3S技術(shù)在土壤養(yǎng)分管理中的應用.doc

3S技術(shù)在土壤養(yǎng)分管理中的應用摘要：農(nóng)業(yè)是一個國家的基本產(chǎn)業(yè),精細農(nóng)業(yè)代表著農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向,也是農(nóng)業(yè)研究的重點。以地理信息系統(tǒng)( GIS)、全球定位系統(tǒng)( GPS)、遙感技術(shù)( RS)和計算機自動控制技術(shù)為核心技術(shù)引發(fā)的一場新農(nóng)業(yè)技術(shù)革命,將對我國農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。為此,介紹了3S技術(shù)在精細農(nóng)業(yè)中研究應用情況。關(guān)鍵詞：3S技術(shù)，精準農(nóng)業(yè)，GIS，RS，GPS3S Technology In Soil Nutrient ManagementAbstract: Agriculture is the basic industry of the nation, and the meticulous agriculture is representing the direction of agriculture development, while is the focal point of agriculture research. The key technologies used in the precision agriculture include Geographic Information System (GIS), Remote Sensing (RS), Global Positioning System (GPS) and variable rate technology. Its potential influence to the future development of agriculture in China cannot be ignored. The application in the meticulous agriculture of 3S technology is introduced in this paperKeywords:3S technologies，Precision agriculture，GIS，RS，GPS正文：3S技術(shù)是遙感技術(shù)(Remote sensing，RS)、地理信息系統(tǒng)(Geography information systems，GIS)和全球定位系統(tǒng)(Global positioning systems，GPS)的統(tǒng)稱，是空間技術(shù)、傳感器技術(shù)、衛(wèi)星定位與導航技術(shù)和計算機技術(shù)、通訊技術(shù)相結(jié)合，多學科高度集成的對空間信息進行采集、處理、管理、分析、表達、傳播和應用的現(xiàn)代信息技術(shù)。 精準農(nóng)業(yè)是在現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)、工程技術(shù)等一系列高新技術(shù)最新成就的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式, 是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)低耗、高效、優(yōu)質(zhì)、安全的重要途徑。精準農(nóng)業(yè)是一項龐大的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程,涉及的學科包括系統(tǒng)學、信息學、遙感、計算機、農(nóng)學、工程學科、生物、管理學、決策學等。它是由信息技術(shù)支持的、根據(jù)空間變異定位、定時、定量地實施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)。以作物生產(chǎn)為例,其基本涵義是根據(jù)作物生長的土壤性狀,調(diào)節(jié)對作物的投入，即一方面查清田塊內(nèi)部的土壤性狀與生產(chǎn)力空間變異,另一方面確定農(nóng)作物的生產(chǎn)目標,進行定位的“系統(tǒng)診斷、優(yōu)化配方、技術(shù)組裝、科學管理”,調(diào)動土壤生產(chǎn)力,以最少的或最節(jié)省的投入達到同等收入或更高的收入,并改善環(huán)境,高效地利用各類農(nóng)業(yè)資源,取得經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。