“3S”技术在现代农业中的应用

来源：慧天地

本文转载自微信公众号中国测绘学会，内容摘自《中国测绘》2020年第1期，文、图：田金强  王海赛，版权归原作者及刊载媒体所有。

农业在国民经济中居于基础地位，我国是个农业大国，但总体来看我国农业生产力水平不高，科技支撑能力不强，粗放式生产经营的现象广泛存在。当前我国农业正面临从传统农业向现代农业转型升级的重要时期，现代农业的发展和新一代信息技术的应用息息相关。近年来，以物联网、人工智能、“3S”、云计算为代表的信息技术层出不穷，信息技术的推广应用逐步渗透到农业的各个场景中，深刻改变了传统农业的生产经营方式，推动农业不断朝精准化、自动化、高效的方向发展。

“3S”技术是遥感技术（Remote Senescing R S）、地理信息系统（Geographical information System GIS）、全球定位系统（Global Positioning System GPS）的简称。“3S”技术是融合了空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术，多学科综合应用。随着技术进步，RS、GIS、GPS相关技术不断走向技术集成，构成“3S”技术体系，可以实现对空间信息进行快速准确的采集、处理、管理、分析、传播和应用。“3S”技术的研究和应用始于上世纪60年代，其发端于测绘行业，现已广泛应用于国土、城市规划、交通、林业和军事多个行业，为国民经济建设、资源环境管理和灾害预警监测发挥了重要作用。在农业领域，“3S”技术可以为现代农业建立与之相适应的地理信息系统，为农业的规划、设计、管理、生产、决策过程提供更为精确的信息，在农业领域应用优势非常明显。上世纪80年代起，“3S”技术在我国农业领域开始有所应用，历经多年发展，产生了巨大的经济和社会效益，成为推动“数字农业”发展的重要手段。

精准农业的技术核心：地理信息技术为主体的信息技术

精准农业是按照田间每一操作单元(区域、部位)的具体条件,精细准确地调整各项土壤和作物管理措施,最大限度地优化使用各项农业投入,以获取单位面积上的最高产量和最大经济效益,同时保护农业生态环境和土地等农业自然资源。精准农业的基础是地块内的空间变异。精准农业强调经济、生态和社会效益的统一,实现定位、定量、定时的最优化生产管理,由此可见,精准农业是一种基于空间信息管理和变异分析的现代农业管理策略和农业操作技术体系,以地理信息技术为主体的信息技术是精准农业的技术核心。

GPS技术及其在精准农业中的应用

GPS即全球定位系统，主要由GPS卫星星座、地面监控系统、GPS地面接收机三部分构成。它通过人造卫星对全球各地进行扫描、分析和定位，每天为全球用户提供三维位置、速度和时间信息。GPS系统具有精度高、抗干扰能力强、观测时间短、操作简便、全天候作业等特点。农业信息空间和时间变化量的采集是实现精准农业的基础，因此GPS在精准农业中具有重要地位。

GPS技术可以为农业田间作业提供准确的空间位置信息，包括完成对土壤类型、土壤肥力特性、作物生长发育状况、病虫草害及农作物产量等田间信息的采集，为各种监测目标的空间定位提供高精度的定位、定量数据，有助于实现更加科学合理的农业田间决策。

1、智能农机导航

在耕种、收割、施肥、喷药的农业机械上安装车载GPS定位器，能程序化地跟从已定的路线进行耕种施肥或者进行农药喷洒，由于具有精确定位功能，农机可以将作物需要的肥料与农药运送到准确的位置，合理化的路线有效减少了肥料和农药的使用。同时，在GPS系统支持下，可以确保智能农业设备在作业过程的一致性、便捷性，减少人力成本投入，有效提高农业作业效率，提高了作物产品。

2、病虫草害灾情监测

由于病虫草害具有易爆发、传播快、流行性广等特点，所以传统的灾情监测十分困难。GPS技术支持下的精准农业，在农田遇到灾情情况下能够精确定位受灾地段，特别是能够准确判断灾情轻重，并将信息内容传输至云平台，依据这类云平台数据判定在不同受灾地段的投药量，同时也可以借助GPS定位器进行精确投药。1992年，北京市植保站联合中科院、北京航空航天大学、北京工业大学等8家科研机构,开展卫星导航飞机防治小麦蚜虫技术的研究,历经3年攻关,在指导大面积防治小麦蚜虫上取得明显效果。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,符合生产中农艺方面的要求,灭蚜效果达到90%以上。

3、科学农机调度

通过GPS可以快速采集和实时监测农机信息，准确分析农机作业面积和作业质量,追溯农机的历史移动轨迹，实现对作业农机的远距离快速调度,使农机管理部门能够科学调度农机服务组织作业机具,减少了农忙时期农机流动的随机性和盲目性，避免了农机扎堆抢农活现象的发生。

