“3S“技術在精細農業中的研究進展

張悅湘

（湖南農業大學機電工程學院，湖南 長沙410128）

精細農業是20 世紀80 年代由加拿大、美國的農業科技研究中心提出的一種綜合跨學科的思想，隨后中國、英國、日本等國也開始了在該領域的研究[1]。精細農業是以可變尺度區塊管理為模式的微觀技術體系[2]。其核心技術是以地理信息系統（GIS）、全球衛星定位系統（GPS）、遙感技術（RS）所構成的“3S”系統。由于濕度、地形、病蟲害等因素帶來的影響，農業生產中普遍存在小尺度差異，根據當地、當時的作物生長情況及土壤環境狀況，制成矢量化的數據圖，按作物生長所需施肥、施藥，將高經濟效益和生態環境保護有機結合。而“3S”技術，則能從不同方面為實現該目標提供技術支持。

1 GIS 及在精細農業中的應用

1.1 全球定位系統（GPS）

GPS 是一種衛星定位系統，為航空、海洋和陸地領域的用戶提供高精度的定位數據。它包括三個部分：由24 顆衛星組成的空間部分，由地面監測站和地面控制站組成的地面部分，用戶接收部分[3]。該系統利用衛星無線電技術進行定位和導航。由于衛星具有準確的待定點功能，全球定位系統可以實現全球、全天候、連續定位。

1.2 GPS 在精細農業中的應用

農田空間所處地區作物生長影響因素和作物平均產量信息的收集是實施精細農業的基礎。全球定位系統(GPS)可以提供三維位置和時間信息，其在精細農業中的應用包括地形測量（圖1）、農機具精確定位和田間機械的自動導航[4]。

將GPS 安裝在農用機械，如播種機、翻耕機、田間取樣機、收獲機和施肥機上，可以提供農用機械精確定位的空間坐標，以便于農用機械在田間作業時的路線規劃和作業管理。

結合農田信息采集技術，收集和分析作物生長信息，加上土壤含水量、有機質、磷、氮、鉀和病蟲害等環境因素的分布，建立該地區的處方圖，農業機械根據處方圖和實時地圖信息，進行定量施肥、灌溉、噴藥等現場作業。

圖1 利用DGPS 測定的土壤圓錐指數[5]

2 RS 及在精細農業中的應用

2.1 遙感技術（RS）

遙感技術是利用各種傳感探測器，接收和探測來自目標事物所發射的電磁波，以實現不接觸物體而從遠處感知物體。將接收到的電磁波經過傳輸處理及分析，便可獲取監測物體的屬性及各項監測指標。為分析地球表層的各類地物信息，研究人員在不同高度平臺上安裝電磁波采集接收器，接收不同的電磁波信號[6]。

2.2 RS 在精細農業中的應用

遙感技術利用高分辨率傳感器接收農作物反饋的光譜信息，為精細農業空間數據庫提供農作物的空間定位和定性分析[7]，實現農作物的綜合監測，是完成生產過程和收集環境信息的基礎。遙感技術能夠真實、全面地反映各種作物的固有光譜特性，從而提高對作物區分的精確程度。遙感技術在精細農業中的應用主要包括提高農機具作業定位精度、改善農業遙感影像解譯技術、更新農田基礎數據庫、促進農業機械與“3S”技術融合等。

具體應用于以下幾方面：（1）作物種植面積的估算與監測，作物覆蓋數據實時記錄，作物分類，各作物種植面積計算；（2）監測作物生長狀況，并據此估計作物產量（圖2）；（3）對作物的生長環境進行監測，如土壤狀況、病蟲災害等，實時調控，以保證作物產量。

圖2 利用RS 生成的某農田冬小麥小區單產空間分布圖[8]

3 GIS 的優勢及其在精細農業的應用

3.1 地理信息系統（GIS）

地理信息系統（GIS）利用計算機軟、硬件設備，對地球表層空間數據進行采集，并結合地理模型分析法對數據值進行處理。該系統的操作對象是空間數據，包含幾何數據、屬性數據、時間數據[9]。地理信息系統可以實現對地理數據的采集管理、空間屬性的的分析及顯示，其強大的圖形處理能力、地理空間分析能力以及空間模擬和決策能力可以提供實時的動態數據。

3.2 GIS 在精細農業中的應用

GIS 系統作為精細農業數據庫的管理者，起著大腦神經中樞的作用，用于管理農田環境狀況、土壤條件、作物生長情況與產量估算以及病蟲害發展趨勢等數據。在處方決策方面（圖3），GIS 可用來繪制各種產量圖、農田土壤信息圖、田間作物長勢圖等[10]；在農作物銷售流通方面，可以將GIS 與物流分析、車輛調派、路線規劃等技術相結合，以便農產品能更快速的抵達產品銷售區，保障產品質量；在農業生產資源環境監測方面，該系統可以匯集各類資源信息，建立應用資源模型，分析各類資源分布及使用狀態，便于更優決策的制定。

圖3 土壤理化性質處方分布圖[11]

43S 技術在精細農業中的綜合應用

“3S”技術是三大技術GPS、GIS、RS 技術的合稱。該技術已廣泛應用于水土流失調查、農田土地資源調查、自然災害監測與評估、精細農業作物產量監測與估算等領域[12]。將“3S”技術集成研究，是“3S”技術的最新發展方向。遙感技術的優點是可以快速獲取各類作物生長和地表生態環境的分布信息。GPS 的優點是提供準確的定位數據，而GIS 可以對采集到的數據信息進行管理和分析。集成是為了解決精細農業中信息處理的自動化問題，將空間信息學的研究大規模的投入生產使用，使空間信息的獲取處理到生成分析一體化[13]。

“3S”技術的整合，可以有效地管理各種農業資源的空間信息，發展科學的農業管理模式，監測農業資源和生產活動，將數據收集、分析、決策整合為一個共同的信息流，降低農業生產的成本，避免資源的浪費，提高農業生產效率，推動農業現代化的發展。

5 問題與對策

由于現有農業體制的局限性，技術裝備和相關人才的缺乏，中國的精細農業正處于研發階段。

（1）國內“3S”類產品在農業領域的生產應用還十分短缺，僅有少數GIS 設備可支持農業使用，且功能較為單一。不少發達國家已形成規模化的農用“3S”產品市場，為精細農業提供大量軟、硬件設備。生產者可根據自身農田需求，購買相應的生產與管理設備，并可以個性化定制。

（2）目前國內農戶所使用的農業定位設備大部分采用美國GPS 技術，與美國本土相比，國內的GPS 使用費用更高[14]，同時國外智能農機設備大多安裝有DGPS 系統以消除誤差，相較于國內擁有更高的定位精度。我國的北斗導航系統已進入二期使用階段，但投入農用領域作業仍處于研發階段，與此同時國內目前的農用定位設備價格較高，體積較大，不適用于便捷攜帶。

（3）我國農業正處在向現代化農業邁進的階段，還存在農民信息化意時淺薄、生產人員技術水平較低的問題。同時目前信息農業成本較高，農戶基本收入較低，無法承擔昂貴的儀器設備也是阻礙“3S”技術發展的因素。

6 結 語

中國是一個農業大國，但農業集約化水平較低，農業機械化的程度較差，隨著信息技術的快速發展，結合現代信息技術、工程設備技術、農業種植技術是精細農業的發展方向。“3S”技術作為精細農業的核心，我國在這一領域仍有許多技術難題等待解決。推進北斗導航系統農用化，發展精細農業物聯網化[15]，可最終實現傳統農業向綜合感知、高速傳輸、智能管理的現代農業轉變。