2023年12月6日发(作者：)
-
研究生课程论文封面
课程名称 自然地理学学科前沿讲座
开课时间
学院 地理与环境科学学院
学科专业 自然地理学
学姓号 2010210720
名 赵 婷
学位类别 普通硕士
任课教师
交稿日期
成绩
评阅日期
评阅教师
签名
浙江师范大学研究生学
自然地理学学科前沿讲座报告
——基于地理信息系统下的精准农业
“GIS”技术发展综述
GIS (Geographic Information System)是20 世纪60 年代发展起来的一门介于地球科学、 信息科学、 空间科学之间的交叉科学。它以地理空间数据库为基础 ,在计算机软硬件技术的支持下 ,对空间相关的数据进行采集、 管理、 操作、 分析、 显示并采用地理模型分析方法 ,适时提供各种空间的动态的地理信息 ,为地理研究和决策服务建立起计算机[1]技术系统。对于社会各方面的发展具有重要的意义。
1．GIS概念及功能
1.1 GIS概念
GIS( G eographic In formation System) 即地理信息系统 ,是以地理空间数据库为基础 ,在计算机软硬件的支持下 ,用于空间和地理有关的数据的采集、 存储、 提取等。随着[2][3][4]其自身的不断发展和应用的日趋广泛, GIS 的定义也各种各样, 其中比较准确且被广泛接受的表述为: GIS 是一个能用于进行有效的搜集、 储存、 更新、 处理、 分析和显示[5]所有形式之地理信息的计算机硬件、 软件、 地理数据和有关人员(用户)的有机集合 。由此定义可知, GIS 是一种工具, 但不仅仅是一个制作地图的工具, 虽然它可以按不同的比例尺。用不同的颜色绘制地图。
1.2 GIS功能
GIS是一个空间型的信息系统，计算机支持是其重要的特征，在一系列辅助软降和扩展模型支持下，GIS具有采集、管理、分析和运输多种信息的能力。可以完成数据管理、分析与决策、区域空间分析和动态预测等工作，其输入、管理和输出的数据信息具有空间性和动[5]态性。如今GIS具有地图型和空间定位的空间型数据管理系统。可以对空间信息数据进行图像化输出，形象表达只管，便于决策应用。由于他综合地图、表格、图形、图像、文字、声音和符号于一体，所以用GIS来管理各种类型的空间信息，相较于其它数据管理系统更全面、更方便、更实用、也更受欢迎。
GIS 的功能模块和运作流程分别如图 2 和图 3 所示。
2. 国外研究进展
2.1 GIS发展历程
1963年 ,加拿大测量学家 R1F1Tomlison 博士提出把常规地图变为数字形式存入计算机的想法 ,并于 1965 年建立了世界上第一个地理信息系统 — 加拿大地理信息系统(CGIS)[6]用于自然资源的管理和规划。随后美国城市和区域信息系统协会(URISA) 、 周信息系统全国协会(NASIS)相继成立。而国际地理联合会( IGU)于 1968 年设立了地理数据收集和处[7]理委员会(CGDSP) ,这些组织为传播 GIS知识和发展 GIS技术起了关键的作用。
经过 30 多年的发展 ,GIS技术不断成熟 ,特别是 20 世纪 70 年代众多商业机构纷纷介入地理信息系统领域 ,开发和研制了众多地理信息系统软件 ,推动了地理信息系统的发展 ,据统计在70 年代大约有300 多个 GIS系统投入使用。目前计算机和全球信息网络技术飞速发展 ,对 GIS产生了巨大的冲击 ,其间 ComGIS(组件式 GIS)和 WebGIS(万维网
[8]GIS)等新兴技术应运而生。GIS技术的发展进入了一个崭新的时代。
2.2 研究进展
加拿大的on和美国的在不同方面，从不同角度提出了地理信息系统。1962年，Tomhnson提出利用数字计算机处理和分析大量的土地利用地图数据，并建议加拿大土地调查局建立加拿大地理信息系统(CGIS)，以实现专题地图的叠加、面积量算等。当时，来自IBM以及ARDA的大批工作人员参与了CGIS的建立。到1972年，CGIS[9]全面投入运行与使用，成为世界上第一个运行型的GIS系统。CGIS在技术上取得了重大突破，如地图数据的扫描输入、栅格一矢量数据转换;在系统设计上，提出空间分块、专题分层的数据结构，空间数据与属性数据相联结等思想。这对当今GIS的发展有重要的影响。在美国西北大学研究利用数字计算机研制软件数据系统，以支持大规模城市[10]交通研究，并提出建立GIS软件系统的思想。同期，计算机辅助制图系统的研究开始发展起来，并对GIS发展有着深刻的影响。来自美国西北技术研究所的HowardFisher教授在福特基金会的资助下，建立了哈佛计算机图形与空间分析实验室，开发了SYMAP、[11]()DYSSEY软件包。SYMAP对当今栅格GIS系统有着一定影响，ODYSSEY被认为是当代矢量GIS的原型。另外在其它国家也开展了GIS或相关技术的研究，如英国的David P. Bick
