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1、基于3S技术的精准农业概要摘要：精准农业是在信息技术发展的基础上，以地理信息系统(GIs)、全球定位系统(GPS)、遥感技术(RS)和计算机自动控制技术为核心技术引发的一场新农业技术革命，其目标在于改善农业生产过程的科学管理、资源的高效利用和环境保护效益，实施精准农业不仅具有重要的经济效益，而且具有显著的社会效益和生态效益。关键词：3S技术，精准农业，应对措施农业信息化是21世纪全球性农业潮流，是农业现代化的根本标志与重要保证。充分利用信息技术等高新技术发展现代化农业，已成为全球农业发展的热点与新的增长点。而传统农业采用统一的耕作、播种、施肥、喷药等农艺措施对耕地进行生产管理，存在农业生产成本
2、高、作物产量和经济效益低以及污染环境等诸多问题。精准农业 ”是农业工程类专业的一门特色课程。农业的发展呼唤新的农业技术革命，农业现代化建设需要高新技术的支持。随着全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、变量处理设备(VRT)和决策支持系统(DSS)等技术的发展，精细农业作为基于信息高科技的集约化农业应运而生，并成为农业可持续发展的热门领域，其应用理论和实践的研究将有力地促进我国农业现代化的发展。精准农业的目标在于改善农业生产过程的科学管理、资源的高效利用和环境保护效益，实施精准农业不仅具有重要的经济效益，而且具有显著的社会效益和生态效益。1 精准农业1 精准农业(Prec
3、ision Agriculture，Precision Farming，Precision Crop Management)又称精细农业、精确农业、精准农作和处方农作，是一个综合性的复杂系统，是实现农业低耗、高效、优质、安全的重要途径，是二十一世纪全球农业科技革命的方向。精准农业是指在地学空间和信息技术支撑下的集约化和信息化的农业技术2，3-4。精准农业是在现代信息技术、生物技术、工程技术等一系列高新技术最新成就的基础上发展起来的一种重要的现代农业生产形式，其核心技术是地理信息系统、全球定位系统、遥感技术和计算机自动控制技术5-6。所以，精准农业是将遥感、地理信息系统、全球定位系统、计算机技术
4、、通讯和网络技术、自动化技术等高新技术与地理学、农学、生态学、植物生理学、土壤学等基础学科有机地结合起来，实现在农业生产过程中对农作物、土壤从宏观到微观的实时监测，生成动态空间信息系统，对农业生产中的现象进行模拟，达到合理利用农业资源，改善生态环境，提高农作物产品和质量的目的。实施精准农业是促进农业可持续发展的有效途径，必将对我国农业生产产生重大影响。精准农业也称“数字农业”2，3S技术是精准农业的技术支柱，实现精细农业是“3S”技术的农业应用的目标之一。2 3S技术简介2.1 全球定位系统(GPS) 全球定位系统GPS是英文Navigation atellite Timing and Ran
5、ging/Global Positioning System的字头缩写词NAVSTA/GPS的简称。它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，GPS是当前最先进的精密卫星导航定位系统7。全球定位系统是20世纪80年代发展起来、90年代建成的卫星导航和定位系统。全球定位系统由3部分构成: 地面控制部分, 由主控站、地面天线、监测站和通讯辅助系统组成; 空间部分, 由24颗卫星组成,分布在6个道平面上; 用户装置部分, 由GPS 接收机和卫星天线组成。GPS 不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力, 还具有良好的抗干扰性和保密性。为了提高精度, 目前广泛采用了DGPS 技术, 即所谓“差
