GIS技术在农业领域的应用_赵赏
GIS技术在农业领域的应用
赵赏，钟凯文，孙彩歌
（中国科学院广州地球化学研究所，广州510640）
摘要：结合地理信息系统（GIS）的概念和特点，分别从农业区划、农业资源管理、农业灾害防治、农业生态环境管理、精准农业以及其他方面对GIS在我国农业领域的应用情况进行了介绍，同时对GIS在我国农业中的应用进行了展望。
关键词：农业；地理信息系统；区划；资源管理
中图分类号：S127文献标识码：A文章编号：1003－188X（2014）04－0234－04
0引言
我国是农业大国，农业人口占据总人口数的绝大多数；同时又是一个农业资源小国，人均可耕地面积只有0．09hm2，仅为世界平均水平的40%。当前的我国农业尚处于机械化初期阶段，农业资源仍旧以粗放式利用为主；而农业生产本身又是一个非常复杂的过程，要想使中国农业走出当前落后、低效的现状，必须进行农业产业升级，走农业现代化之路。地理信息系统是近些年来高新技术的代表，在资源管理、环境保护、交通规划及土地利用等方面有了非常广泛并且实用的发展，可以为农业生产提供资源信息数字化、空间信息管理、区域规划、灾害评估、系统模拟和决策支持等服务，极大地提高了农业生产的信息化和现代化水平［1］。
1地理信息系统概述
地理信息系统（GIS）是从20世纪60年代发展起来的一门崭新的信息技术手段。作为一门交叉学科，地理信息系统涵盖了计算机科学、地理科学、测绘科学、环境科学、空间科学、信息科学和管理科学等诸多学科的知识和内容。一个完整的地理信息系统包括
收稿日期：2013－04－19
基金项目：广东省自然科学基金项目（10151007003000002）；广东省科技计划项目（2011B060500056）；广东省现代信息服务业
发展专项资金项目（GDIID2009IS001）；数字广东空间遥感
信息公共服务平台研究及应用示范建设项目（2010B09030
0069）
作者简介：赵赏（1987－），男，湖北黄冈人，硕士研究生，（E－mail）709429418@qq．com。
通讯作者：钟凯文（1972－），男，广东兴宁人，研究员，（E－mail）zkw@gdas．ac．cn。有数据的采集、存储、管理、分析、显示和分析等组成部分，是分析海量数据，尤其是空间信息数据的通用技术。它能把各种对象的地理位置和相应的视图结合起来，根据用户的需要将信息进行重新组织，通过数据挖掘、空间查询分析、网络分析、缓冲区分析、DTM分析、叠置分析、神经网络分析等手段得到能满足用户需求的信息，为相应的分析和决策提供技术支持，具有科学、直观、实时、快速、准确的特点，是一个完美的决策支持手段［2］。
地理信息系统有着非常广泛的应用，在金融、国土资源、农业和环境保护等各个领域发挥了非常重要的作用。权威的统计资料和研究报告表明，国民经济数字化的80%以上都和地理信息系统有着直接或者间接的关系。从20世纪90年代开始，互联网技术伴随着我国经济的信息化快速崛起，与计算机技术密切相关的地理信息系统也得到了长足的发展，趋于多维化、开放化、组件化、网络化、虚拟现实化和面向对象化，未来的应用范围和应用程度将会有着质的提高，对于国民经济的发展所做的贡献也会越来越大［3］。
2GIS在农业领域的应用现状
在我国，GIS进入农业领域开始于20世纪80年代中期，从国土资源管理逐渐发展到农业资源信息、区域农业规划、粮食作物估产、病虫灾害研究和农业生态环境监测等领域，近年来又逐渐扩展到精细农业等新型农业领域，取得了非常大的成绩。其中，一些重要的研究成果得到了应用，取得了很好的经济效益。作为一种数据容量巨大的数据库，GIS能够为农业提供快速的信息查询和检索服务；作为一种强大的空间分析工具，GIS能够以图形数据为农业提供叠加分析和网络分析等能够产生新信息的功能；作为一种
先进的管理工具，GIS能够提供各种农业模型和决策方案，直接为农业生产带来效益；作为一种科学的决策辅助工具，GIS强大的模型模拟能力、空间分析能力和预测能力能够为农业决策提供充分的科学依据。2．1GIS在农业资源信息管理中的应用
农业资源是人们从事农业生产或相关农业经济活动所利用的各种资源，主要包括大气、土地、水域、生物等农业自然资源条件和农业人口、劳动力资源、交通运输资源等社会经济资源［4］。这些资源相互之间既联系密切又差异显著，需要地理信息系统具备高效、科学的空间信息管理功能，地理信息系统主要通过其空间数据库来实现这一要求。其在空间数据库中存储调查区各类型的数据，再运用地统计分析工具、叠加分析工具等GIS空间分析工具来完成信息的处理，以用户需要的格式和形式提供数据和信息［5］。在我国，已经建成了一些区域性的农业资源地理信息系统，如安超（1996）建立的土地管理信息系统和谢国辉（1999）建立的气候资源信息系统，都属于这一类的农业资源信息管理系统。这一类的系统的突出特点是利用GIS的空间信息管理优势，将土地、大气、水域等自然资源与地理空间位置紧密联系起来，并在地图上进行直观、清晰的展现，对于农业资源信息管理起到了非常好的作用，能够极大地提高管理效率；并能够通过GIS手段发现以往在纸质分析资料所不能发现的信息，如农业资源空间分布规律、作物生长空间分布规律、土壤肥力状况评估和农业水文评估等［6］。当前，应用GIS的农业资源管理主要集中在农业自然资源的研究方面，还比较少地涉及到社会经济资源，如劳动力分布和结构组成、农业交通信息、农产品的销售和推广等要素，如能将这些要素也加入到应用当中，将会对农业资源管理起到更加良好的作用［7］。ＲS 也是一门信息化的高新技术手段，如能将ＲS和GIS 相结合，则可实现对农业资源的实时获取、动态监测和快速评估，是更加强有力的决策支持手段［8］。
