地理信息系统_GIS_的发展及在农业领域的应用现状与展望.pdf

农业环境科学学报2005 24 增刊 362 366 Journal of Agro Environm ent Science 地理信息系统 GIS 的发展及在农业领域的 应用现状与展望 王 璐 1 翟义欣 2 王 菲 1 1 农业部环境保护科研监测所 天津300191 2 中国农业大学资源与环境学院 北京100094 摘要 综述地理信息系统 GIS 的概念 功能和特征以及GIS的发展过程和应用领域 深入讨论了GIS在农业资源 调查与管理 农业区划 农业土地适宜性评价 农业生态环境研究 农业灾害预防 农作物估产及精确农业等方面的应 用现状 阐述了GIS在农业领域应用研究的重要性及在推广应用中的限制因素 并对GIS在农业领域未来的发展趋 势进行了展望 关键词 地理信息系统 GIS 农业应用 精确农业 3S技术 中图分类号 P208文献标识码 A文章编号 1672 2043 2005 增刊 0362 05 Development of Theory and Application i n Agriculture of GIS WANGLu1 ZHA I Yi xin2 WANG Fei 1 1 Agro Environmental Protection Institute ofMinistry of Agriculture Tianjin 300191 China 2 College of Resources and Environment China AgriculturalUniversity Beijing 100094 China Abstract The concept function and character of GISwere introduced and the application areas and development of GISwere summarized too The present situation of GIS application in agriculture including agricultural resource research and manage2 ment cropland regionalization assessment of land suitability agro environment investigation prediction of plant diseases estimation of crop yield and precision agriculture were reviewed Moreover the limit factors the new development trends and the importance of GIS application in agriculture were also discussed Keywords GIS application on agriculture precision agriculture 3S techniques 地理信息系统 Geographic Information Systems 简 称 GIS 萌芽于上世纪60年代初 加拿大的Roger F Tomlinson和美国的Duane F Marble在不同地方 从 不同角度提出了地理信息系统这一概念 它是一种 采集 存储 管理 分析 显示与应用整个或部分地球 表面与空间和地理分布有关的数据的计算机系统 是 分析和处理海量地理数据的通用技术 1 2 是一门集 计算机科学 地理学 测绘遥感学 环境科学 城市科 学 空间科学 信息科学和管理科学为一体的新兴边 缘学科 它以地理空间数据库为基础 采用地理模型 分析方法 适时提供多种空间的 动态的地理信息 为 收稿日期 2005 06 29 作者简介 王 璐 