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聚焦農(nóng)業(yè)
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- 3S技術(shù)助推智慧農(nóng)業(yè)蓬勃發(fā)展發(fā)表日期：2017-06-20 來源：托普物聯(lián)網(wǎng) 瀏覽次數(shù)：4433次我國十分重視農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展，2005~2013年中央1號文件均提出要積極推進農(nóng)業(yè)信息化。加大農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新、加強農(nóng)業(yè)信息基礎(chǔ)建設(shè)、促進農(nóng)村信息化和發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)已成為我國新時期的重大歷史任務(wù)。隨著3S(Remote Sensing，RS，遙感；Geography Information System，GIS，地理信息系統(tǒng)；Global Positioning System，GPS，全球定位系統(tǒng))、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在加快向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，智慧農(nóng)業(yè)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)未來發(fā)展的趨勢。
一、RS技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用
RS技術(shù)是指以飛機、人造地球衛(wèi)星、航天飛機等為運載工具，通過其上安裝的探測儀器，獲取和記錄地球表面上物體或景觀的電磁輻射信息，并經(jīng)過信息的傳輸及處理，識別出地物或景觀的屬性、分布及其發(fā)展演化的規(guī)律，進而對地球的資源、環(huán)境等進行研究分析的綜合技術(shù)。農(nóng)業(yè)信息全面感知是智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，是整個智慧農(nóng)業(yè)鏈條上最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，RS技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中利用高分辨率傳感器，采集地面空間分布的地物光譜反射或輻射信息，在不同的作物生長期，實施全面監(jiān)測，根據(jù)光譜信息，進行空間定性、定位分析，為定位處方農(nóng)作提供大量的田間時空變化信息，RS技術(shù)是智慧農(nóng)業(yè)實現(xiàn)全面感知的核心技術(shù)之一。
土地資源信息感知是農(nóng)業(yè)信息感知中的重要組成部分，是智慧農(nóng)業(yè)實現(xiàn)的基礎(chǔ)保證。遙感具有采樣范圍大的特點，可以在較大范圍內(nèi)對農(nóng)業(yè)資源進行快速調(diào)查。而隨著遙感影像分辨率的不斷提高，農(nóng)業(yè)資源調(diào)查的精度也在不斷的提高。
不同的作物具有不同的光譜反射特性。不同的作物生長階段和環(huán)境的差異也會引起光譜反射特性的變化。作物長勢是作物生長發(fā)育狀況評價的綜合參數(shù)，長勢監(jiān)測是對作物苗情、生長狀況與變化的宏觀監(jiān)測。利用RS技術(shù)對作物生長的不同階段進行監(jiān)測，獲得不同時間序列的圖像，結(jié)合由物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)判定它的營養(yǎng)、水分狀況及生理狀況，自動進行液體肥料施肥、自動灌溉、自動降溫、自動噴藥等自動控制。
作物生態(tài)環(huán)境信息感知。對比于物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感節(jié)點，遙感可以在大范圍上把握農(nóng)作物的生態(tài)環(huán)境信息。應(yīng)用RS技術(shù)可以實時監(jiān)測土壤侵蝕面積、土地鹽堿化程度及其變化趨勢，也可以對土壤水分、養(yǎng)分和水體環(huán)境及水體污染等作物生態(tài)環(huán)境進行動態(tài)監(jiān)測。