精準農(nóng)業(yè)由十個系統(tǒng)組成，即全球定位系統(tǒng)、農(nóng)田信息采集系統(tǒng)、農(nóng)田遙感監(jiān)測系統(tǒng)、農(nóng)田地理信息系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、智能化農(nóng)機具系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)和培訓系統(tǒng)。（一）3S技術(shù)與精準農(nóng)業(yè)（1）全球定位系統(tǒng)。精準農(nóng)業(yè)廣泛采用了GPS系統(tǒng)用于信息獲取和實施的準確定位。為了提高精度廣泛采用了 DGPS（Differential Global Positioning System）技術(shù)，即所謂“差分校正全球衛(wèi)星定位技術(shù)”。它的特點是定位精度高，根據(jù)不同的目的可自由選擇不同精度的GPS系統(tǒng)。（2）地理信息系統(tǒng)GIS。精準農(nóng)業(yè)離不開 GIS（Geographical Information System）的技術(shù)支持，它是構(gòu)成農(nóng)作物精準管理空間信息數(shù)據(jù)庫的有力工具，田間信息通過GIS系統(tǒng)予以表達和處理，是精準農(nóng)業(yè)實施的重要。（3）遙感系統(tǒng) RS。遙感技術(shù)（Remote Sensing）是精準農(nóng)業(yè)田間信息獲取的關(guān)鍵技術(shù)，為精準農(nóng)業(yè)提供農(nóng)田小區(qū)內(nèi)作物生長環(huán)境、生長狀況和空間變異信息的技術(shù)要求。（4）作物生產(chǎn)管理專家決策系統(tǒng)。它的核心內(nèi)容是用于提供作物生長過程模擬、投入產(chǎn)出分析與模擬的模型庫；支持作物生產(chǎn)管理的數(shù)據(jù)資源的數(shù)據(jù)庫；作物生產(chǎn)管理知識、經(jīng)驗的集合知識庫；基于數(shù)據(jù)、模型、知識庫的推理程序；人機交互界面程序等。（5）田間肥力、墑情、苗情、雜草及病蟲害監(jiān)測及信息采集處理技術(shù)設(shè)備。（6）帶GPS系統(tǒng)的智能化農(nóng)業(yè)機械裝備技術(shù)。如帶產(chǎn)量傳感器及小區(qū)產(chǎn)量生成圖的收獲機械；自動控制精密播種、施肥、灑藥機械等等。其核心是建立一個完善的農(nóng)田地理信息系統(tǒng)（GIS），可以說是信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全面結(jié)合的一種新型農(nóng)業(yè)。精準農(nóng)業(yè)并不過分強調(diào)高產(chǎn)，而主要強調(diào)效益。它將農(nóng)業(yè)帶入數(shù)字和信息時代，是21世紀農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展在很大程度上依賴于生物遺傳育種技術(shù)，以及化肥、農(nóng)藥、礦物能源、機械動力等投入的大量增加而實現(xiàn)。由于化學物質(zhì)的過量投入引起生態(tài)環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降，高能耗的管理方式導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益低下，資源日顯短缺，在農(nóng)產(chǎn)品國際市場競爭日趨激烈的時代，這種管理模式顯然不能適應農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的需要。地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographical Information System）作為用于存儲、分析、處理和表達地理空間信息的計算機軟件平臺，技術(shù)上已經(jīng)成熟。它在“精準農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系中主要用于建立農(nóng)田土地管理，土壤數(shù)據(jù)、自然條件、作物苗情、病蟲草害發(fā)生發(fā)展趨勢、作物產(chǎn)量的空間分布等的空間信息數(shù)據(jù)庫和進行空間信息的地理統(tǒng)計處理、圖形轉(zhuǎn)換與表達等，為分析差異性和實施調(diào)控提供處方信息。