1981 男 吉林四平人 天津师范大学城市与环 境科学学院在读硕士 主要研究方向城市规划与土地管 理 E mail wyatheartwang 163 com 地理研究及地理决策服务 3 地理信息系统在最近 30多年内取得了惊人的进展 功能不断扩展完善 越 来越显示出强大的生命力以及非常广阔的应用前景 目前已被广泛应用于城市规划 交通运输 农业生产 自然资源调查 生态环境评估 公共设施管理等多个 领域 4 5 1地理信息系统概述 1 1组成 一个典型的地理信息系统包括3个基本部分 计 算机系统 地理数据库系统 应用人员与组织机 构 1 6 1 计算机系统 包括硬件系统和软件系统 其中 硬件系统主要用于存储 处理 输入输出数字地图及 数据 软件系统主要负责提供系统的各项操作与分析 功能 2 地理数据库系统 主要用于数据维护 操作和 查询检索 是GIS应用的重要资源和基础 3 系统的组织管理人员 包括系统的建设管理 人员和最终运行系统的用户 他们决定着系统的工作 方式和信息的表达方式 是GIS中最活跃 最重要的 部分 1 2功能 作为地理信息自动处理与分析系统 GIS的功能 覆盖了采集 分析 决策 应用的全过程 由于地 理信息系统发展的多源性 其功能具有可扩充性和应 用的广泛性 Mauguire等按照地理信息系统中数据 流程 将地理信息系统的功能分为5类10种 采 集 检验与编辑 格式化 转换 概化 存储与组 织 分析 显示 其中 分析功能中的空间分析与 模型分析功能称为地理信息系统高级功能 1 6 7 1 3特征 1 GIS在分析处理问题中使用了空间数据与属 性数据 并通过数据库管理系统将两者联系在一起共 同管理 分析和应用 从而提供了认识地理现象的一 种新的思维方式 2 以地理研究和地理决策为目的 以地理模型 方法为手段 具有区域空间分析和动态预测的能力 3 在计算机系统支持下 快速 精确 综合地进 行地理定位和过程的动态分析 完成空间地理数据管 理 分析 决策 4 实践证明 人的因素在地理信息系统的发展 过程中具有越来越重要的影响作用 GIS的许多应用 问题已经超出技术领域的范畴 1 6 2地理信息系统的发展与应用 2 1发展简史 从20世纪60年代初建立GIS概念迄今 概括起 来大致有以下几个阶段 1 7 9 1 起步阶段 20世纪60年代为GIS的起步阶 段 注重于空间数据的地学处理 在这个时期 主要 是由少数专家和政府左右着GIS的发展 2 发展成熟阶段 20世纪70至80年代是GIS 的发展时期 发达国家政府迫切需要应用GIS来解 决自然资源开发 国土规划及环境保护等领域日益严 重的各种问题 再加上计算机技术迅速发展 使得 GIS在这一时期取得了飞速发展 并且有商业化实用 系统进入市场 3 普及应用阶段 随着计算机技术的迅猛发展 和专业化人才的飞速增加 20世纪90年代 GIS已经 成为许多机构尤其是政府决策部门必备的工作系统 与此同时 社会对GIS的认识普遍提高 这也使得GIS 的应用更加扩大和深化 进入21世纪 随着GIS理 论 方法和技术的成熟 其应用更加普及 目前涉及的 领域已达100多个 并且从狭义的土地资源管理进入 了广义的地理空间性质的自然资源管理 城市规划 生态建设及环境保护等诸多社会领域 我国的地理信息系统出现于20世纪80年代初 从第七个五年计划开始进入发展阶段 20世纪90年 代起步入快速发展阶段 随着理论 方法和技术的迅 速发展 我国的GIS研究和应用正逐步形成独立的行 业 并具备了走向产业化的条件 2 2应用 近10年来 地理信息系统技术飞速发展 功能不 断完善 越来越显示出其应用领域的广泛 生命力的 强大以及应用前景的广阔 并成为地理学的 第三代 语言 2 GIS的应用已渗透到社会各个方面 涉及 到所有相关的空间信息领域 诸如农业 林业 水利 土地 资源环境等 具体应用包括自然资源管理 农 工商业布局 政治经济分析 城市土地规划 工程设计 