淺析3S技術在精準農業中的應用及發展前景

郭銹

摘 要：當今世界，現代農業發展正逐步向精準農業邁進，我國作為農業大國，在農業建設和發展中也在不斷加強高新技術的應用。本文著重從3S技術體系及其在農業生產領域的應用現狀進行介紹，并對未來發展前景進行展望。

關鍵詞：精準農業;3S技術;應用

中圖分類號：S-1 ? ? ? 文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200930013

農業是國民經濟的基礎，隨著信息技術等高新技術的快速發展，農業信息化已然成為現代農業發展的趨勢，統一耕種、播種、施肥、收獲的傳統農業正逐步向定量化、定位化和高新技術的精準農業轉變。

1 精準農業

精準農業也被稱為因地制宜農業（Site Specific Farming）、處方農業（Prescription Farming），是廣泛應用現代科學技術、現代工業提供的生產資料和科學管理方法進行的社會化農業，是基于作物和資源環境的時空差異性，以最小投入、最大收益和最小環境危害為目標，以管理信息系統（MIS）、計算機技術、多媒體技術和大規模存儲技術為基礎，以3S技術為核心，以網絡為紐帶，將海量的農業信息應用于農業生產實行處方作業的一種新興的農業發展模式。精準農業的實施，不僅可以最大限度地提高農業生產力，穩增農村經濟效益，更重要的是可以推動傳統農業向高質量、高產量、低消耗、環保的可持續發展目標轉變。精準農業首先在美國地區提出，雖然我國起步較晚，但隨著信息技術水平的提升，我國農業生產現代化發展速度也在逐步加快。

2 3S技術

3S技術即指遙感技術（Remote Sensing，RS）、全球定位系統技術（Global Positioning System，GPS）和地理信息系統技術（Geographic Information System，GIS），是目前對地觀測系統中空間信息獲取、存貯、管理、更新、分析和應用的3大支撐技術。3S技術綜合汲取RS、GIS、GPS的特點，開啟了農業發展的信息化數字時代，各“S”各司其職，既獨立又統一，GPS負責精準定位，RS負責收集數據及監控，GIS充當最終的“大腦”對信息進行空間管理和快速分析。

2.1 遙感技術（RS）

遙感一詞來自英語Remote Sensing，即“遙遠的感知”，即不與探測目標接觸，從遠處把目標的電磁波特性記錄下來，通過分析揭示出物體的特征性質及其變化的綜合性探測技術。“遙感”一詞是20世紀60—70年代由美國地理學家艾弗林·普魯伊特提出的，其起初僅應用于軍事領域，到了20世紀80年代，該技術逐漸開始在農業生產領域中推廣，其在有效提高農業生產效率的同時，還能通過分析農業氣象大幅度降低氣象災害對農業生產的影響。

2.2 全球定位系統（GPS）

全球定位系統于20世紀70年代由美國開發，最早也是出于軍事目的，主要為美國海、陸、空3軍提供全天候和全球性的導航與情報收集服務。是由地面控制系統、空間和用戶裝置等組成的空間衛星導航定位系統，可以全天候對目標進行定位及導航處理，具有精密度高、抗干擾能力好、保密性強、定位速度快等特點。

2.3 地理信息系統（GIS）

地理信息系統是20世紀60年代中期開始逐漸發展起來的一門新技術，與遙感技術、全球定位系統幾乎同步發展，是一種將地理現象信息采集、存儲、管理、分析和顯示的綜合系統，可以稱為3S技術的“中樞神經”。在高速網絡下，地理信息系統可以實現數據資源的及時更新與共享，搭配專業的農業專家系統，通過數據的比對、分析，即可建立起各種專業的農業產業模型，有助于決策者快速分析區域空間差異，從而提出科學“處方”。