2．2GIS在农业区划中的应用
国外农业区域规划起始于18世纪末，最初由西方的地理学家、农学家和农业经济学家们发起，比较著名的理论有“屠能圈”和农业地带划分学说等理论。国外城市化进程的加快促进了农业现代化的步伐，农业由单一目标规划模式转变为强调农业系统生态环境、可持续发展、人文价值和农业景观多功能化［9］。我国的区域农业规划起步于20世纪五六十年代，1981年完成了全国性的土地规划工作，随着“十一五”“十二五”计划的深入实施，区域规划进入了高速发展期。当前国内的区域规划工作在理论上已经取得了重大的突破。李晓等［10］等借鉴国内外成果，以现代农业规划案例为基础，构建了区域现代农业规划的理论和方法体系，并提炼出了一系列现代农业区划相关的概念。其他一些学者在理论上综合了国内外相关学科的研究成果，同时引入GIS技术进行农业区划，形成了各种农业区划统计图件，还可以对不同规划方案进行动态模拟与评价［11］。利用GIS技术，可以将区域农业资源信息，如区位条件、土地利用现状、地貌、土壤及气候信息汇总，制作成不同的图层，再将这些图层与农业区域范围有交叉的土地利用总体规划、城镇规划、交通规划等规划图及农业基础设施、农业机械分布图等进行叠置分析、地形分析、交通分析、区位分析等，实现农业产业空间布局的优化［12］。
2．3GIS在农业灾害防治中的应用
农业是人类与自然联系最密切的体系，和自然体系不同，农业生态系统都有着单一化的色彩，是一种半自然的生态体系，对自然灾害天然具有脆弱性，一次大型的自然灾害往往会导致农业生产致命的威胁。因此，自然灾害的评估、预警和灾后恢复对于农业生产和决策起着非常重要的作用，涉及到众多复杂的因素，如植被、水文、地貌等众多与空间和时间密切联系的属性。GIS技术在处理这些数据上具有明显的优势，利用GIS技术可以实现对自然灾害区自然植被分布、地形、气象、地貌、地质、道路交通及建筑工程等信息的数字化和信息归总，配合ＲS技术对有关属性的时空特性和光谱特征进行数据采集和处理，可以进行灾情预警、灾害范围量算、灾害程度和损失状况评估及灾情演变趋势分析，对于灾情动向的掌握、抗灾物资合理配置有着非常重要的作用［13］。
病虫灾害对于农业生产也是非常巨大的威胁。农作物的自我保护能力偏弱，病虫灾害的监测、预防和评估是农业生产中非常关键的一环。GIS的主要作用包括分析病虫害发生时的动态及规律性、评估灾害发生的适宜因子、预测灾害的演变趋势，进而建立农业自然灾害科学数据库和农业自然灾害信息系统［14］。我国已经成功地将GIS应用到了稻纵卷叶螟、棉铃虫等病害虫的管理监测工作中。南京农业大学、中国林业科学院分别用GIS研究了褐飞虱子、松毛虫的监测系统；郝建军和陈克运用GIS技术建立了小麦病虫害预测的WDGIS系统［15－19］。遥感技术也被越来越多的运用到病虫灾害防治中，通常是和GIS一起结合在一起，遥感影像与GIS技术结合在一起，可以反映出病虫灾害的空间分布信息、生物环境信息，显示在电
子地图里，可以直观地表达出病虫灾害的空间分布规律、强度及其与自然环境的联系［20］。
2．4GIS在农业生态环境管理中的应用
农业生态环境是农业发展的基础，人类工业文明的巨大进步极大地促进了社会的发展，但却对自然生态环境造成了强烈的干扰，使农业生态环境的恶化。地理信息系统在农业生态研究中的应用非常广泛，主要有环境监测、环境评价、环境预测、点源和非点源污染等。姜馨等［21］利用组件GIS技术，以上海市松江区作为研究区域，以网格为评价单元，进行非点源污染负荷的定量计算及可视化分析，此研究被认为是GIS在农业环境管理的一次成功实践。利用GIS和ＲS技术的有机组合，可以对农业生态环境质量进行检测和分析。ＲS信息的解译可以提取环境的各项指标，在GIS中对这些数据进行分析、处理，发现了环境空间分布规律，对异常环境问题能起到预警作用，对点源污染、非点源污染可以起到很好的控制效果。GIS在农业生态环境管理中的应用，主要以GIS模型与环境模型耦合的方式进行。GIS作为环境属性数据和空间数据的管理数据库，对空间数据进行管理和分析。环境模型通过相应的算法对数据予以处理，最终形成农业环境预测模型，进行典型区域识别、预测以及区域农业生态环境动态模拟，从而为决策和管理提供依据［22］。
2．5GIS在精准农业中的应用