管理以及科教文体 国防科技 金融交通 公共设施等 领域 详见表1 10 12 由于GIS集采集 存储 管理 分析信息于一体 具有图形 图象 声音 文字等多种表达能力 是一种 应用性极强的系统 迈入21世纪 数字地球 战略 计划将提到议事日程上来 而且国家可持续发展的实 际要求也越来越紧迫 地理信息系统的应用势必会日 益拓宽 迎来新一轮发展热潮 1 城市规划方面 城市规划本身需要收集 处 理 分析 展示大量与规划区域位置相关的空间和属 性信息 从最初就与信息系统和地图密切联系 13 因此 随着GIS飞速发展和广泛使用 GIS也越来越 多地应用到城市规划领域 并不断从政府规划管理向 教学科研及规划设计方面进行扩散 2 交通管理方面 交通阻塞对环境质量和居民 生活质量都会产生严重的影响 通过GIS 对城市交 通状况进行实时监测和客观评估 为管理者进行正确 决策提供客观依据 从而保证了及时排除交通堵塞 保证车辆畅通 14 3 自然资源管理方面 自然资源调查 区域环境 监测 生态环境综合分析以及国土整治规划等工作在 363 第24卷增刊农 业 环 境 科 学 学 报 表1GIS应用领域 Table 1The application areas of GIS 应用领域用途 城市规划与交通管理土地适宜性分析辅助规划方案制订 规划设计决策 规划管理查询 规划实施监督 交通网络建设 预测道路等级 路 线构造设计 运输车辆调度管理 事故因子分析等 自然资源管理自然资源调查 水土保持研究 矿产资源评估分析 生物多样性评估等 土地管理土地资源总量监测 土地资源分析评价 土地分级与地籍管理 国土整治与规划 土地利用与覆盖等 农业 林业农业区划调查 农作物估产 精确农业 植被覆盖调查核算 林业经营决策方案制订 森林火灾监测等 地质 地理区域地质调查 地质环境分析 地质制图系统分析 地壳稳定性评估等 环境保护生态环境综合分析 环境背景值调查研究 区域环境监测 水土气环境质量评价 沙尘暴灾害分析预测 自然保护区 规划管理等 气候变化与自然灾害气候变化分析与预测 自然要素环境变迁与动态因子分析 地震预报与灾情评估 洪涝干旱灾害分析 农业灾害控制 与预测等 社会经济与人文统计及商业 市场可行性分析 市场占有率分析 竞争分析 场点选择 需求预测 最优分布 市场监控等 GIS的技术支持下 一改传统方法转而利用高科技手 段 从而大大提高了效率和质量 并为对工作中取得 的海量数据进行进一步分析 评价提供了便捷条件 4 环境保护方面 目前 国内已有5万多种化学 危险品被广泛应用于工业 农业 科研和国防等领域 这些危险品在生产 储存 运输过程中随时可能发生 事故 仅2002年国家环保总局统计的环境污染与破 坏事故就达1 921起 直接经济损失高达4千余万 元 15 利用先进的计算机数据库系统和 GIS技术 以环境污染事故应急监测为工作主线 结合环境监测 日常工作管理需求建立起的环境事故应急监测技术 支持系统 完全有能力为环境事故应急监测提供直 接 快速 便捷 准确的技术支持 是事故处理真实 有 效的决策依据 16 3地理信息系统在农业领域的应用 农业生产系统是一个高度复杂的自然 社会复 合体系 对资源环境的信赖性较重 系统内各资源环 境要素及其相对应的社会经济状态既有垂直变化也 有水平差异 这也决定了其在时空中的复杂性和变异 性极强 传统数据管理系统和方法面对这一复杂系 统产生的海量数据 尤其是大量的空间信息数据 已 越来越显得 有心无力 而与此同时 GIS则凭借其 特有的空间信息管理与处理加工能力成为了农业现 代化及其可持续发展强有力的技术支持 在国外 20世纪70年代GIS开始应用于农业领 域 涉及土地资源调查 土地资源评价 农业资源信息 管理分析等方面 进入90年代 其应用不断深入和 普及 主要用于区域农业可持续发展研究 农作物种 植适宜性评价 农业生产信息管理 农田土壤侵蚀与 保护研究 农业生态环境监测 农业灾害控制与预防 