3 3S技術在精準農業中的應用

在遙感、全球定位系統和地理信息系統3大技術支持下，精準農業可以對農作物進行抽樣調查，獲取作物生長的各種影響因素信息（如土壤結構、含水量、地形、病蟲害等）。通過比對農業小區內作物的產量，獲取農業生產過程中存在的空間和時間差異性信息，分析產生小區產量差異的原因，進而根據每個地塊的農業資源特點，因地制宜地實施微觀調控，在現代化和機械化的精耕細作下，實現高效益農業經濟。

3.1 RS在精準農業中的應用

3.1.1 農作物長勢監測及產量估算

農作物在不同的生長發育時期，其外部形態和內部結構都具有一定的周期性和差別性變化，并且對于不同的作物，發育期和長勢也不盡相同，不同農作物、不同時期的光譜反射率也不同。農作物的葉面指數（LAI）可以表征農作物長勢，而葉面指數與生物產量之間又存在良好的線性關系，利用這一特性可以通過測定葉面指數來監測農作物的長勢，并進行產量估算。借助遙感技術形成的影像圖集，可以對農作物估算產量和實際產量進行對比，依據出現的偏差以及偏差程度進行優化，優化后的模型可以快速高效地對農作物生長情況和產量進行估測。

3.1.2 農作物播種面積監測及估算

根據不同的輻射光譜，分析多光譜影像呈現出的不同顏色，能夠區分不同的農作物。搭載遙感器的衛星或飛機在田地上空飛行時，可以準確迅速地獲取某類農作物的具體播種面積，通過對這些數據和分布圖的分析處理，即可估算出該類農作物的播種面積。在估算的過程中，也可以很大程度上避免個別區域對播種面積的數據造假。

3.1.3 農作物災害監測

農作物葉面指數（LAI）和葉綠素含量（CHL.C）的高低能夠反映植物的生長狀況，同時也可以作為監測植物是否處于受脅迫或被外界環境因子干擾的指標。當農作物發生病蟲害時，植物葉片的葉面指數及葉綠素含量都會降低，利用遙感技術對數據進行采集并與正常植物的波段進行比對，能夠以此判斷出農作物的受災害程度。據了解，全世界每年約有20%～40%的糧食被病蟲害侵蝕，我國也是農業病蟲害頻發、廣發的國家，借助遙感技術不僅可以實現快速、動態、無損、大面積地農作物病蟲監測，結合其它自然災害模型，還能對農業生產過程中的旱災、洪澇、凍害等發生、發展、災情、損失等進行有效監測。

3.2 GPS在精準農業中的應用

GPS可持續、實時地向用戶提供精準的三維位置、三維速度和時間信息，在精準農業中主要應用于智能化農業機械作業中。為了提高精度，精準農業廣泛采用了DGPS（Differential Global Positioning System）技術，即“差分校正全球衛星定位技術”，這類產品定位精度一般可達分米和米級。將GPS接收機與農田機械相結合，可以實現精確定位、田間作業自動導航和測量地形起伏狀況的功能。

3.2.1 地質測繪

GPS在使用過程中受地形的影響很小，精度又高，可以利用這一特性在農業機械田間作業時對所屬地形進行精準測繪，并對地形地勢準確分析，有助于后續的一系列田間耕作。

3.2.2 土壤養分分布調查

結合采樣車輛在農作物播種前對農田中的土壤進行采樣，GPS接收機通過將采集的土壤樣品點位置精準定位并錄入計算機，即可得到土壤樣品點位分布情況，有助于對不同地區、土壤差別和土壤中的結構進行比對分析，從而實現對微量元素與有機化肥的科學配比。

3.2.3 精準施肥、灌溉及耕作

依據農田土壤養分含量分布情況實現農作物施肥的科學配比，搭配GPS接收機的噴施器即可實現田間精確施肥。同樣，利用GPS動態定位及GIS的系統命令，結合其它農業機械作業，可在田間作業時實現精準灌溉以及精準耕作。如，歐美一些國家在收割機上安裝DGPS和GIS，通過DGPS進行精準定位和高度測量，利用GIS記錄和顯示收割機的當前位置、農田單位面積產量和地面地形起伏情況。

