GIS在农业领域中的应用

SichuanAgriculturalUniversity“211工程”重点建设高校3S技术理论与应用课程论文综述GIS在农业领域中的应用专业：农业信息化2013学号：S20136101姓名：周利军1GIS在农业领域中的应用近年来“精准农业”的大力发展，也大大促进了农业科技的发展。能相应调整种子、化肥、农药等物资的投入，达到减少投入、增加收入、保护农业生态环境的目的。“精确农业”的辅助系统有全球卫星定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感系统（RS）。GIS技术是近几年被国内外各行业广泛应用的技术，也是世界各国竞争激烈的高科技热点之一。GIS在农业上有应用价值的技术主要包括空间数据存贮与图形表达、空间分析技术、空间定位与检索技术。尤其是GIS、RS和GPS三者集成利用，取长补短，三者之间的相互作用形成了“一个大脑，两只眼睛”的框架，即RS和GPS向GIS提供或更新区域信息以及空间定位，GIS进行相应的空间分析，以从RS和GPS提供的浩如烟海的数据中提取有用信息，并进行综合集成，使之成为决策的科学依据。构成为整体的、实时的和动态的对地观测、分析和应用的运行系统，提高了GIS的应用效率。GIS即地理信息系统（GeographicInformationSystem），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，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。它具有数据采集与编辑、属性数据编辑与分析、空间数据库管理、制图、空间分析、拓扑查询、叠置分析、地学分析等多种功能，是当今世界发展最快，应用广泛的系统。经过半个世纪的发展，GIS理论与技术已经相当成熟，并得到了广泛的应用。在资源管理、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、交通运输、水利水电森林牧业等领域，GIS的作用与贡献十分显著。当然作为重要生产部门的农业部门，GIS发挥的作用更是不可小觑。GIS在农业领域的应用主要体现在一下几个方面，GIS农业灾害预测与控制中的应用；GIS技术在水土保持中的应用；GIS农业资源调查和管理中的应用；GIS开展农业适应性评价中的应用；GIS开展农业生态环境研究中应用；GIS在农业气候区划中的应用；GIS在农作物估产与检测中的应用；GIS自动农作物种植应用。1国外研究进展GIS是六十年代中期开始发展起来的新技术，最初只为解决地理问题。1963年加拿大测量学家RogerTomlinson首先提出了地理信息系统这一术语，并建成世界上第一个GIS(加拿大地理信息系统CGIS)[1]。从20世纪60到70年代，美国、加拿大、欧盟等一些发达国家，开始将3S技术应用于资源调查、墒情监测、农作物分类、生产监测、产量预测、农业灾害监测与荒漠化防治等农业领域，实现了农业信息的快速、准确采集和处理，为农业规划、管理和决策提供了科学依据。80年代，计算机网络技术促进了地理信息产业的形成。目前GIS已被成功地应用到了资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域的规划、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等多个领域[2]。目前，美国的农业是机械化、自动化、遥感遥测、计算机网络为一体的现代化农业，已形成了庞大、完整、健全的农业信息化制度和体系，对信息资源的管理日趋完善，使农业信息化达到更高层次的科学、协调和效率的新水平。美国的农业科研服务体系非常完备，提供农业信息服务的商业化系统近300家。美国农业信息化大致经历了三个发展阶段[3][4]：20世纪50-60年代，计算机主要应用于农业科学技术；70年代主要用于数据处理和数据库的开发;80年代后，应用重点是知识处理、农业决策支持与自动化控制的研究与开发。