自然地理學(xué)前沿講座――基于GIS技術(shù)下的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

1、研究生課程論文封面課程名稱 自然地理學(xué)學(xué)科前沿講座開課時(shí)間學(xué)院 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院學(xué)科專業(yè) 自然地理學(xué)學(xué)號 2010210720 姓名 趙 婷學(xué)位類別 普通碩士任課教師交稿日期成績評閱日期評閱教師簽名浙江師范大學(xué)研究生學(xué) 自然地理學(xué)學(xué)科前沿講座報(bào)告基于地理信息系統(tǒng)下的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)“GIS”技術(shù)發(fā)展綜述GIS (Geographic Information System是20 世紀(jì)60 年代發(fā)展起來的一門介于地球科學(xué)、信息科學(xué)、空間科學(xué)之間的交叉科學(xué)。它以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ) ,在計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的支持下 ,對空間相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理、操作、分析、顯示并采用地理模型分析方法 ,適時(shí)提供各種空間的

2、動態(tài)的地理信息 ,為地理研究和決策服務(wù)建立起計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)1。對于社會各方面的發(fā)展具有重要的意義。1.GIS概念及功能1.1 GIS概念GIS( G eographic In formation System 即地理信息系統(tǒng) ,是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ) ,在計(jì)算機(jī)軟硬件的支持下 ,用于空間和地理有關(guān)的數(shù)據(jù)的采集、存儲、提取等。隨著其自身的不斷發(fā)展和應(yīng)用的日趨廣泛, GIS 的定義也各種各樣234, 其中比較準(zhǔn)確且被廣泛接受的表述為: GIS 是一個(gè)能用于進(jìn)行有效的搜集、儲存、更新、處理、分析和顯示所有形式之地理信息的計(jì)算機(jī)硬件、軟件、地理數(shù)據(jù)和有關(guān)人員(用戶的有機(jī)集合5。由此定義可知, GIS

3、 是一種工具, 但不僅僅是一個(gè)制作地圖的工具, 雖然它可以按不同的比例尺。用不同的顏色繪制地圖。1.2 GIS功能GIS是一個(gè)空間型的信息系統(tǒng),計(jì)算機(jī)支持是其重要的特征,在一系列輔助軟降和擴(kuò)展模型支持下,GIS具有采集、管理、分析和運(yùn)輸多種信息的能力?？梢酝瓿蓴?shù)據(jù)管理、分析與決策、區(qū)域空間分析和動態(tài)預(yù)測等工作,其輸入、管理和輸出的數(shù)據(jù)信息具有空間性和動態(tài)性5。如今GIS具有地圖型和空間定位的空間型數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)?？梢詫臻g信息數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像化輸出,形象表達(dá)只管,便于決策應(yīng)用。由于他綜合地圖、表格、圖形、圖像、文字、聲音和符號于一體,所以用GIS來管理各種類型的空間信息,相較于其它數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)更全面

4、、更方便、更實(shí)用、也更受歡迎。GIS 的功能模塊和運(yùn)作流程分別如圖2 和圖3 所示。 2. 國外研究進(jìn)展2.1 GIS發(fā)展歷程1963年 ,加拿大測量學(xué)家 R1F1Tomlison 博士提出把常規(guī)地圖變?yōu)閿?shù)字形式存入計(jì)算機(jī)的想法 ,并于 1965 年建立了世界上第一個(gè)地理信息系統(tǒng)加拿大地理信息系統(tǒng)(CGIS用于自然資源的管理和規(guī)劃6。隨后美國城市和區(qū)域信息系統(tǒng)協(xié)會(URISA 、周信息系統(tǒng)全國協(xié)會(NASIS相繼成立。而國際地理聯(lián)合會( IGU于 1968 年設(shè)立了地理數(shù)據(jù)收集和處理委員會(CGDSP ,這些組織為傳播 GIS知識和發(fā)展 GIS技術(shù)起了關(guān)鍵的作用7。經(jīng)過 30 多年的發(fā)展 ,G