more在英国自然环境研究会(NERC)资助下，成立了实验制图部，从事计算机制图与GIS研究[12][7]。
20世纪60年代末期，地理信息系统中实现某些具体功能的软件技术才有了较大进展。 首先，自动拓扑创建、多边形拓扑错误检测、矢量栅格转换技术等关键技术方法的发展，开辟了分别处理属性数据和图形的新途径。其次，含有部分图幅或属性数据的单张与其他图幅或部分在图边进行自动拼接，使小型计算机能够分块处理较大空间范围（或图幅）的数据文件，从而构成一幅更大的图幅图件。又建立命令空间数据管理系统，为了实现根据属性对线段再分解，对多边形机型合并、分类，比例尺变换，面积量算，多边形的叠加处理以及按属[13]性搜索，输出表格和报告等功能。在此期间，软件主要针对当时的主机和外设开发，如马里兰大学的MANS，美国哈佛大学研究开发的Symap等软件系统，其中的算法总体而言比较粗糙，图形功能有限。
3 GIS技术在中国的发展
3.1 GIS发展阶段
在我国GIS发展经历了四个阶段： 准备阶段（1978-1980），主要开始了舆论准备、人才准备和单个的实验。 起步阶段（1980-1985），这期间主要在技术引进、理论探讨、规范研究、区域试验、软件开发、系统试建、人才培训和局部应用等方面积累一定的经验。 发展阶段（1985-1995），该阶段我国地理信息系统开始有组织、有计划、有明确的公关目标，逐步缩短和拉平了和国际先进水平的差距。产业化阶段（1996-至今）GIS在支援农业、美化城市、开发海洋、保护环境和减缓全球变化等方面正在发挥更大的作用。预计在21世纪[14]第二个十年，我国GIS事业将会有更快、更大的发展，形成产业、进入市场。
80年代为GIS技术大发展时期，注重于空间决策支持分析。GIS的应用领域迅速扩大，从资源管理、环境规划到应急反应，从商业服务区划分到政治选举分区等，包括了许多的学科与领域，如古人类学、景观生态规划、森林管理、土木工程以及计算机科学等，并在进一步发展。许多国家制定了本国的GIS发展规划，启动了若干科研项目，建立了一些政府性、学术性机构。如中国于1985年成立了资源与环境信息系统国家重点实验室，商业性的咨询公司、软件制造商出现，并提供系列专业化服务。这个时期最显著的特点是:商业化实用系统进入市场。
3.2 GIS研究进展
1983年成立了资源与环境信息系统国家规范研究组，并开始开展工作，1987年中国科学院成立了资源与环境信息系统实验室，同时引进一系列GIS软件，分布于地理、测绘、[16]环境、能源等部门的高校和科研部门。1994 年 4月25 日中国地理信息系统协会( GIS协会)在北京成立。 在国家科技攻关的支持下 ,国产地理信息系统软件产品和软件产业取得了长足的进步。在地理信息系统软件平台方面 , 已经研制开发成功二个成熟的基础软件产品和一个应用开发平台 ,在市场上占有一定的份额 ,有相当的知名度。例如 ,基础软件Map
GIS可对数字、 文字、 地图、 遥感图像、 GPS定位数据等多源地学数据进行有效的采集和一体化管理、 综合空间分析和可视化表示 ,已经形成了一个完整、 成熟的地理信息系统[17]基础软件。整体水平与国外同类软件相当。又如 ,基础软件 Geo Star 具有面向对象的空[18]间数据管理 ,包括数据采集、 转换、 处理、 查询、 分析、 制图等功能。它的DEM处理能力 ,在精度方面已经超过国外同类优秀软件 ,在我国 1 :1 万七大江河流域DEM数据生产上发挥了重要的作用。
