自然地理学前沿讲座――基于GIS技术下的精准农业

1、研究生课程论文封面课程名称 自然地理学学科前沿讲座开课时间学院 地理与环境科学学院学科专业 自然地理学学号 2010210720 姓名 赵 婷学位类别 普通硕士任课教师交稿日期成绩评阅日期评阅教师签名浙江师范大学研究生学 自然地理学学科前沿讲座报告基于地理信息系统下的精准农业“GIS”技术发展综述GIS (Geographic Information System是20 世纪60 年代发展起来的一门介于地球科学、信息科学、空间科学之间的交叉科学。它以地理空间数据库为基础 ,在计算机软硬件技术的支持下 ,对空间相关的数据进行采集、管理、操作、分析、显示并采用地理模型分析方法 ,适时提供各种空间的

2、动态的地理信息 ,为地理研究和决策服务建立起计算机技术系统1。对于社会各方面的发展具有重要的意义。1.GIS概念及功能1.1 GIS概念GIS( G eographic In formation System 即地理信息系统 ,是以地理空间数据库为基础 ,在计算机软硬件的支持下 ,用于空间和地理有关的数据的采集、存储、提取等。随着其自身的不断发展和应用的日趋广泛, GIS 的定义也各种各样234, 其中比较准确且被广泛接受的表述为: GIS 是一个能用于进行有效的搜集、储存、更新、处理、分析和显示所有形式之地理信息的计算机硬件、软件、地理数据和有关人员(用户的有机集合5。由此定义可知, GIS

3、 是一种工具, 但不仅仅是一个制作地图的工具, 虽然它可以按不同的比例尺。用不同的颜色绘制地图。1.2 GIS功能GIS是一个空间型的信息系统,计算机支持是其重要的特征,在一系列辅助软降和扩展模型支持下,GIS具有采集、管理、分析和运输多种信息的能力。可以完成数据管理、分析与决策、区域空间分析和动态预测等工作,其输入、管理和输出的数据信息具有空间性和动态性5。如今GIS具有地图型和空间定位的空间型数据管理系统。可以对空间信息数据进行图像化输出,形象表达只管,便于决策应用。由于他综合地图、表格、图形、图像、文字、声音和符号于一体,所以用GIS来管理各种类型的空间信息,相较于其它数据管理系统更全面

4、、更方便、更实用、也更受欢迎。GIS 的功能模块和运作流程分别如图2 和图3 所示。 2. 国外研究进展2.1 GIS发展历程1963年 ,加拿大测量学家 R1F1Tomlison 博士提出把常规地图变为数字形式存入计算机的想法 ,并于 1965 年建立了世界上第一个地理信息系统加拿大地理信息系统(CGIS用于自然资源的管理和规划6。随后美国城市和区域信息系统协会(URISA 、周信息系统全国协会(NASIS相继成立。而国际地理联合会( IGU于 1968 年设立了地理数据收集和处理委员会(CGDSP ,这些组织为传播 GIS知识和发展 GIS技术起了关键的作用7。经过 30 多年的发展 ,G

5、IS技术不断成熟 ,特别是 20 世纪 70 年代众多商业机构纷纷介入地理信息系统领域 ,开发和研制了众多地理信息系统软件 ,推动了地理信息系统的发展,据统计在70 年代大约有300 多个GIS系统投入使用7。目前计算机和全球信息网络技术飞速发展,对GIS产生了巨大的冲击,其间ComGIS(组件式GIS和WebGIS(万维网GIS等新兴技术应运而生8。GIS技术的发展进入了一个崭新的时代。2.2 研究进展20世纪60年代末期,地理信息系统中实现某些具体功能的软件技术才有了较大进展。首先,自动拓扑创建、多边形拓扑错误检测、矢量栅格转换技术等关键技术方法的发展,开辟了分别处理属性数据和图形的新途径

6、。其次,含有部分图幅或属性数据的单张与其他图幅或部分在图边进行自动拼接,使小型计算机能够分块处理较大空间范围(或图幅的数据文件,从而构成一幅更大的图幅图件。又建立命令空间数据管理系统,为了实现根据属性对线段再分解,对多边形机型合并、分类,比例尺变换,面积量算,多边形的叠加处理以及按属性搜索,输出表格和报告等功能。13在此期间,软件主要针对当时的主机和外设开发,如马里兰大学的MANS,美国哈佛大学研究开发的Symap等软件系统,其中的算法总体而言比较粗糙,图形功能有限。3 GIS技术在中国的发展3.1 GIS发展阶段在我国GIS发展经历了四个阶段:准备阶段(1978-1980,主要开始了舆论准备