5、IS技術(shù)不斷成熟 ,特別是 20 世紀(jì) 70 年代眾多商業(yè)機(jī)構(gòu)紛紛介入地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域 ,開發(fā)和研制了眾多地理信息系統(tǒng)軟件 ,推動了地理信息系統(tǒng)的發(fā)展,據(jù)統(tǒng)計(jì)在70 年代大約有300 多個(gè)GIS系統(tǒng)投入使用7。目前計(jì)算機(jī)和全球信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展,對GIS產(chǎn)生了巨大的沖擊,其間ComGIS(組件式GIS和WebGIS(萬維網(wǎng)GIS等新興技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生8。GIS技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。2.2 研究進(jìn)展20世紀(jì)60年代末期,地理信息系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)某些具體功能的軟件技術(shù)才有了較大進(jìn)展。首先,自動拓?fù)鋭?chuàng)建、多邊形拓?fù)溴e(cuò)誤檢測、矢量柵格轉(zhuǎn)換技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)方法的發(fā)展,開辟了分別處理屬性數(shù)據(jù)和圖形的新途徑

6、。其次,含有部分圖幅或?qū)傩詳?shù)據(jù)的單張與其他圖幅或部分在圖邊進(jìn)行自動拼接,使小型計(jì)算機(jī)能夠分塊處理較大空間范圍(或圖幅的數(shù)據(jù)文件,從而構(gòu)成一幅更大的圖幅圖件。又建立命令空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)屬性對線段再分解,對多邊形機(jī)型合并、分類,比例尺變換,面積量算,多邊形的疊加處理以及按屬性搜索,輸出表格和報(bào)告等功能。13在此期間,軟件主要針對當(dāng)時(shí)的主機(jī)和外設(shè)開發(fā),如馬里蘭大學(xué)的MANS,美國哈佛大學(xué)研究開發(fā)的Symap等軟件系統(tǒng),其中的算法總體而言比較粗糙,圖形功能有限。3 GIS技術(shù)在中國的發(fā)展3.1 GIS發(fā)展階段在我國GIS發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段:準(zhǔn)備階段(1978-1980,主要開始了輿論準(zhǔn)備

7、、人才準(zhǔn)備和單個(gè)的實(shí)驗(yàn)。起步階段(1980-1985,這期間主要在技術(shù)引進(jìn)、理論探討、規(guī)范研究、區(qū)域試驗(yàn)、軟件開發(fā)、系統(tǒng)試建、人才培訓(xùn)和局部應(yīng)用等方面積累一定的經(jīng)驗(yàn)。發(fā)展階段(1985-1995,該階段我國地理信息系統(tǒng)開始有組織、有計(jì)劃、有明確的公關(guān)目標(biāo),逐步縮短和拉平了和國際先進(jìn)水平的差距。產(chǎn)業(yè)化階段(1996-至今GIS在支援農(nóng)業(yè)、美化城市、開發(fā)海洋、保護(hù)環(huán)境和減緩全球變化等方面正在發(fā)揮更大的作用。預(yù)計(jì)在21世紀(jì)第二個(gè)十年,我國GIS事業(yè)將會有更快、更大的發(fā)展,形成產(chǎn)業(yè)、進(jìn)入市場14。80年代為GIS技術(shù)大發(fā)展時(shí)期,注重于空間決策支持分析。GIS的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大,從資源管理、環(huán)境規(guī)劃到應(yīng)

8、急反應(yīng),從商業(yè)服務(wù)區(qū)劃分到政治選舉分區(qū)等,包括了許多的學(xué)科與領(lǐng)域,如古人類學(xué)、景觀生態(tài)規(guī)劃、森林管理、土木工程以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等,并在進(jìn)一步發(fā)展。許多國家制定了本國的GIS發(fā)展規(guī)劃,啟動了若干科研項(xiàng)目,建立了一些政府性、學(xué)術(shù)性機(jī)構(gòu)。如中國于1985年成立了資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,商業(yè)性的咨詢公司、軟件制造商出現(xiàn),并提供系列專業(yè)化服務(wù)。這個(gè)時(shí)期最顯著的特點(diǎn)是:商業(yè)化實(shí)用系統(tǒng)進(jìn)入市場15。3.2 GIS研究進(jìn)展1983年成立了資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家規(guī)范研究組,并開始開展工作,1987年中國科學(xué)院成立了資源與環(huán)境信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室,同時(shí)引進(jìn)一系列GIS軟件,分布于地理、測繪、環(huán)境、能源等部門的高