除了基础软件以外 , AMP FM应用开发平台 Grow具有大数据量管理和高效的实时三维显示、 具备动态拓扑实时重构、面向对象建模、 支持网络浮动用户管理与设备全生命周期管理、 与实时通信底层紧密耦合等 AMP FM领域特殊要求的功能 ,可以在广域环境中组[18]织多级分布式多用户协同工作 ,整体技术上达到国际先进水平 。
在空间数据获取和加工生产方面 ,数据加工软件 Geo Way、 EPS2000 系列和数字正射影像处理软件 Photo Mapper 等支持地图扫描数字化、 野外直接采集数字化地理数据、 利[15] 用卫星和航空遥感图像生产数字正射影像图 ,形成了完整的空间数据采集、 加工生产平台[19] ,基本上占领了我国空间数据生产方面的地理信息系统软件市场。
在地图出版领域 ,国产地图出版软件 “方正智绘” 和 Map CAD在功能和性能上已经超过了国外同类软件 ,牢牢地占据了国内工程地图出版市场。此外 ,在地理信息系统互联网应用方面 , 国产软件已经填补了国内在这一领域的空白。已经广泛地应用于国内地理信息发布、 交通旅游、 房地产销售和物流配送等方面 ,在奥运申办、数字北京、 昆明世博会等工作中产生了很大的影响。
4. 精准农业
地理信息系统是精准农业的技术核心,应用该系统可以将土地边界、土壤类型、灌水系统、历年的土壤测试结果、化肥和农药等使用情况以及历年产量结果做成各自的地理信息图[20]管理起来。通过对历年产量图的分析,看出田间产量变异情况,找出低产区域,然后通过产量图与其它因素图层的比较分析,找出影响产量的主要限制因素,在此基础上制定出该地块的优化管理信息系统,指导当年的播种、施肥、除草、病虫害防治、灌水等管理措施。对农业生产具有重要的意义。
精准农业(Precision Farming,Precision Agriculture, Cyberfarm)是基于信息高科技的集约[21]化农业。是在空间遥感技术（RS）、动态定位技术(GPS)、地理信息系统技术(GIS)、计算机及其网络技术、人工智能和现代农业机具等高科技与地理学、农学、生态学、土壤学等基础科学综合集成的支持下,以农田为单位的将农业生态环境条件和农作物产量的时空差异,采取按需变量投入,耕作管理定位实施的方法,从而达到投入合理、污染最小、收益最大的目的。精准农业是基于农田内部生态环境的多样性和特定农田上作物管理所需方法的多变性这一概念的,其核心是将科学的精确引入农业生产,这就区别于传统农业操作。对于传统农业来说,每块农田都是按照一个标准去作业的。然而精准农业技术研究发展的,是在农田中及时获[23]取作物生长环境和产量的实际分布的空间差异性,并对这种差异性进行调控。静儿对不同农田、不同作物、不同长势等作出其中各异的作业方案，进而达到因地制宜，因物制宜的目的。
原理上讲,精准农业主要由三个部分组成,即空间数据收集、数据分析与决策和变率处理 [24]设备(VRT)。而关键就是农业多维信息的动态获取、智能化数据分析和农业电子地图快速制作及其一体化集成技术等地理信息技术。因为精准农业工程最终目标是由计算机控制农业机具进行自动操作,而精确变率施肥、播种、灌溉、喷药等农事操作是在农业信息动态获取,适时处理与快速制图的基础上所产生的新信息的指导下完成的。
5. GIS技术在精准农业中的应用
在精准农业实践中，GIS技术主要用于建立农田土地管理、土壤墒情、自然条件、生产条件、作物苗情、病虫草害等的发展趋势等的空间信息数据给库，进而进行空间信息的地理[25]统计处理、图形转换和表达等，这样就为分析差异性和实施调控提供处理解决方案和数据依据。
精准农业是由信息技术支持的根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农[26]事操作技术与管理的系统，在根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入。一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理” ，调动土壤生产力，以最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。