它將納入作物栽培管理輔助決策支持系統(tǒng)，與作物生產(chǎn)管理與長勢預測模擬模型、投入產(chǎn)出分析模擬模型和智能化農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)一起，并在決策者的參與下根據(jù)產(chǎn)量的空間差異性，分析原因、作出診斷、提出科學處方，落實到GIS支持下形成的田間作物管理處方圖，指導科學的調(diào)控操作。遙感（RS，Remote Sensing）技術(shù)是未來精準農(nóng)業(yè)生物技術(shù)體系中獲得田間數(shù)據(jù)的重要來源。它可以提供大量的田間時空變化信息。近30多年來，RS技術(shù)在大面積作物產(chǎn)量預測，農(nóng)情宏觀預報等方面作出了重要貢獻。遙感技術(shù)領(lǐng)域積累起來的農(nóng)田和作物多光譜圖像信息處理及成像技術(shù)、傳感技術(shù)和作物生產(chǎn)管理需求密切相關(guān)。（派得偉業(yè)）RS獲得的時間序列圖像，可顯示出由于農(nóng)田土壤和作物特性的空間反射光譜變異性，提供農(nóng)田作物生長的時空變異性的信息，在一季節(jié)中不同時間采集的圖像，可用于確定作物長勢和條件的變化。由于采用衛(wèi)星遙感比航空攝影的成本將低一半以上，衛(wèi)星遙感技術(shù)可預期在近35年內(nèi)，在“精準農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系中扮演重要角色?！熬珳兽r(nóng)業(yè)”中的定位信息采集與處方農(nóng)作實施，需要采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）。近幾年來，GPS產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展迅速，若干大公司迅速涉足農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，提供了用于農(nóng)田測量、定位信息采集和與智能化農(nóng)業(yè)機械配套的差分校正全球衛(wèi)星定位技術(shù)（DGPS，Differential Global Positioning System）產(chǎn)品。系統(tǒng)可用于農(nóng)田面積和周邊測量、引導田間變量信息定位采集、作物產(chǎn)量小區(qū)定位計量、變量作業(yè)農(nóng)業(yè)機械實施定位處方施肥、播種、噴藥、灌溉和提供農(nóng)業(yè)機械田間導航信息等。DGPS作為農(nóng)業(yè)空間信息管理的基礎(chǔ)設(shè)施，一旦建立起來，即不但可服務于“精準農(nóng)業(yè)”，也可用于農(nóng)村規(guī)劃、土地測量、資源管理、環(huán)境監(jiān)測、作業(yè)調(diào)度中的定位服務，其農(nóng)業(yè)應用技術(shù)開發(fā)的前景廣闊。（二）3S技術(shù)在土壤養(yǎng)分管理中的應用1.基于GIS的土壤性狀數(shù)據(jù)庫建設(shè)精準農(nóng)業(yè)的實質(zhì)是應用3S技術(shù)的現(xiàn)代數(shù)字化和智能技術(shù)表達農(nóng)田條件和作物狀況的復雜空間變異,并實時實地地做出操作處理,而這種農(nóng)田條件的空間變異性是以土壤為基礎(chǔ)的。應用GIS系統(tǒng),可以將土壤邊界、土壤類型、地形地貌、排灌水系統(tǒng)、歷年的土壤測試結(jié)果、化肥和農(nóng)藥等使用情況以及歷年產(chǎn)量結(jié)果做成各自的GIS圖層管理起來。通過歷年的產(chǎn)量圖分析,可以看出田間產(chǎn)量變異情況,找出低產(chǎn)區(qū)域。然后通過產(chǎn)量圖與其他相關(guān)因素圖層的比較分析,找出影響產(chǎn)量的主要限制因素,在此基礎(chǔ)上,制定出該地塊的優(yōu)化管理信息系統(tǒng),用于指導當年的播種、施肥、除草、防治病蟲害、中耕、灌水等管理措施。同時,當前的各項管理措施又作為一個新的GIS圖層儲存起來,用于下一季作物管理的決策參考。2.實時遙感信息解譯技術(shù)研究遙感信息是獲得作物生長情況最實時、最有效的方法之一。在精準農(nóng)業(yè)中,遙感信息用于作物病蟲害防治、作物追肥等具有很大潛力。但是,目前所用的地球資源衛(wèi)星數(shù)據(jù),由于其地面分辨率為2530m,對作物施肥來講,似乎有點太粗。所以,以施肥為目的的遙感信息最好是航模遙感、航空遙感或其他形式的近地面遙感。同時,遙感信息的解譯也是精準農(nóng)業(yè)重要的研究內(nèi)容,主要是根據(jù)作物長勢、葉色等判斷土壤養(yǎng)分狀況,結(jié)合土壤養(yǎng)分的測定,用于施肥決策。該方法比用純粹的土壤養(yǎng)分測定方法實時且費用也低。3.