9、校和科研部門16。1994 年4月25 日中國地理信息系統(tǒng)協(xié)會( GIS 協(xié)會在北京成立。在國家科技攻關(guān)的支持下,國產(chǎn)地理信息系統(tǒng)軟件產(chǎn)品和軟件產(chǎn)業(yè)取得了長足的進(jìn)步。在地理信息系統(tǒng)軟件平臺方面, 已經(jīng)研制開發(fā)成功二個(gè)成熟的基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品和一個(gè)應(yīng)用開發(fā)平臺,在市場上占有一定的份額,有相當(dāng)?shù)闹?。例?基礎(chǔ)軟件Map GIS可對數(shù)字、文字、地圖、遙感圖像、GPS定位數(shù)據(jù)等多源地學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的采集和一體化管理、綜合空間分析和可視化表示,已經(jīng)形成了一個(gè)完整、成熟的地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件17。整體水平與國外同類軟件相當(dāng)。又如,基礎(chǔ)軟件Geo Star 具有面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)管理,包括數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、處理

10、、查詢、分析、制圖等功能18。它的DEM 處理能力,在精度方面已經(jīng)超過國外同類優(yōu)秀軟件,在我國1 :1 萬七大江河流域DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)上發(fā)揮了重要的作用。除了基礎(chǔ)軟件以外, AMP FM應(yīng)用開發(fā)平臺Grow具有大數(shù)據(jù)量管理和高效的實(shí)時(shí)三維顯示、具備動態(tài)拓?fù)鋵?shí)時(shí)重構(gòu)、面向?qū)ο蠼！⒅С志W(wǎng)絡(luò)浮動用戶管理與設(shè)備全生命周期管理、與實(shí)時(shí)通信底層緊密耦合等AMP FM領(lǐng)域特殊要求的功能,可以在廣域環(huán)境中組織多級分布式多用戶協(xié)同工作18 ,整體技術(shù)上達(dá)到國際先進(jìn)水平。在空間數(shù)據(jù)獲取和加工生產(chǎn)方面,數(shù)據(jù)加工軟件Geo Way、EPS2000 系列和數(shù)字正射影像處理軟件Photo Mapper 等支持地圖掃描數(shù)字

11、化、野外直接采集數(shù)字化地理數(shù)據(jù)、利用衛(wèi)星和航空遙感圖像生產(chǎn)數(shù)字正射影像圖,形成了完整的空間數(shù)據(jù)采集、加工生產(chǎn)平臺19 ,基本上占領(lǐng)了我國空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)方面的地理信息系統(tǒng)軟件市場。在地圖出版領(lǐng)域,國產(chǎn)地圖出版軟件“方正智繪”和Map CAD在功能和性能上已經(jīng)超過了國外同類軟件,牢牢地占據(jù)了國內(nèi)工程地圖出版市場。此外,在地理信息系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面, 國產(chǎn)軟件已經(jīng)填補(bǔ)了國內(nèi)在這一領(lǐng)域的空白。已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)地理信息發(fā)布、交通旅游、房地產(chǎn)銷售和物流配送等方面,在奧運(yùn)申辦、數(shù)字北京、昆明世博會等工作中產(chǎn)生了很大的影響。4. 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)核心,應(yīng)用該系統(tǒng)可以將土地邊界、土壤類型、