在精准农业中，地理信息系统可以应用于绘制作物产量分布图和进行农业专题地图分析。通过地理信息系统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。利用GIS技术与遥感技术的结合，在生态环境监测中广泛推广，为实现大面积干旱实时、准确的动态监测提供了全新前景。
[27][22] 由此可见一套客观、动态、实时的作物干旱监测方法，有助于采取积极有效的防旱抗旱措施。陈怀亮等基于GIS采用扫描、数据格式转化、建立数据库等方法，将遥感资料和地形图、土壤图、年降水量图、年平均气温图、政区图等图件集成起来，进行了监测区分层，根据系统监测和抽样调查资料确定了各层的小麦长势遥感监测指标，并通过剔除常年非麦象元和分层解译小麦长势，遥感监测精度平均可提高几倍左右，初步实现了GIS和RS的集成[28]应用。在灌溉系统中的实施方案中，GIS技术能够科学预测灌区用水需求、优化水资源[29]配给，对于实现适时、适量灌溉，节约水资源等方面都具有重要的意义。
用于变量施肥的决策支持系统，同时也能够处理与分析作物生长环境参数的空间分布和作物产量的空间分布等信息，并能够生成相应的分布图和变量施肥处方图。这不同于传统的[30]农业决策支持系统以及单纯的农业地理信息系统。我国利用GIS对华北平原的小麦、东北地区的玉米、太湖地区和江汉平原的水稻农作物生长期、抽穗期、成熟期进行动态监测、评估，评估准确率高[。此外，将GIS技术引入作物如小麦、水稻的时空分布特征研究[19]，能定量、直观地表达小麦、水稻产量空间变化。
[32]6．基于GIS技术下中国精准农业的发展方向
在GIS技术的支持下，并且结合RS和GPS技术，支持农业发展。并且做到以下几点。
[33]一是实施精准灌溉、施肥,提高水资源和化肥的利用率。我国是个贫水和水资源浪费严重的国家,农田灌溉水的有效利用率只有45%。因此提高田间水分利用率是我国农业资源利用的重要方向。我国的化肥利用率也相当低,仅为30%~40%,氮肥损失率高达70%~80%,浪费十分严重,还造成环境污染。实施精准农业,根据田间土壤养分的变异,精确施肥,将会大大节省肥的用量,减少投入。
二是加强基础资料数据库建设。做好精准农业资料收集、信息格式标准化工作,充分利用多年来建立的一些数据资料,实现数据资料的共享,建立以农业地理信息为平台的农业生产管理数据库。同时利用“3S”技术进行长期监测建立区域农业数据库，并对这些数据进行分析研究，从而得出一些结论，应用到农业操作上。
三是开发合适的农业管理决策支持系统。精准农业管理决策支持系统是精准农业的大脑,好的决策支持系统能够获得最大的经济效益和最小的环境污染。需要利用计算机软件系统的支持。
四是加强网络农业信息服务平台的开发。不断开发以互联网为平台的网络化信息管理系统,从而实现资源,数据共享。对于中国不同区域的农业资源，在这样一个信息平台下，资源共享，这就使资源达到了有效的利用。
五是在精准农业思想中引入精准家禽饲养和精准草原维护的理念[22]。做到农牧结合或者是农业与家畜业的结合，在节省资源的基础上提高农业的产量。
7.结语
发展GIS技术，在科学上、技术上和农业基础建设上实现农业信息化，走适合中国国情的精准农业发展道路。这种发展模式必定是一个渐进的过程。大力发展以适时、适量和按需定位投放为核心的精准农业技术，以达到精准施肥、精确灌溉、节肥节水和降低污染的目[34]的。集中有关力量在局部环境变量相对稳定的地区进行攻关性质的研究，以获得实用化[35]的研究成果。这种基于GIS技术的精准农业为中国农业的发展开辟了一种新型的农业发[36]展模式，最终达到经济效益的提高。
参考文献
[1]曾文英等 “3S”技术的发展、现状及其趋势综述[J] 新余高专学报 2008（6）
[2] Environmental System s Research Inst itute, Inc . U nderstanding GIS—The ARCö I N FO M
ethod[M ] . Redlands Califo rnia, U SA: 1995 .
[3] 马彦琳. 试论地理信息系统与地球系统科学的关系[J] . 干旱区地理, 1998; 21 (2) :
[31]
[4] 李德仁, 龚健雅, 边馥苓, 等. GIS 导论[M] . 北京: 测绘出版社, 1993 .