以及集成现代高新技术的 精确农业 的研究与应用 等领域 80年代中期 我国开始将GIS应用于农业领域 从最初的国土资源决策管理 农业资源信息管理 区 域农业规划到现在的农作物估产研究 区域农业可持 续发展研究 农业生态环境监测 农业生产潜力研究 精确农业 等方面 都取得了很大成绩 其中部分研 究成果应用于农业生产 还获得了显著的经济效 益 7 3 1农业资源调查与管理 农业资源是人们从事农业生产或农业经济活动 所利用的各种物质与能量 农业资源调查就是针对 农业资源的属性进行清查 GIS建立这些属性的空 间和统计数据库 信息来源于土壤图 气候图 各种统 计报表等 GIS将图形与数据库有机结合 可实现农 业资源档案的计算机一体化 为农业资源自动化管理 服务 利用GIS建成的信息系统较传统的数据库管 理系统查询更科学 空间数据更及时 农业资源统计 表和图形的同时输出使得信息更直观 3 2进行农业区划 利用GIS进行农业区划 可以将现在的自然资 源 社会经济数据库与GIS结合 快速形成各种农业 区划统计图件 也可将遥感系统 RS 与GIS相结 合 利用RS的遥感结果 借助GIS的先进功能对不同 区划方案进行动态模拟与评价 编绘出各种综合评价 图 区划图等 直观定量地显示区划结果 3 3开展农业土地适宜性评价 农业土地适宜性评价是通过对农用土地自然属 性的综合鉴定 将农用土地按质量差异分级 以阐明 在一定科学技术水平下 农用土地在各种利用方式中 的优劣及对农作物的相对适宜程度 是农业土地利用 463 王 璐等 地理信息系统 GIS 的发展及在农业领域的应用现状与展望2005年9月 决策的一项重要基础性工作 2 利用 GIS进行土壤 适宜性评价就是将土壤类型 质地 有机质含量 氮磷 钾含量等土地空间和属性数据进行整合 依据各个因 素对作物生长的重要性赋予权重 在地理信息系统中 分析运算 生成土壤适宜性评价图 也可根据实际情 况建立数学模型 进行农业土地适宜性的单因素评价 和多因素综合评价 实现土地适宜性的分级 3 4开展农业生态环境研究 地理信息系统在农业生态环境研究中应用广泛 主要有环境监测 生态环境质量评价与环境影响评 价 环境预测规划与生态管理以及面源污染防治等 就环境监测而言 依据GIS的模型功能 结合环境监 测日常工作需求 建立农业生态环境模型 模拟区域 内农业生态环境的动态变化和发展趋势 为决策和管 理提供依据 就环境质量而言 由于污染源的区域性 污染物的流动性以及区域梯度变化 用GIS作为支持 系统可使环境质量评价结果更加科学和直观 3 5进行农业灾害预测与控制 利用遥感 GIS和计算机等技术对重大农业灾害 进行综合测评 为政府和有关机构提供及时有效 准 确可靠的决策信息 使减灾 防灾 救灾等有更充分的 科学依据 为农业生产和农村经济稳定发展提供有力 保证 对有灾害发生的区域 可以根据GIS空间信息 计算出的大致受灾面积 进而估算该区域的经济损 失 根据GIS的空间特性 对某一区域历史数据的演 变分析 对区域内灾害发生的基本规律 时空分布 危 害程度等进行综合评价和模拟 并对灾害发展趋势进 行预测 为防灾 减灾提供分析对策 3 6进行农作物估产与监测 农作物估产和监测对国家及时了解农作物产量 制定粮食进出口政策和价格至为重要 其内容主要 包括两方面 估算作物种植面积 由单产模型 长势遥 感监测来确定估产模式 科学 准确地估产 提供数 字化 图像化的农情 对政府进行科学 正确的决策具 有重要意义 目前 由 RS 遥感系统 GIS 地理信息 系统 GPS 全球定位系统 现代信息传输技术结合 构成的 3S 技术体系已被许多国家选用来进行农情 监测分析 我国农作物遥感估产现已发展到小麦 水 稻 玉米和牧草等多种农作物 2 3 7在精确农业中的应用 精确农业是指运用遥感 遥测 如气温 土壤温度 等的遥测 GPS 计算机网络 GIS等信息技术 土壤 快速分析技术 自动滴灌技术 自动耕作与收获技术 