12、灌水系統(tǒng)、歷年的土壤測試結(jié)果、化肥和農(nóng)藥等使用情況以及歷年產(chǎn)量結(jié)果做成各自的地理信息圖管理起來20。通過對歷年產(chǎn)量圖的分析,看出田間產(chǎn)量變異情況,找出低產(chǎn)區(qū)域,然后通過產(chǎn)量圖與其它因素圖層的比較分析,找出影響產(chǎn)量的主要限制因素,在此基礎(chǔ)上制定出該地塊的優(yōu)化管理信息系統(tǒng),指導(dǎo)當(dāng)年的播種、施肥、除草、病蟲害防治、灌水等管理措施。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(Precision Farming,Precision Agriculture, Cyberfarm是基于信息高科技的集約化農(nóng)業(yè)21。是在空間遙感技術(shù)(RS、動態(tài)定位技術(shù)(GPS、地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS、計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能和現(xiàn)

13、代農(nóng)業(yè)機(jī)具等高科技與地理學(xué)、農(nóng)學(xué)、生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)綜合集成的支持下,以農(nóng)田為單位的將農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境條件和農(nóng)作物產(chǎn)量的時(shí)空差異,采取按需變量投入,耕作管理定位實(shí)施的方法,從而達(dá)到投入合理、污染最小、收益最大的目的。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是基于農(nóng)田內(nèi)部生態(tài)環(huán)境的多樣性和特定農(nóng)田上作物管理所需方法的多變性這一概念的,其核心是將科學(xué)的精確引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)22,這就區(qū)別于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)操作。對于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)來說,每塊農(nóng)田都是按照一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)去作業(yè)的。然而精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)研究發(fā)展的,是在農(nóng)田中及時(shí)獲取作物生長環(huán)境和產(chǎn)量的實(shí)際分布的空間差異性,并對這種差異性進(jìn)行調(diào)控23。靜兒對不同農(nóng)田、不同作物、不同長勢等作出其中各異的作業(yè)方案,進(jìn)而達(dá)

14、到因地制宜,因物制宜的目的。原理上講,精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)主要由三個(gè)部分組成,即空間數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析與決策和變率處理設(shè)備(VRT24。而關(guān)鍵就是農(nóng)業(yè)多維信息的動態(tài)獲取、智能化數(shù)據(jù)分析和農(nóng)業(yè)電子地圖快速制作及其一體化集成技術(shù)等地理信息技術(shù)。因?yàn)榫珳?zhǔn)農(nóng)業(yè)工程最終目標(biāo)是由計(jì)算機(jī)控制農(nóng)業(yè)機(jī)具進(jìn)行自動操作,而精確變率施肥、播種、灌溉、噴藥等農(nóng)事操作是在農(nóng)業(yè)信息動態(tài)獲取,適時(shí)處理與快速制圖的基礎(chǔ)上所產(chǎn)生的新信息的指導(dǎo)下完成的。5. GIS技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)踐中,GIS技術(shù)主要用于建立農(nóng)田土地管理、土壤墑情、自然條件、生產(chǎn)條件、作物苗情、病蟲草害等的發(fā)展趨勢等的空間信息數(shù)據(jù)給庫,進(jìn)而進(jìn)行空間信息的地理

15、統(tǒng)計(jì)處理、圖形轉(zhuǎn)換和表達(dá)等25,這樣就為分析差異性和實(shí)施調(diào)控提供處理解決方案和數(shù)據(jù)依據(jù)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是由信息技術(shù)支持的根據(jù)空間變異,定位、定時(shí)、定量地實(shí)施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng),在根據(jù)作物生長的土壤性狀,調(diào)節(jié)對作物的投入26。一方面查清田塊內(nèi)部的土壤性狀與生產(chǎn)力空間變異,另一方面確定農(nóng)作物的生產(chǎn)目標(biāo),進(jìn)行定位的“系統(tǒng)診斷、優(yōu)化配方、技術(shù)組裝、科學(xué)管理”,調(diào)動土壤生產(chǎn)力,以最節(jié)省的投入達(dá)到同等收入或更高的收入,并改善環(huán)境,高效利用各類農(nóng)業(yè)資源,取得經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中,地理信息系統(tǒng)可以應(yīng)用于繪制作物產(chǎn)量分布圖和進(jìn)行農(nóng)業(yè)專題地圖分析。通過地理信息系統(tǒng)提供的覆合疊加功能,將不同