[5] 周成虎 地理星系系统的透视——理论与方法[J] 地理学报 1995（12）增刊
[6] 胡鹏, 黄杏元, 华一新. 地理信息系统教程 [M ] . 武汉: 武汉大学出版社, 2002
[7] 龚健雅主编. 当代 GIS 的若干理论与技术. 武汉: 武汉测绘科技大学出版社, 1999.
[8] 黄杏元等. 地理信息系统概论[M] . 北京: 高等教育出版社, 1989 .
[9] 龚健雅主编. 当代 GIS 的若干理论与技术[J]. 武汉: 武汉测绘科技大学出版社, 1999.
[10] 袁相儒等. Internet GIS 的部件化结构[J]. 测绘学报, 1998,27( 4) .
[11] 毛志红.地理信息系统(GIS)发展趋势综述[J].城市勘测,2001(1)
[12] 龚健雅.当代地理信息系统进展综述[J].测绘与空间地理信息.2004(2)
[13] 周成虎等 地理信息系统应用方法论[J].地理学报.1997(S1)
[14] 胡炜 地理信息系统(GIS)发展史及前景展望[D] 2011(6)
[15] 秦其明,袁生元 中国地理信息系统发展回顾[J] .测绘通报.2001(S1)
[16] 边馥苓. 地理信息系统原理和方法[M]. 北京: 测绘出版社,1996, 172- 175.
[17] 郭腾云. Web GIS系统的实现技术及其开发研究[J] . 科学导报, 1999, ( 9) .
[18] 宋关福 ,钟顺耳.组件式地理信息系统研究与开发[J] .图形图像学报 ,1998 , (4) .
[19] 承继成等. 国家空间信息基础设施与数字地球[M]. 北京:清华大学出版社, 1999.
[20] 李德仁.1999.空间信息技术与农业发展.大自然探索,18(21):1~6
[21] 张柏.2000.中国发展精准农业耕作的基本分析与设计.地理科学,20(2):11114
[22] 承继承、易善桢.2000.数字农业——数字地球应用之一.地球信息科学,2(1):15~19
[23] E. Lynn Usery, Stuart Pocknee, and Broughton Boyell.1995. Precision Farming Data Management
Using Geographic Information System. Photogrammetric Engineering &Remote Sensing,
61(11):1383~1391
[24] 刘刚等 围观精细农业发展和研究[J].机遇﹒ 挑战﹒ 创新2002
[25] 贾文明等“3S”技术为核心的精准农业在我国的发展与应用[J].农业网络信.2007(6)
[26] 王建强等 3S技术在精细农业发展应用中的综合应用探索[J].水利科技与经济.2008,14(3)
[27] 陈怀亮等 地理信息系统(GIS)支持下的冬小麦干旱NOAA/AVHRR遥感监测方法研究[J].河南气象.1998 (4)
[28] 黑龙江农垦勘测设计研究院·黑龙江垦区蛤蟆通灌区续建配套与节水改造规划报告[R].佳木斯:黑龙江农垦勘测设计研究院,1999·
[29] 胡颖等 精细农业与3S技术[R].农村瞭望台.2002(3)
[30] 秦其明 “3S”技术在精细农业中的应用研究[J].中国农业资源与区划.2001,21(6)
[31] 许红卫 田间土壤养分与作物产量的时空变异及相关性研究[D].2004{5}
[32] 刘焱选,白慧东,蒋桂英.中国精准农业的研究现状和发展方向[J].中国农学通报,23(7):577-582.
[33] 孙玉文等 精准农业以及“3S”技术概述[J].甘肃农业科技 2008（12）
[ 34] Jürgen Schellberg , Michael J. Hill, Roland Ger-hards. Precision agriculture on grassland:
Applica-tions, perspectives and constraints [J]. European Journal of Agronomy.2008(29):59-7
[35］李楠，刘成良，李彦明，等．基于3S技术联合的农田墒情远程监测系统开发［J］．农业工程学报，2010，26(4):169-174．Li Nan，Liu Cheng liang，Li Yan ming，et al．Development of re-mote monitoring
system for soil moisture based on 3S technology alli-ance［J］．Transactions of the Chinese Society
of Agricultural Engi-neering，2010，26(4):169-174．
［36］张前勇．基于3S技术的精准农业［J］．安徽农业科学，2006，34(16):4 170-4 171．Zhang Qian
yong．Precision agricatture based on the technology of 3S［J］．Journal of Anhui Agricultural
Sciences，2006，34(16):4 170-4 171．
-