6、分校正全球卫星定位技术”。它的特点是定位精度高, 根据不同的目的可自由选择不同精度的GPS 系统8。 全球定位系统适用于精准农业技术措施实施的全过程，数据采集、农业技术措施的制定、实施等均与定位导航系统联系在一起。定位导航系统可帮助农民准确的识别和记录农田中拖拉机、联合收割机、田间调查装备或车辆的位置9。地面定位方法较多，其中之一是全球卫星定位系统，由于全球卫星定位系统的民用，使精准农业技术的实施变成了现实10。2.2 地理信息系统(GIS) 地理信息系统GIS (Geographic Information System ) 是集计算机科学、地理学、环境科学、信息科学和管理科学为一体的新兴学
7、科, 其利用计算机技术管理空间、地理分布数据, 进行一系列空间的操作和动态分析, 以提供所需要信息和规划设计方案8。 地理信息系统是一种特定而又非常重要的空间信息系统，它是以采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统2 。通过现代通讯技术使GIS进一步与信息高速公路相联，借助现代通讯技术，可以将RS、GPS和GIS有机地集成，使之成为众多行业包括精准农业强有力技术手段。地理信息系统GIs可以被用于农田土地数据管理，查询土壤、自然条件、作物苗情、病虫灾害、作物产量等数据，并能够方便地绘制各种农业专题地图，也能采集、编辑、统计分析不同类
8、型的空间数据，通过GIS提供的覆合叠加功能将不同农业专题数据组合在一起，形成新的数据集1。 例如，将土壤类型、地形、作物覆盖数据采用覆合叠加，建立三者在空间上的联系，可以很容易分析出土壤类型、地形、作物覆盖之间的关系3。2.3 遥感系统(RS) 遥感技术(Remote sensing)属于非接触性传感技术，指的是从不同高度的平台上使用不同的传感器，收集地球表层各类地物的电磁波信息，并对这些信息进行分析处理，提取各类地物特征，以探求和识别各类地物的综合技术。它是精准农业田间信息获取的关键技术，通过不同波段的反射光谱分析，可提供农田小区内作物生长环境、生长状况，并能实时地反馈到计算机中，帮助了解地
9、块内土壤和作物的空间变异情况，以便进行科学管理和决策11。遥感系统RS (Remote Sensing System ) 是指从远距离高空及外空间的遥感平台, 利用可见光、红外、微波等电磁波探测仪器扫描、摄影和信息感应,把获取的信息传输到地面, 从而研究地面物体的形状、大小、位置、温度、状态等。遥感系统主要由以下4 部分组成。信息源。信息源是遥感需要对其探测的目标物。信息获取。信息获取是指运用遥感技术装备接受、记录目标物电磁波特性的探测过程。信息获取主要包括遥感平台和遥感器, 其中遥感平台是用来搭载传感器的运载工具, 常用的有车载, 手提, 气球、飞机和人造卫星等; 遥感器是用来探测目标物电磁
10、波特性的仪器设备, 常用的有照相机、扫描仪和成像雷达等。信息处理。信息处理是指运用光学仪器和计算机设备对所获取的遥感信息校正、分析和解译处理的技术过程, 从遥感信息中识别并提取所需的有用信息。信息处理设备包括彩色合成仪、图像判读仪和数字图像处理机等。信息应用。信息应用是指专业人员按不同的目的将遥感信息应用于各业务领域的使用过程8。3. 精准农业在国内外的我发展概况3.1 国外精准农业的发展概况12 美国是精准农业发展最早的国家，于20世纪80年代初提出精准农业的理念和设想，20世纪90年代初进人生产实际应用，部分技术和设备已经成熟和成型，且取得了很大经济效益，但尚未形成系统，仍处于研究发展阶段
11、13。1993- 1994 年，美国在阿华达州的两个农场开展了精准农业试验, 利用GPS 技术指导变量施肥, 结果产量比传统均衡施肥提高30%。这一试验减少了化肥用量, 大大提高了经济效益, 使得GPS 在精准农业实践中得到迅速推广8。1993年美国开始试行精准农业模式，目前美国的20的耕地、80的大农场都已实行精准农业操作，将在2010年前得到普及。1996年，北美约19的300 hm2以上的规模化农场已经利用GPS，目前已有2 000台联合收割机安装了产量传感器。近两年来欧美等若干国家已开始对玉米、甜菜、土豆、甘蔗、棉花等联合收割机产量传感器的研究，以及小麦精密播种机、自动施肥机、可控喷水