精准农业是近年来非常热门的农业新技术，在美国、以色列等农业大国已经获得了广泛的应用，形成了成熟的技术推广和管理体系，我国的精细农业方兴未艾。精准农业是当今世界农业发展的新潮流，它将遥感、地理信息、通讯网络、自动化技术与地理学、农学、生态学等基础学科有机结合，实现了农业生产过程中对农作物、土壤的实时监测，生成动态空间信息系统，以最大程度地利用土壤、水资源、化肥等农业资源，实现最大的投入产出比［23］。在精准农业体系中，GIS主要用于建立农田土地资源、土壤数据、自然条件、作物疫情、灾害发生发展趋势、作物产量的空间分布等信息的空间数据库，进行空间数据的分析、处理，在此基础上建立各种类型的专题地形图，将这些地形图进行叠加分析，建立农业资源、自然环境和作物产出之间的空间对应关系［24］。为适应精准农业应用的需要，通常会在通用地理信息系统的基础上开发专用农业应用模型，或者根据精准农业的需要开发出农田地理信息系统。这两种系统一般都会与ＲS技术和GPS技术相结合，GPS提供实时、准确的定位，ＲS进行信息的快速获取，而GIS则有效的将ＲS和GPS的数据整合在一起，形成一个”3S”集成的精准农业信息化基础［25］。
2．6GIS在农业其他方面的应用
GIS在农业其他方面的应用还非常广泛，如农产品产量预测、作物适宜性分析、农田土壤侵蚀、土地生产潜力研究、农业系统模拟和仿真研究等，并可将GIS 与ＲS，GPS技术进行集成，完成许多GIS无法单独完成的任务。另外，日本将GIS应用到农业劳动力结构调整和农作物安全生产风险管理中，取得了非常良好的效果，为我国解决类似问题提供了很好的借鉴［26－27］。
3GIS在农业领域的应用展望
1）GIS应用朝着农业信息化方向发展。结合国家信息化推进工作，提升农业的信息化水平，提高管理者和农业从业人员的信息化水平，消除盲目的技术应用所带来的资源浪费，推动GIS在农业领域的推广应用。信息化建设已经成为各级政府的重要任务，GIS在信息化进程中可以发挥应有的作用，在工程应用的进程中推动农业GIS的发展。
2）GIS应用朝着向专业化的方向发展。功能由通用管理模式向农业资源评估、跟踪、监测和趋势分析等专业功能发展。随着农业资源与社农业经济发展之间矛盾的凸显，农业问题在空间和时间上的关联性更加明显，对这些问题的分析和解决依赖于更具专业化农业色彩的GIS系统支持。
3）GIS应用朝着功能更加强大的方向发展。农业是非常复杂的系统，有明显的时空分异性，而当前的GIS技术在真三维空间模型、表达复杂地理要素、综合空间分析方面还存在不少的技术难题，未来需要开发出更好的三维四维地理信息系统和功能更为强大的GIS系统，以满足农业应用需要。与此同此，也要提高GIS对数据的接受能力，GIS系统要能够实现对多源、多时相、多分辨率数据的包容性和分析处理能力，真正意义上打破GIS系统的封闭性，走向真正开放的GIS，在农业领域发挥更大的作用。
4）GIS应用朝着系统集成方向发展。ＲS技术、GPS技术、人工智能技术、元胞自动机技术、专家系统在未来要真正实现与GIS系统的集成，形成一个功能完备的综合信息决策支持系统，完成对农业复杂问题的数据挖掘、信息处理、综合分析和三维动态模拟，完成当前农业GIS系统无法实现的任务。
4结语
我国是一个农业大国，农业研究与应用领域十分广泛，潜力非常巨大，GIS作为一个快速发展的高新技术，在农业领域得到了广阔的空间。随着人们对农业信息化认识水平不断的提高，GIS将以其强大的技术力量和有效的技术支持手段，为农业现代化建设做出越来越突出的贡献，真正使我国农业走向可持续发展、环境友好型的道路。
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The Application of GIS in Agriculture
Zhao Shang，Zhong Kaiwen，Sun Caige
（Guangzhou Institute of Geochemistry，Guangzhou510640，China）
Abstract：With the concept and advantage of GIS，the author reviews its application on the research of agriculture，such as the aspect of agricultural yield regionalization，agricultural resource management，agricultural disaster defense，agricultural environment management and precision agriculture。Furthermore，prospects of the GIS application in agriculture moderni-zation in domestic．
Key words：agriculture；GIS；yield regionalization；resource management