GPS技术适用于精准农业生产的产前、产中全过程，实施精准农业所需的农业数据采集、田间管理、农业病虫害预警等内容，均依赖于GPS及时获取准确、适时、动态的农业资源空间信息。

RS技术及其在精准农业中的应用

遥感技术就是在一定距离外（包括高空遥感和低空遥感）接收来自地球表层发射和反射的电磁波信息，通过对这些信息进行扫描和处理，来对地表物体和现象进行探测、识别和分析的综合性探测技术。如根据不同物体所反射和吸收的光谱波段的差异，判断它们的形状、颜色和大小，从而区分不同的物体。农业是遥感技术应用最广泛和成熟的行业之一。遥感技术广泛应用于农业资源调查及动态监测、农作物产量估测、农业灾害监测及损失评估等，为农业的增产增收发挥了巨大的作用。

1、农作物长势动态监测

根据遥感技术及成像和处理技术获取的农田和作物多光谱图像信息，对于农作物生产管理十分重要。通过分析不同时段内获取的RS图像的光谱变化，可以实现作物长势监测的动态过程,RS多时相的影像数据可以反映出宏观作物生长发育的规律性特征，应用于了解作物的生长信息，如根据作物叶片的形状和颜色判断其健康状况，以便及时有效的灌溉、施肥、施药。由王道龙研究员主持完成的“星陆双基遥感农田信息协同反演技术”课题，探索了综合应用陆基无线传感器网络技术、多源卫星遥感定量反演技术、时空耦合和数据同化技术进行快速获取农田环境和作物时空连续参数的新技术和新方法，填补了国内技术的空白。

2、作物遥感估产

RS技术通过分析获取影像的光谱信息，可以分析作物的生长信息，通过建立生长信息与产量的关联模型或函数(可结合一些农学模型和气象模型)，就可以完成对作物的估产。作物遥感估产系统主要集成了作物种植面积调查、长势监测和最后产量估测整个业务流程。目前国内外主要的作物遥感监测运行系统在美国、欧盟和中国。

历经多年的技术发展与应用实践，我国农作物估产与监测的研究工作取得了明显进展，估产对象已经从单一的冬小麦扩大到小麦、水稻和玉米等多种农作物，遥感辐射的区域也已得到很大的扩展。中国全球农情遥感速报系统自1998年建成运行，经过多年开发、升级，目前已成为国际上领先的三大农情遥感监测系统之一。该系统不仅为服务于中国粮食作物生产调控，同时为全球147个国家和地区提供农情信息服务。

此外，气象遥感可以及时准确获取天气预报（如降水）信息，并实现对气象灾害和病虫害的早期预警。RS技术还广泛应用于农业资源监测、土壤墒情监测、土壤侵蚀调查等多项农业服务。

GIS技术及其在精准农业中的应用

GIS（地理信息系统）技术集合了空间地理数据信息的采集、存储、管理、分析、三维可视化显示与输出为一体，是精准农业的核心技术。在精准农业体系中，GIS不再是一个孤立的系统，而是围绕精准农业核心思想而提供较全面的地理信息服务的平台。GIS具有强大的空间数据处理功能，同时还可以辅助决策。如果把RS技术和GPS比作精准农业的两只眼睛，那么GIS技术就是精准农业的大脑。由于其功能强大，GIS在农业领域得到了广泛的应用，如精确农业变量施肥、农田灌区灌溉管理、农业景观格局研究等诸多方面。

1、农田信息可视化与专题图制

GIS可以完成空间信息可视化。通过各种离散空间数据的采集和GPS传感器的计算，完成对各种田间信息图形化处理。GIS技术将绘制的各种田间信息的空间分布图，以二维平面、三维立体以及动态等更形象、立体和直观的方式形象展现，有利于用户的分析和统计工作。GIS具有制图功能，它可以将各种专题要素地图组合在一起，产生新的地图，为智慧农业信息提供一个直观的展示平台。如：制作病虫灾害覆盖图、耕地地力等级图、农作物产量分布图以及农业气候区划图等农业专题地图。

宁夏春小麦气候区划图

2、农业生态环境研究

地理信息系统广泛应用于农业生态环境研究的多个场景，包括环境监测、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。在农业环境监测方面，结合GIS的模型功能和环境监测日常工作需求，可以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，为相关决策提供更为科学的依据。

以精准农业为代表的数字农业是我国农业的发展方向，精准农业的建设对我国农业生产方式转变、农业生态保护和农产品安全具有十分重要的意义。“3S”技术在我国农业领域的研究应用日益广泛，为农业的生产经营带来了翻天覆地的变化。目前我国“3S”技术还存在核心技术体系缺乏、成本较高、人才缺乏等问题，因此今后相关的研究和实践中还应当进一步深化和完善。