后經歷了多次土地資源清查或概查，并從1985年起在全國范圍內啟動了耕地土壤監測工作，期間積累了大量的耕地資源信息和研究成果。陶崇鑫等[22]以耕地質量等級監測為基礎，結合地理信息系統空間模型研究了新疆阿勒泰市的耕地質量動態變化情況，探明了當地耕地質量的時空演變趨勢和規律。蘇南和上海地區利用地理信息系統將歷史上每十年的耕地變化情況(從1920年起)存入計算機，并用TM衛片每年更新1次，研究掌握地區耕地資源的動態變化[23]。

2.4 GIS在耕地占補平衡管理中的應用

耕地占補平衡管理工作是自1998年《土地管理法》確立占用耕地補償制度以來，我國特有的一項國土資源管理工作。在十余年的實施過程中，占用耕地補償制度在控制建設用地規模和實現耕地占補平衡方面發揮了重要作用。隨著計算機信息技術的發展，進入20世紀80年代后，國內學者開始積極推進基于GIS的耕地占補平衡管理信息化建設。楊燕芹[24]分析研究了我國在耕地占補平衡管理工作中存在的技術問題，并有針對性地提出了基于GIS的耕地占補平衡技術方案。但目前有關耕地占補平衡管理信息系統的研究仍然較少。2004年，張玉寶[25]通過分析安徽省耕地占補平衡管理工作要點和流程，首次提出了系統建立的總體框架和技術路線。2006年，劉芬等[26]采用Visual Basic語言對MapGIS平臺進行二次開發，建立了基于VB的河北省耕地占補折算評價信息系統，實現了補充耕地數量質量可按等級折算。2010年，滕龍妹等[27]在ArcEngine組件的支持下，以.Net為開發環境建立了基于組件式GIS的浙江省標準農田占補管理信息系統，將標準農田圖屬數據管理、占補管理審核等應用進行了集成。

2.5 GIS在土壤養分管理及施肥推薦方面的應用

土壤養分是農業生產的基礎，也是精準農業的基礎和核心。隨著信息科學發展，精準養分管理受到了廣泛關注。在國外，許多發達國家已經通過建立土壤養分和肥料信息系統，對土壤類型、土壤肥力、作物施肥和產量情況等信息進行綜合管理，并在此基礎上形成信息農業和精確農業的技術支持體系。但國外精準養分管理模式并不完全適應我國國情，目前我國農戶分散經營的現狀使得精準養分管理技術在應用實施層面仍存在較多難點。進入20世紀80年代，我國開始了土壤養分空間變異的定量研究。徐吉炎等[28]于1983年利用半方差分析和空間插值法對彰武縣土壤特性進行了空間變異研究。近年來，一些學者基于土壤養分時空變異的研究成果，開始探索研究養分精準管理及推薦施肥技術。例如，白由路等[29]利用Arclnfo平臺，構建了河北省辛集市馬蘭試驗區土壤養分分區管理模型；盛建東等[30]利用數據庫系統和地理信息系統集成開發技術，建立了新疆阿克蘇地區土壤養分管理與作物推薦施肥信息系統。

3 存在不足與展望

通過對GIS在國內外耕地質量管理中的應用研究進行梳理，發現主要有以下幾個方面不足。(1)數據質量保證性差。由于耕地質量管理涉及國土、農業、測繪等多個部門，造成數據來源不一、年代不同、格式各異等問題，數據質量參差不齊，影響了數據信息共享。(2)系統可移植性差。由于空間數據的復雜性，使得GIS與專業應用模型的集成難度大，且多數模型具有較強特定性，從而導致系統間可移植性較差。(3)系統集成性不高。因專業應用模型獨立于GIS系統，但又同屬復雜系統，加之兩者的連接方式不同，各應用的程序語言、處理模式也各有差異，使得系統的集成性較差。

今后可以在以下方面作進一步探索。(1)實現數據標準化。在數據采集時統一數據結構和數據格式，對數據進行標準化處理，實現數據交互和信息共享。(2)采用“3S”一體化技術。通過GIS與GPS(全球定位系統)、RS(遙感技術)的集成，形成實時、動態的GIS，提高耕地質量管理的時效性和精確化程度。(3)引入專家系統。通過在系統中引入專家知識庫和專家推理方法，為耕地質量管理提供智能化的分析和推理。

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(責任編輯：高 峻)

2017-03-03

寧波市農科教結合項目(2015NK28)

秦方錦(1985—)，女，浙江寧波人，碩士，農藝師，主要從事土壤肥料推廣工作，E-mail: lemonqfj@163.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170847

S126

A

0528-9017(2017)08-1452-04

文獻著錄格式：秦方錦，王飛，翁穎，等. 地理信息系統在耕地質量管理中的應用概述[J].浙江農業科學，2017，58(8)：1452-1455.