作物產(chǎn)量估產(chǎn)。作物產(chǎn)量是重要的經(jīng)濟情報，因此每個國家都很重視作物產(chǎn)量的估算。生產(chǎn)者可以根據(jù)各種植被指數(shù)，如：比值植被指數(shù)（RVI）和歸一化植被指數(shù)（NDVI）等來估算農(nóng)作物產(chǎn)量，實施農(nóng)業(yè)宏觀調(diào)控。
災(zāi)害損失評估。氣候異常、極端天氣等自然災(zāi)害影響著作物的生長，RS技術(shù)可以監(jiān)測與定量評估作物受災(zāi)程度。利用RS技術(shù)提供的信息結(jié)合作物的生長日歷特點可以較準確的評估作物受災(zāi)害面積及程度，針對具體受災(zāi)情況，進行補種、澆水、施肥或排水等災(zāi)后生產(chǎn)自救措施，盡可能的減少損失。
二、GIS在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用
GIS是在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。由于物聯(lián)網(wǎng)和遙感技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的深化應(yīng)用，農(nóng)業(yè)信息具有了多種數(shù)據(jù)采集的手段和感知終端，所以智慧農(nóng)業(yè)龐大的數(shù)據(jù)集有著比以往更大的容量、更高的多樣性和復(fù)雜性。要想使這些大數(shù)據(jù)更好的服務(wù)于農(nóng)業(yè)，必須要從農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)產(chǎn)生、存儲、分析、管理等各個角度管理好這些大數(shù)據(jù)，因此農(nóng)業(yè)信息的智能處理與分析是智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)中需要解決的重要問題。GIS作為智慧農(nóng)業(yè)的核心組件，將RS、GPS、專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等組合起來，可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的存儲、分析和智能處理。
農(nóng)田信息可視化與專題圖制作。與一般的信息系統(tǒng)相比較，GIS具有空間信息可視化功能，它可將獲取的各種田間信息圖形化，繪制各種田間信息的空間分布圖，以二維平面、三維立體以及動態(tài)等方式形象展現(xiàn)，便于用戶直觀分析、查詢和統(tǒng)計。GIS具有制圖功能，它可以將各種專題要素地圖組合在一起，產(chǎn)生新的地圖，為智慧農(nóng)業(yè)信息提供一個直觀的展示平臺。
農(nóng)業(yè)信息空間分析與建模。農(nóng)業(yè)信息空間分析與建模是智慧農(nóng)業(yè)智能決策的技術(shù)基礎(chǔ)。GIS針對數(shù)據(jù)存儲格式的不同，提供了多種不同類型的空間分析方法。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域較為常用的空間分析方法包括空間插值、緩沖區(qū)分析、疊置分析、地形分析、流域分析以及空間統(tǒng)計分析。這些空間分析方法可以與各種專項模型相結(jié)合，進行農(nóng)業(yè)信息的預(yù)測、評估以及劃分等，為農(nóng)業(yè)決策提供實時、可靠和快速的依據(jù)。
田間管理智能決策。智能決策是農(nóng)業(yè)智慧化的關(guān)鍵，GIS能監(jiān)測農(nóng)田土壤養(yǎng)分、水分、蟲害等的變化情況，根據(jù)獲取的農(nóng)田信息的實際情況，繪制地形圖、農(nóng)田信息分布圖等，制定施肥、噴灑農(nóng)藥、灌溉等科學管理方案。
三、GPS在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用
GPS可以提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航、定位、定時服務(wù)。農(nóng)業(yè)信息空間和時間變化量的采集是實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵之一，GPS在智慧農(nóng)業(yè)中具有核心地位，其實時定位和精確定時功能可為智慧農(nóng)業(yè)提供實時、高效、準確的點位信息，從而實時地對農(nóng)田水分、肥力、雜草和病蟲害、作物苗情及產(chǎn)量等進行描述和跟蹤；為農(nóng)機作業(yè)提供高效導(dǎo)航信息，使農(nóng)業(yè)機械將作物需要的肥料送到準確的位置，將農(nóng)藥噴灑到準確位置。