7、、人才准备和单个的实验。起步阶段(1980-1985,这期间主要在技术引进、理论探讨、规范研究、区域试验、软件开发、系统试建、人才培训和局部应用等方面积累一定的经验。发展阶段(1985-1995,该阶段我国地理信息系统开始有组织、有计划、有明确的公关目标,逐步缩短和拉平了和国际先进水平的差距。产业化阶段(1996-至今GIS在支援农业、美化城市、开发海洋、保护环境和减缓全球变化等方面正在发挥更大的作用。预计在21世纪第二个十年,我国GIS事业将会有更快、更大的发展,形成产业、进入市场14。80年代为GIS技术大发展时期,注重于空间决策支持分析。GIS的应用领域迅速扩大,从资源管理、环境规划到应

8、急反应,从商业服务区划分到政治选举分区等,包括了许多的学科与领域,如古人类学、景观生态规划、森林管理、土木工程以及计算机科学等,并在进一步发展。许多国家制定了本国的GIS发展规划,启动了若干科研项目,建立了一些政府性、学术性机构。如中国于1985年成立了资源与环境信息系统国家重点实验室,商业性的咨询公司、软件制造商出现,并提供系列专业化服务。这个时期最显著的特点是:商业化实用系统进入市场15。3.2 GIS研究进展1983年成立了资源与环境信息系统国家规范研究组,并开始开展工作,1987年中国科学院成立了资源与环境信息系统实验室,同时引进一系列GIS软件,分布于地理、测绘、环境、能源等部门的高

9、校和科研部门16。1994 年4月25 日中国地理信息系统协会( GIS 协会在北京成立。在国家科技攻关的支持下,国产地理信息系统软件产品和软件产业取得了长足的进步。在地理信息系统软件平台方面, 已经研制开发成功二个成熟的基础软件产品和一个应用开发平台,在市场上占有一定的份额,有相当的知名度。例如,基础软件Map GIS可对数字、文字、地图、遥感图像、GPS定位数据等多源地学数据进行有效的采集和一体化管理、综合空间分析和可视化表示,已经形成了一个完整、成熟的地理信息系统基础软件17。整体水平与国外同类软件相当。又如,基础软件Geo Star 具有面向对象的空间数据管理,包括数据采集、转换、处理

10、、查询、分析、制图等功能18。它的DEM 处理能力,在精度方面已经超过国外同类优秀软件,在我国1 :1 万七大江河流域DEM数据生产上发挥了重要的作用。除了基础软件以外, AMP FM应用开发平台Grow具有大数据量管理和高效的实时三维显示、具备动态拓扑实时重构、面向对象建模、支持网络浮动用户管理与设备全生命周期管理、与实时通信底层紧密耦合等AMP FM领域特殊要求的功能,可以在广域环境中组织多级分布式多用户协同工作18 ,整体技术上达到国际先进水平。在空间数据获取和加工生产方面,数据加工软件Geo Way、EPS2000 系列和数字正射影像处理软件Photo Mapper 等支持地图扫描数字

11、化、野外直接采集数字化地理数据、利用卫星和航空遥感图像生产数字正射影像图,形成了完整的空间数据采集、加工生产平台19 ,基本上占领了我国空间数据生产方面的地理信息系统软件市场。在地图出版领域,国产地图出版软件“方正智绘”和Map CAD在功能和性能上已经超过了国外同类软件,牢牢地占据了国内工程地图出版市场。此外,在地理信息系统互联网应用方面, 国产软件已经填补了国内在这一领域的空白。已经广泛地应用于国内地理信息发布、交通旅游、房地产销售和物流配送等方面,在奥运申办、数字北京、昆明世博会等工作中产生了很大的影响。4. 精准农业地理信息系统是精准农业的技术核心,应用该系统可以将土地边界、土壤类型、

12、灌水系统、历年的土壤测试结果、化肥和农药等使用情况以及历年产量结果做成各自的地理信息图管理起来20。通过对历年产量图的分析,看出田间产量变异情况,找出低产区域,然后通过产量图与其它因素图层的比较分析,找出影响产量的主要限制因素,在此基础上制定出该地块的优化管理信息系统,指导当年的播种、施肥、除草、病虫害防治、灌水等管理措施。对农业生产具有重要的意义。精准农业(Precision Farming,Precision Agriculture, Cyberfarm是基于信息高科技的集约化农业21。是在空间遥感技术(RS、动态定位技术(GPS、地理信息系统技术(GIS、计算机及其网络技术、人工智能和现