精準農(nóng)業(yè)中數(shù)字信息的處理與接口技術(shù)研究在精準農(nóng)業(yè)中,為了獲得數(shù)字信息,并將這些信息進行處理,最后轉(zhuǎn)化為能控制變量機械的信號,需要經(jīng)過一系列的信息流及接口技術(shù),如GPS與GIS的聯(lián)接與傳輸、GPS與作物產(chǎn)量取樣器及土壤采樣器信號的疊加處理與傳輸、控制信號的形成與傳輸?shù)?這些都是精準農(nóng)業(yè)需要解決的問題。（三）應用GIS技術(shù)進行土壤養(yǎng)分管理的步驟我國是一個農(nóng)業(yè)大國,而農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀是:化肥使用不合理造成肥料利用率降低,農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量低下,土壤退化,環(huán)境污染,這嚴重影響了農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。GIS在土壤養(yǎng)分管理方面發(fā)揮著巨大的作用。利用GIS研究某地的土壤養(yǎng)分管理,步驟如下。1.土壤空間數(shù)據(jù)的采集在GIS和相關(guān)技術(shù)的支持下,可以快速取得有關(guān)土壤及其影響因素等一系列基礎(chǔ)空間信息,如地形、土地利用、作物、土壤肥力等,這些信息是進行土壤空間分析與評估的基礎(chǔ)。在土壤空間分析中,需要優(yōu)先考慮的主要是土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效鉀、pH值、土壤重金屬含量、土壤含水量、土壤壓實、耕作層深度等土壤屬性,也要考慮到作物病蟲害及作物苗情等信息。2.土壤空間數(shù)據(jù)的分析通過GIS提供的空間分析功能,可以從已知的土壤數(shù)據(jù)中得出重要的結(jié)果,這對于土壤養(yǎng)分的管理是十分重要的。地理信息系統(tǒng)與傳統(tǒng)地圖相比,其優(yōu)點是通過GIS提供的疊加分析功能,將土壤不同的數(shù)據(jù)組合在一起,形成新的數(shù)據(jù)集,能夠很快地將各種要素組合在一起,產(chǎn)生出新的綜合信息。并可分析出土壤各種因子的相互作用與相互影響,從中可發(fā)現(xiàn)它們之間的關(guān)系,如土壤養(yǎng)分與作物產(chǎn)量的關(guān)系;將土壤類型、地形、作物覆蓋數(shù)據(jù)進行疊加,建立三者在空間上的聯(lián)系,可以分析出土壤類型、地形、作物覆蓋之間的關(guān)系;將地形坡度、坡向、土壤養(yǎng)分、土壤類型、土地利用類型等數(shù)據(jù)進行疊加分析,結(jié)合土壤質(zhì)量評價模型,可以產(chǎn)生土壤質(zhì)量圖。3.土壤空間信息查詢與制圖土壤空間信息查詢有空間定位查詢,如對某種土壤類型的空間分布位置進行查詢;空間關(guān)系查詢,如與某種土壤類型相鄰的土壤類型,某一行政區(qū)域包括的土壤類型、沿河流域分布的土壤類型等。GIS具有很強的制圖功能,可以編繪出所需要的各種要素的專題地圖,如土壤肥力圖、土壤評級圖、土壤類型圖、土地利用圖及其他一些專題地圖,以及一系列社會經(jīng)濟指標統(tǒng)計圖等。在可視化方面,這些專題圖可以疊加在三維DEM上顯示,可以直觀地看出不同高程的土壤等級分布及N,P, K的分布,土壤類型的分布等,據(jù)此可進行多種專題圖的重疊而獲得土壤綜合信息。同時,可利用RS的實時信息,對土壤空間信息進行動態(tài)的監(jiān)測,及時調(diào)整和更新各種地圖。參考文獻：1鄭宇鳴，孟波等.“3S”集成技術(shù)在精細農(nóng)業(yè)中的應用.農(nóng)機化研究2011（8）：219-2222張麗，張東旭.“3S”技術(shù)在現(xiàn)代數(shù)字農(nóng)業(yè)中的應用.河北農(nóng)業(yè)科學2009，13（10）：149-1513姚建松.3S技術(shù)在精細農(nóng)業(yè)中的應用.農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)2009，35（1）：22-254王素珍，吳崇友.3S技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)中的應用研究.中國農(nóng)機化2010（6）：79-825房超. 3S技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)中的應用研究.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息2011（2）：11-136Yuhong Li,Li He,Xin Yang. 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