空間和時間定位。智慧農(nóng)業(yè)中GPS主要用于定點定位，即測量指定點的經(jīng)度、緯度和高程，以確定其具體位置。如：用來確定田間地塊土壤信息采樣點位置，然后結(jié)合其土壤的含水量、氮、磷、鉀、有機質(zhì)、病蟲害等不同信息的分布情況，輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的灌溉、施肥、噴藥等田間操作。另外在翻耕機、播種機、田間取樣機、施肥噴藥機、收獲機等農(nóng)具上安裝GPS，可以精確指示機具所在位置坐標，對農(nóng)業(yè)機械田間作業(yè)和管理起導(dǎo)航作用，如行駛中如何轉(zhuǎn)向、何時轉(zhuǎn)向。
土地更新調(diào)查。GPS在土地數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用常常分為兩種情況：一是直接用GPS技術(shù)對土地空間數(shù)據(jù)作實時更新和采集；二是把GPS接收機的實時差分定位技術(shù)與地理信息系統(tǒng)的電子地圖相結(jié)合，組合成各種土地數(shù)據(jù)的野外測量系統(tǒng)；另外GPS還可以直接應(yīng)用土地空間數(shù)據(jù)的采集，提供輔助的定位數(shù)據(jù)，可大大提高成果數(shù)據(jù)的精度和應(yīng)用范圍。
監(jiān)測作物產(chǎn)量。結(jié)合GIS監(jiān)測作物產(chǎn)量，并繪制作物產(chǎn)量分布圖。在作物田間收割時，聯(lián)合收割機上裝有的GPS接收機記錄下該植株所處位置，利用產(chǎn)量監(jiān)測器記錄下植株產(chǎn)量，并通過計算機繪制出每塊土地的產(chǎn)量分布圖。
四、3S技術(shù)的集成應(yīng)用
RS具有周期性、大范圍、多時相、多波譜、高分辨率地獲取地面物體面狀信息的特點，可以獲取農(nóng)田作物的生長環(huán)境、生長狀況和空間變異的大量時空變化信息；GIS在存儲管理和分析處理空間點、線、面信息方面具有強大的空間與屬性信息一體化處理能力，可以建立農(nóng)田土地管理、自然條件、作物產(chǎn)量的空間分布等空間數(shù)據(jù)庫；GPS具有全球性、全天候、高精度實時動態(tài)地獲取全球范圍內(nèi)任意實體點、線信息的優(yōu)勢，可以準確獲取農(nóng)田信息并快速定位。在智慧農(nóng)業(yè)中，單純地運用RS、GIS與GPS中的某一種技術(shù)往往不能滿足需要，不能提供智慧農(nóng)業(yè)實施過程中所需要的對地測量、存儲管理、信息處理、分析模擬的綜合能力。將RS、GIS、GPS有機結(jié)合，構(gòu)成一個一體化信息獲取、處理、應(yīng)用的技術(shù)系統(tǒng)。在3S集成技術(shù)中，RS是GIS的一個重要數(shù)據(jù)源和強有力的數(shù)據(jù)更新手段，GIS作為一種空間數(shù)據(jù)管理、分析的有效技術(shù)，可以為RS提供各種有用的輔助信息和分析手段，而GPS則為RS、GIS系統(tǒng)中處理的空間數(shù)據(jù)獲得準確的空間遙感影像和輔助數(shù)據(jù)進行農(nóng)作物受洪澇災(zāi)害后的損失情況估測，并建立了相關(guān)模型，與基于NDVI方法的結(jié)果相比，該模型的準確率為66%，提高了32個百分點。
我國是一個農(nóng)業(yè)大國，各地區(qū)農(nóng)業(yè)資源條件差異顯著。智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)對我國農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收以及實現(xiàn)我國耕地總量動態(tài)平衡具有重要意義。隨著空間信息技術(shù)的日益發(fā)展和完善，3S技術(shù)作為智慧農(nóng)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)和核心將得到迅速發(fā)展，一方面智慧農(nóng)業(yè)的研究和建設(shè)為3S技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件，另一方面3S技術(shù)的發(fā)展為實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的全面感知和智能處理提供了技術(shù)支撐。目前3S技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了一定的成績，但是由于受現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)經(jīng)營體制限制，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠深入，具體應(yīng)用方案和技術(shù)還需要進行不斷地探索和研究。