保存技术等定位到中 小尺度的农田 在微观尺度上 直接与农业生产活动和管理相结合的高新技术系 统 17 GIS在精确农业中的应用主要包括以下几个 方面 1 GIS是精确农业整个系统的承载动作平台和 基础 各种农业资源数据的流入 流出以及对信息的 决策 管理都要经过GIS来执行 2 GIS作为精确农业的核心组件 将 RS GPS 专家系统 决策支持系统等组合起来 起到 容器 的 作用 3 在精确农业中 GIS还用于各种农田土地数 据 如土壤 自然条件 作物苗情 产量等的管理与查 询 也能采集 编辑 统计 分析不同类型的空间数据 4 作物产量分布图等农业专题地图的绘制和分 析也都由GIS来完成 3 8在农业领域其他方面的应用 农业是与自然环境息息相关的产业 其中的很多 问题都涉及到空间问题 GIS作为解决空间问题的 有效工具 不仅在上述几个方面得到较深入的应用研 究 还渗透到农业领域的其他方面 如将GIS用于评 价农业化学品投入的效率 农业灌溉的空间预测 农 业非点源污染的模拟 农业小流域治理 农业气象服 务 农业生态规划等方面 4地理信息系统推广应用的限制因素 及未来的发展趋势 4 1推广应用的主要限制因素 1 软 硬件的不相适应性 新硬件开发和投入 使用速度很快 而软件系统开发费用高 周期长 这种 不平衡发展 使得在旧硬件基础上开发的GIS软件对 新硬件存在着某些不相适应性 从而一定程度上限制 了GIS的推广应用 2 信息数据更新迟缓 适时地更新数据是GIS 系统功能持续发挥的前提 但由于收集地理信息的成 本非常昂贵 往往使原有信息和数据不得不在GIS中 毫无变动地保持相当长时间 这就使得GIS失去了活 力 3 系统质量有待提高 理想的GIS系统是数据 存储 分析 显示功能的完美组合 但目前获得长足进 步的主要还在于地理信息的调查与采集 而利用GIS 进行复杂系统的模拟 分析还不成熟 4 2未来GIS的发展趋势 地理信息系统在农业生产 经营和管理决策的广 563 第24卷增刊农 业 环 境 科 学 学 报 泛应用与农业领域各学科的发展相辅相成 一方面 GIS的应用促进了学科的知识创新和理论深入研究 另一方面 各学科的不断发展又反过来促使GIS系统 不断完善 GIS作为一项具有广阔应用前景和强大 生命力的高新技术 未来在农业领域的发展趋势主要 有以下几个方面 1 3S RS GIS GPS 技术的集成成为一种必 然趋势 建立基于 3S 的空间决策支持系统 实现系 统各部分间利用管理一体化 实时化 空间化 基本 思想是由RS提供最新的图像信息 GPS提供精确的 空间信息 GIS为各种信息的存储 处理 分析和应用 提供技术支持 2 GIS与专家系统结合而成的智能 GIS系统将 成为未来解决农业领域空间复杂问题的重要途径 3 建立基于WebGIS的应用系统 WebGIS是 GIS与互联网的有机结合 是GIS在广域网环境下的 一种应用 最终目标是实现空间信息网络化 18 随 着Internet的发展 以网络为平台 采用分布式体系结 构的WebGIS系统将在全球范围内得到广泛应用 利用这种技术 人们可以浏览互联网上各种分布式 的 具有超媒体特性的地理空间和属性数据 实现空 间信息的查询 分析 从而辅助决策和管理 21世纪是一个信息时代 信息化落后的中国农 业面对着发达国家的强力挑战 尤其是在加入WTO 以后 情况变得更为艰巨 可以预见 GIS将以其特 有的存储 处理 传输空间信息的能力 担负起加速我 国农业快速走向现代化的重任 因此 深入开展地理 信息系统在农业领域的应用研究将是必然趋势 参考文献 1 陈述彭 鲁学军 周成虎 地理信息系统导论 M 北京 科学出版 社 2000 2 饶卫民 章家恩 肖红生 等 地理信息系统 GIS 在农业上的应用 现状概述 J 云南地理环境研究 2004 16 2 13 17 3 王永杰 高 骏 周振红 基于GIS的环境分析评价 J 华北水利 水电学院学报 2004 2