16、農(nóng)業(yè)專題數(shù)據(jù)組合在一起,形成新的數(shù)據(jù)集27。利用GIS技術(shù)與遙感技術(shù)的結(jié)合,在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中廣泛推廣,為實(shí)現(xiàn)大面積干旱實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的動態(tài)監(jiān)測提供了全新前景。由此可見一套客觀、動態(tài)、實(shí)時(shí)的作物干旱監(jiān)測方法，有助于采取積極有效的防旱抗旱 措施。陳懷亮等基于 GIS 采用掃描、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化、建立數(shù)據(jù)庫等方法，將遙感資料和地 形圖、土壤圖、年降水量圖、年平均氣溫圖、政區(qū)圖等圖件集成起來，進(jìn)行了監(jiān)測區(qū)分層， 根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測和抽樣調(diào)查資料確定了各層的小麥長勢遙感監(jiān)測指標(biāo)， 并通過剔除常年非麥象 元和分層解譯小麥長勢，遙感監(jiān)測精度平均可提高幾倍左右，初步實(shí)現(xiàn)了 GIS 和 RS 的集成 28 應(yīng)用 。在灌溉系統(tǒng)

17、中的實(shí)施方案中，GIS 技術(shù)能夠科學(xué)預(yù)測灌區(qū)用水需求、優(yōu)化水資源 29 配給，對于實(shí)現(xiàn)適時(shí)、適量灌溉，節(jié)約水資源等方面都具有重要的意義 。 用于變量施肥的決策支持系統(tǒng)， 同時(shí)也能夠處理與分析作物生長環(huán)境參數(shù)的空間分布和 作物產(chǎn)量的空間分布等信息， 并能夠生成相應(yīng)的分布圖和變量施肥處方圖。 這不同于傳統(tǒng)的 30 農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)以及單純的農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng) 。我國利用 GIS 對華北平原的小麥、東 北地區(qū)的玉米、太湖地區(qū)和江漢平原的水稻農(nóng)作物生長期、抽穗期、成熟期進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測、 評估， 評估準(zhǔn)確率高 。 此外， 將 GIS 技術(shù)引入作物如小麥、 水稻的時(shí)空分布特征研究19， 能定量、直觀地表達(dá)小麥

18、、水稻產(chǎn)量空間變化。 32 6基于 GIS 技術(shù)下中國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向 在 GIS 技術(shù)的支持下，并且結(jié)合 RS 和 GPS 技術(shù)，支持農(nóng)業(yè)發(fā)展。并且做到以下幾點(diǎn)。 33 一是實(shí)施精準(zhǔn)灌溉、施肥,提高水資源和化肥的利用率 。我國是個(gè)貧水和水資源浪費(fèi) 嚴(yán)重的國家,農(nóng)田灌溉水的有效利用率只有 45%。因此提高田間水分利用率是我國農(nóng)業(yè)資源 利用的重要方向。我國的化肥利用率也相當(dāng)?shù)?僅為 30%40%,氮肥損失率高達(dá) 70%80%,浪 費(fèi)十分嚴(yán)重,還造成環(huán)境污染。 實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè),根據(jù)田間土壤養(yǎng)分的變異,精確施肥,將會大大節(jié) 省肥的用量,減少投入。 二是加強(qiáng)基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)庫建設(shè)。做好精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)資料收集、信息格式標(biāo)準(zhǔn)化工作,充分利 用多年來建立的一些數(shù)據(jù)資料,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資料的共享,建立以農(nóng)業(yè)地理信息為平臺的農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 管理數(shù)據(jù)庫。同時(shí)利用“3S”技術(shù)進(jìn)行長期監(jiān)測建立區(qū)域農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析研究，從而得出一些結(jié)論，應(yīng)用到農(nóng)業(yè)操作上。 三是開發(fā)合適的農(nóng)業(yè)管理決策支持系統(tǒng)。 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理決策支持系統(tǒng)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的大腦, 好的決策支持系統(tǒng)能夠獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益和最小的環(huán)境污染。 需要利用計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的 支持。 四是加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)信息服務(wù)平臺的開發(fā)。