美国最著名的农业数据库是美国国家农业图书馆和美国农业部共同开发的AGRICOLA，它存有杂志、论文、政府出版物、技术报告等。由联合国粮农组织生产的AGRJS，存有10万份以上的农业科技参考资料。美国开发的COMA/GOSSYM棉花生产管理信息系统是可以3S技术理论与应用——GIS在农业领域中的应用2履行人类专家智能做出决策的计算机系统，具有决策准确，工作可靠等特点，极大地提高了农业生产管理水平。美国还建有60万个植物资源样品信息数据库系统，可用计算机和电话进行存取。1994年的美国洛杉矶大地震，就是利用ARC/INFO进行灾后应急响应决策支持，成为大都市利用GIS技术建立防震减灾系统的成功范例[1]。美国的D.Z.suiandR.C.Maggio讨论了GIS与水文模型整合过程中的问题及该方法的应用前景[5]。美国的LoukasG.Arvanitis提出了一种整合GIS.GPS和数据库的概念模型[6]。美国的ShreeS.Nath应用地理信息系统来进行水产业空间决策分析[7]。美国、日本、荷兰、澳大利亚、德国、以色列、英国、法国、韩国等国家在建设农业新管理系统方面也都取得很大的成绩。1996年，日本农林水产省提出的农业信息化战略中，明确要求大力开发和普及农业经营管理决策支持系统。在农业信息系统方面，也开发了为农业生产服务的农耕土地资源信息系统(ALRS)，它包括了土壤信息系统、作物栽培试验信息系统、农业气象信息系统等子系统[8]。遥感(RS)与地理信息系统(GIS)技术引入农业领域，可以有效地管理具有空间属性的各种农业资源信息，对农业管理和实践模式进行快速和重复的分析测试，便于制定决策，进行科学评价，有效地对多时期的农业资源及农业生产活动变化进行动态监测和分析比较，可将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，明显地提高工作效率和经济效益。RS与GIS技术在农业领域的应用主要有以下六个方面:(1)、农业资源清查、核算、评估与监测:RS/GIS强大的图形分析与制作功能，可编绘出土地利用现状图、植被分布图、地形地貌图、水系图、气候图、交通规划图等一系列社会经济指标统计图，也可进行多种专题图的重叠而获得综合信息，实现对具有时空变化特点的农业资源存量和价值量的测算以及资源现状、潜力和质量的客观评估，从而真实反映农业资源状况，为科学利用和管理农业资源提供强有力的决策依据。(2)、农业区划:RS/GIS通过构建区划模型，在GIS系统中进行不同区划方案间过程动态模拟与评价，可使农业区划从野外调查、资料收集、信息处理、计算模拟、目标决策、规划成图到监督实施全过程实现现代化。(3)、土地资源与土地利用研究:RS/GIS系统能方便获取资源数量和质量变化，提供研究区域土地面积、上壤特性、地形、地貌、水文、植被及社会、经济、自然环境的真实信息，直观反映土地利用现状、利用条件、开发利用特点和动态变化规律。(4)、作物估产与长势监测:RS多时相影像信息，可反映出宏观植被生长发育节律特征;GIS可通过对各种数据信息空间分析，识别作物类型，统计量算播种面积，分析作物生长过程中自身态势和生长环境的变化，构建不同条件下作物生长模型和多种估产模式，根据各种模型预估作物产量。美国于1975-1979年完成了大面积作物清查验(LACI计划)，并在国内推行以Landsat的TM资料为基础的面积框图抽样遥感估产取得成功。(5)、农业灾害预警及应急反应:借助RS/GIS系统，可追踪害虫群集密集、飞行状况、生活习性及迁移方向等，通过GIS分析处理，可给出农作物病虫害发生图、分布图及可能蔓延区图，为防虫治害提供及时、准确、直观的决策依据。另外，可实现洪涝灾、旱灾、水土污染等农业重大灾害预测预报、灾情演变趋势模拟和灾情变化动态、灾情损失估算等，为防灾、抗灾、救灾预警及应急措施提供准确的决策信息。(6)、农业环境监测和管理利用RS/GIS，能够对农业资源环境质量变化进行动态监测，及时发现情况进行预警;能够建立农业资源环境空间数据库，管理、分析和处理环境数据，高效汇总、汲取有用的决策信息;能够建立若干环境污染模型，模拟区域农业资源环境污染演变状况及发展趋势。