3.3 GIS在精準農業中的應用

GIS作為精準農業的主導部分，是3S體系的“大管家”，可以用于農田土地數據管理，對土壤、自然條件、作物苗情、作物產量等情況實時查詢，并以此快速繪制各種農業專題地圖，同時還能對不同類型的空間數據進行采集、編輯及統計分析。

3.3.1 農業空間數據管理

GIS是空間數據的管理系統，是對農業采集數據進行存貯和管理的空間信息系統，可以用于農田數據管理，即可遠程實現對土壤狀況、自然條件、作物長勢、產量等數據的查詢。如，歐美國家在使用安裝DGPS和GIS的新型收割機進行農間收割作業時，實時記錄收割機的位置，并依據產量計量系統自動稱出農作物的重量，糧倉中農作物流入速度和流出的總量也可通過量儀器隨時測出，這些數據能實現實時記錄并傳遞給收割機操控室。

3.3.2 農業專題地圖分析

依據采集的各種離散農業空間數據、GPS傳感器的數學計算，形成各種類型的農業專題地圖，再利用GIS復合疊加功能將不同的專題數據進行組合，形成新的數據集以便于綜合分析。如，對土壤類型、水分分布、地形、農作物覆蓋面積等進行專題數據采集，并將這些不同類型的點、線、面進行空間重疊，建立不同數據在空間上的聯系，有助于決策者數字化和可視化分析。

4 3S技術在精準農業應用中面臨的問題與解決途徑 ?我國雖是農業大國，但并不是農業經濟強國，我國人均可耕地面積少、資源利用率低、自然災害頻繁，受農業信息化發展進程的制約，我國3S技術在20世紀70年代末才開始應用于農業領域。而美國是最早在收割機上安裝全球定位系統的國家，德國農業生產中計算機網絡的使用率已超過了90%。相較于發達國家，我國3S技術在精準農業上應用的廣度跟深度還有一定差距。

4.1 農業規模化經營

受家庭聯產承包責任制制約，目前我國的農業生產大多是每家每戶“各自為政”，難以形成規模，先進的大型農業機械設施難以推廣，不利于3S技術對農業生產的有效管理。這就需要加快農業生產轉型升級，推進農村土地流轉，放大生產單位，實現農業規模化、集約化、高效化經營。

4.2 優化3S技術集成

相較于發達國家，我國高新農業機械設備比較少、使用率低，3S技術與高新農業機械設備結合不緊密，且3S技術在農業領域一體化集成程度不高，如空間坐標不統一、數據時間線不一致、受制于計算機硬件等原因，3S技術在應用過程中大部分停留在各“S”之間的功能互補，難以形成高度自動化、實時化、智能化的3S系統。因此，要進一步加強農業信息化建設，加大3S技術研究資金投入及高新農業機械設備投入，注重3S技術集成與農業相銜接，促進農業建設發展。

4.3 注重專業人才培養

遙感技術、地理信息系統及全球定位系統都是高科技手段，需要專業性的人才進行操作，但我國目前從事農業生產的相關人員中這類專業人才少之又少，難以將此項技術推廣到基層農民手中。所以，要加大3S技術在農業領域應用的廣度，就必須注重相關人才的培養，要加強與高校、科研機構的合作，壯大農業專業人才隊伍。

5 前景展望

在信息化時代，精準農業代表著農業發展的方向，而3S技術作為精準農業的基石，是目前世界上公認的一項高新技術，對于推動我國農業高質量發展，實現現代農業強國這一目標具有重要意義。雖然目前我國在3S技術發展和農業應用上還有不足，但隨著科學技術和經濟的高速發展，3S技術必然能夠克服各種障礙，助力于提升我國農業生產潛力，優化農業產業結構，有效緩解資源短缺困境，最終實現高質量、高產量、低消耗、環保的農業可持續發展目標。

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（責任編輯 ?賈燦）