13、代农业机具等高科技与地理学、农学、生态学、土壤学等基础科学综合集成的支持下,以农田为单位的将农业生态环境条件和农作物产量的时空差异,采取按需变量投入,耕作管理定位实施的方法,从而达到投入合理、污染最小、收益最大的目的。精准农业是基于农田内部生态环境的多样性和特定农田上作物管理所需方法的多变性这一概念的,其核心是将科学的精确引入农业生产22,这就区别于传统农业操作。对于传统农业来说,每块农田都是按照一个标准去作业的。然而精准农业技术研究发展的,是在农田中及时获取作物生长环境和产量的实际分布的空间差异性,并对这种差异性进行调控23。静儿对不同农田、不同作物、不同长势等作出其中各异的作业方案,进而达

14、到因地制宜,因物制宜的目的。原理上讲,精准农业主要由三个部分组成,即空间数据收集、数据分析与决策和变率处理设备(VRT24。而关键就是农业多维信息的动态获取、智能化数据分析和农业电子地图快速制作及其一体化集成技术等地理信息技术。因为精准农业工程最终目标是由计算机控制农业机具进行自动操作,而精确变率施肥、播种、灌溉、喷药等农事操作是在农业信息动态获取,适时处理与快速制图的基础上所产生的新信息的指导下完成的。5. GIS技术在精准农业中的应用在精准农业实践中,GIS技术主要用于建立农田土地管理、土壤墒情、自然条件、生产条件、作物苗情、病虫草害等的发展趋势等的空间信息数据给库,进而进行空间信息的地理

15、统计处理、图形转换和表达等25,这样就为分析差异性和实施调控提供处理解决方案和数据依据。精准农业是由信息技术支持的根据空间变异,定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统,在根据作物生长的土壤性状,调节对作物的投入26。一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异,另一方面确定农作物的生产目标,进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”,调动土壤生产力,以最节省的投入达到同等收入或更高的收入,并改善环境,高效利用各类农业资源,取得经济效益和环境效益。在精准农业中,地理信息系统可以应用于绘制作物产量分布图和进行农业专题地图分析。通过地理信息系统提供的覆合叠加功能,将不同

16、农业专题数据组合在一起,形成新的数据集27。利用GIS技术与遥感技术的结合,在生态环境监测中广泛推广,为实现大面积干旱实时、准确的动态监测提供了全新前景。由此可见一套客观、动态、实时的作物干旱监测方法，有助于采取积极有效的防旱抗旱 措施。陈怀亮等基于 GIS 采用扫描、数据格式转化、建立数据库等方法，将遥感资料和地 形图、土壤图、年降水量图、年平均气温图、政区图等图件集成起来，进行了监测区分层， 根据系统监测和抽样调查资料确定了各层的小麦长势遥感监测指标， 并通过剔除常年非麦象 元和分层解译小麦长势，遥感监测精度平均可提高几倍左右，初步实现了 GIS 和 RS 的集成 28 应用 。在灌溉系统

17、中的实施方案中，GIS 技术能够科学预测灌区用水需求、优化水资源 29 配给，对于实现适时、适量灌溉，节约水资源等方面都具有重要的意义 。 用于变量施肥的决策支持系统， 同时也能够处理与分析作物生长环境参数的空间分布和 作物产量的空间分布等信息， 并能够生成相应的分布图和变量施肥处方图。 这不同于传统的 30 农业决策支持系统以及单纯的农业地理信息系统 。我国利用 GIS 对华北平原的小麦、东 北地区的玉米、太湖地区和江汉平原的水稻农作物生长期、抽穗期、成熟期进行动态监测、 评估， 评估准确率高 。 此外， 将 GIS 技术引入作物如小麦、 水稻的时空分布特征研究19， 能定量、直观地表达小麦

18、、水稻产量空间变化。 32 6基于 GIS 技术下中国精准农业的发展方向 在 GIS 技术的支持下，并且结合 RS 和 GPS 技术，支持农业发展。并且做到以下几点。 33 一是实施精准灌溉、施肥,提高水资源和化肥的利用率 。我国是个贫水和水资源浪费 严重的国家,农田灌溉水的有效利用率只有 45%。因此提高田间水分利用率是我国农业资源 利用的重要方向。我国的化肥利用率也相当低,仅为 30%40%,氮肥损失率高达 70%80%,浪 费十分严重,还造成环境污染。 实施精准农业,根据田间土壤养分的变异,精确施肥,将会大大节 省肥的用量,减少投入。 二是加强基础资料数据库建设。做好精准农业资料收集、信息格式标准化工作,充分利 用多年来建立的一些数据资料,实现数据资料的共享,建立以农业地理信息为平台的农业生产 管理数据库。同时利用“3S”技术进行长期监测建立区域农业数据库，并对这些数据进行分 析研究，从而得出一些结论，应用到农业操作上。 三是开发合适的农业管理决策支持系统。 精准农业管理决策支持系统是精准农业的大脑, 好的决策支持系统能够获得最大的经济效益和最小的环境污染。 需要利用计算机软件系统的 支持。 四是加强网络农业信息服务平台的开发。