目前，国外研究的重点转向知识的处理以及网络技术的应用。研究主要集中在四个方面;一是数据库与网络。目前国际上普遍采用的方法是将各种农业信息加工成数据库并建3S技术理论与应用——GIS在农业领域中的应用3立农业数据库系统。预计农业信息数据库将向多元化、全球化、商品化和多媒体化发展。此外，国外信息网络正在迅速向农村延伸和普及。二是精准农业。其发源于美国，是信息技术与农业生产全面结合的一种新型农业，是21世纪农业的发展方向。主要有全球定位系统、农田遥感监测系统等10多个系统组成，其中遥感技术己被欧洲、美国、日本等国家广泛应用于农业资源调查、农业生态环境评价、农林牧灾害监测等方面。三是专家系统。20世纪80年代中叶以来，美国、日本、英国、荷兰等国相继在作物栽培、畜禽饲养、农业效益分析等方面研制出不少专家系统。从开发总量看，美国占近80%。研究重点是:建立模型以描述农业生产中非结构化、非系统化的知识，最终建立以主要农作物、畜禽、水产为对象的生产全程管理系统和实用技术系统，促进农业生产的科学管理和先进技术的推广利用。四是虚拟农业。利用计算机、虚拟现实技术、仿真技术、多媒体技术建立数学模型定量而系统地描述作物生长发育、器官建成和产量形成等生理生态过程与环境之间相互作用的数量关系，在此基础上设计出虚拟作物、畜禽，从遗传学角度定向培育农作物，改变传统的育种和科研方式[9][10][11]。在数据库建立方面，主要分为地理数据库、农业数据库和社会统计数据科技各方面:如地形图、地质图、水系图、路网图；土地、上壤数据库，土壤肥力、水分分布含量数据;降水量、平均温度、湿度、风向、病虫害等数据;农作物种植的种类，产量等数据。有关遥感影像数据，主要来自高分辨率卫星影像提供实时的监测服务等。由于所有的数据都是基于地理分布的，因此GIS技术是发展农业的新技术。在现代技术条件下GPS、GIS和RS已经能有效的实现无缝链接，因此，可以有效的组织和处理来自空间、地面和社会层面的数据，最后以各种不同的数字形式向农业生产者提供服务。2国内研究进展我国农业信息技术的研究起步于70年代中后期，80年代中后期以来，我国的农业信息技术发展迅速，主要是将系统工程、信息管理系统、专家系统、决策支持系统、遥感技术等应用于农业信息技术研究，其中农业信息资源建设是一项艰巨复杂的长期性工程，农业信息管理系统以农业信息科学为指导，运用现代信息处理技术、数据库技术、多媒体技术、网络技术等农业信息技术，基于农业环境、生物、社会和科技等信息，建成具有信息资源采集、维护、统计、分析、模拟、输出等功能的现代化信息管理体系[12]。以RS、GPS为基础，结合GIS的集成技术的发展及其在农业中的应用，为精确、快速获取农业数据和处理地面信息成为可能，给农业管理决策提供了一个有效的工具。地理信息系统在国内农业领域的应用主要集中在以下几个方面:(一)应用于农情监测[13]农情监测的主要任务是监测耕地的变化、粮棉作物的面积、长势、灾害与产量。由于信息技术的发展，“3S”技术已应用于国家和全球尺度的农情监测[14]。(1).自然灾害监测。应用高科技改进自然灾害的预测预报与灾情评估方法，提高灾情的客观性与准确性，增强防灾、抗灾能力，受到政府部门的重视与专家们的关注[15]。“3S”技术为自然灾害动态监测与预测提供了新的手段，在GIS技术支持下，可实对遥感获取的灾情信息与地面现实信息的有机结合，进行干旱[16][17]、洪涝[18]、森林灾圈、雪灾[19]、水土侵蚀[20]、病虫害[21][22]，等方面的动态监测。(2).作物估产及生长动态监测。作物估产（包含生长趋势监测）历来就是人们十分注的农业情报。美国于1975-1979年完成了大面积作物清查试验(LACI计划)，并且推行以Landsat的TM资料为基础的面积框图抽样遥感估产取得成功。我国于1983-1985年就应用Landsat资料进行了小麦遥感综合测产研究，国家“七五”和“八五”计划均作物遥感估产列为国家科技攻关项目。近年来，应用“3S”集成技术对粮食产区的面积、单位面积产3S技术理论与应用——G