12、量的喷灌机等均有商品化生产4。精准农业是在发达国家大规模经营和机械化操作条件下发展起来的，目前已在世界许多国家展开了研究和应用实践。例如，英国、德国、荷兰、法国、加拿大、澳大利亚、巴西、意大利、俄罗斯等国家都有开展精准农业研究和应用的报道14，相比之下美、英等国以施肥上的应用最为成熟，而精准农业技术除美国和加拿大进入商业用途外，其他国家仍处于研究示范试验过程中，还没有真正进入推广阶段，主要原因可能是其关键技术开发尚未在实用价值上产生突破，信息采集技术以及费用比较昂贵等；日本、韩国等国家近年来也加快开展了精准农业的研究工作，其中日本开展的研究项目重点着眼于传感和控制等有关农业机械化。总之，目前国
13、际上对精准农业技术的发展潜力及应用前景有了广泛共识，将其作为发展农业高新技术应用的重要内容，称其为可持续发展农业的重要途径。 目前，国外发达国家的精准农业研究也已用于林业生产，但是对土壤信息研究较多1，主要涉及到施肥、精量播种、病虫害防治、收获作业和水分管理等有关领域。例如，国外现已出现基于GIS的农田决策地理信息系统，其将专家系统与地理信息系统结合，实现农田的可视化管理、空间精确决策15。此外，荷兰的无土栽培切花生产、日本的水培蔬菜生产、美国的生菜生产线、欧共体国家和北美国家的计算机管理奶牛场等均已基本实现了精准化16，且精准化生产的农产品产量高、质量优。3.2 国内精准农业的发展概况精准农
14、业是农业科技革命的重要成果和农业知识创新工程的重要部分，近年来由发达国家逐步推广到发展中国家。我国是较早将GIS 技术应用用精准农业领域的国家之一,我国是一个农业大国，精准农业作为一项新生技术，直到20世纪90年代国内才开始了精准农业方面的研究17， 如1992 年北京市在顺义地区1. 5万km 2范围内开展了利用GPS 导航喷洒农药防治小麦蚜虫的示范研究, 经过3 a 攻关, 在指导大面积防治小麦蚜虫上获得成功, 实践表明, 利用卫星导航飞机防治小麦蚜虫, 无漏喷、重喷现象, 农药雾滴均匀, 灭蚜达到90% 以上18。1997 年辽宁省用GIS 进行了辽河平原农业生态管理的应用研究; 吉林省
15、结合本省农业信息网开发了“万维网地理信息系统”； 北京密云县完成了以GIS技术建立的县级农业资源管理信息系统19,21。并先后在北京、上海、陕西、黑龙江、新疆等地建立起一定规模的实验区，以探索我国精准农业之路，有效地促进了我国对精准农业技术的吸收和研究。由于我国幅员辽阔，地理环境千差万别，地区经济发展不平衡，特别是农业生产的规模化和标准化程度仍很低，国内精准农业技术的研究和应用总体上仍处于起步阶段，但已引起各方面重视22。例如，2002年国家科技部批准在北京农业科学院成立“国家农业信息化工程技术研究中心”，中国农业大学成立“精确农业研究中心”。中国农业科学院土壤肥料研究所成立“信息农业研究室”
16、，浙江大学成立“农业信息科学与技术中心”。国家在863计划中已列入精准农业的内容，国家计委和北京市政府共同出资在北京搞精准农业示范区。20002003年我国在北京昌平区建成北京小汤山国家精准农业示范基地22。截至目前，中国科学院、中国农业科学院、中国农业大学、北京市农林科学院、上海农科院、上海气象局等单位都对精准农业展开了研究，已在北京、河北、山东、上海、新疆等地建立了多个精准农业试验示范区。总体上，国内精准农业仍处于试验示范阶段和孕育发展过程，有些方面还是空白。在技术水平、经营管理和经济效益等方面，我国的精准农业与发达国家相比仍存在很大差距，而且还面l临技术支持不足、信息收集系统不全、专家系统未完善、精准程度不高、应用条件不成熟等现状。 2011年4月10日，中国第八颗北斗导航卫星成
