基于“3S”技術的現代化精細農業管理模式設計

張小林　閆喆

摘 要 隨著我國科技水平的不斷發展，現代化精細農業管理模式正在快速地融入到農業生產中?；凇?S”（RS、GPS、GIS）相關技術，對農田區域數據進行采集、管理、分析、預警，從而指導灌溉、施肥、用藥等農事操作，對實現農業生產精細化管理，提高農作物品質，建設可持續化生態農業的目標，有著重大的推進作用。

關鍵詞 “3S”技術;數據管理;精細農業

中圖分類號：F302;S126 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.17.002

縱觀整個農業生產的發展歷程，人類農業生產總體上經歷了原始農業、傳統農業和現代農業3個主要發展階段，在農業生產發展的同時，也導致了水土流失、生態環境惡化、水資源浪費、生物多樣性破壞等一系列社會問題，這些問題都不容忽視。在此基礎之上，人們提出了一系列應對措施，如推廣回歸農業、生態農業、有機農業、綜合農業等發展模式。在如今科技發展的新時代，農業生產將不再是以前粗放型的產業，人們開始對農業進行“精雕細琢、精準作業”。近些年來，隨著遙感技術（RS）、全球定位系統（GPS）、地理信息系統（GIS）及相關技術的不斷發展和優化，基于“3S”技術的現代精準農業已經受到了社會各界的高度重視，而精準農業管理系統作為一個集遙感技術、全球定位、地理信息于一體的綜合性農業管理系統，也越來越受到人們的關注?；凇?S”技術的新型精細農業，成為農業生產可持續發展的熱點領域。

1? 研究背景

精細農業是一種異于傳統的新型農田管理方式。農田土壤質地、農作物特性都不是均一的，是隨著時間、空間的變化而變化的。而在傳統的、目前仍在采用的農田管理中，人們普遍認為農田的基本耕作屬性是均一的，采用統一的施肥時間、施肥量?；诖?，現代精細農業管理系統是利用遙感信息技術、全球定位系統和地理信息技術對農田區域數據進行采集、管理、分析、預警、決策，實現農業精細化、系統化管理，更科學合理地利用土地，提高產能，建設可持續化生態農業。

1.1? 國內外研究現狀

美國是全球范圍內實施精細化農業管理最早的國家，于20世紀80年代初提出了精準農業的理念和設想。20世紀90年代，精準農業首先在美國和加拿大實現產業化應用，目前部分技術和設備已經成熟和成型，并取得了很大的經濟效益，但尚未形成系統，仍處于研究發展階段。精準農業是在發達國家大規模經營和機械化操作條件下發展起來的，目前世界許多國家已開展了相關的研究和應用實踐[1]。

20世紀90年代初期，我國才開始精細化農業方面的相關研究，但總體呈現技術支持不足、規模較小、進度緩慢等特征。黑龍江作為我國農業發達地區，率先開始了農業信息化建設，到2012年底，已經在多個農場建立了精準農業試驗示范區?；贕PS的農機精準控制產品在黑龍江墾區得到廣泛應用，并取得了良好的效果[1]。

1.2? 技術發展趨勢

隨著我國耕地保護相關政策的實施，國家先后進行了永久基本農田劃定、農村土地承包經營權確權頒證、糧食功能區和重要農產品保護區劃定等相關項目。土地保護管理制度愈發嚴格，部分地區城鎮化、工業化侵占農業生產空間等現象將得到有效遏制，農業生產區域結構也將有所改善?？茖W、精細、規范化發展農業進一步深入農民心中，農業科技化發展水平正在逐步提高。隨著農業可持續發展機制的逐步完善，農藥、化肥使用量零增長行動的深入開展，測土配方施肥、科學合理灌溉、新型防控技術等不斷推廣應用，大水漫灌的粗放式農業發展模式將得到轉變，農業生產能力也將得到提高。農業生產現代化精細管理已成為世界范圍內農業生產不可阻擋的潮流，新的產業革命正在不斷孕育。

2? 研究方案

現代化精細農業管理模式的前提是人們必須能隨時間和空間變化采集數據，根據最準確、最快速的農田采集數據進行處理分析、加工、應用，高度攝取數據反映的內在信息，掌握田地屬性的變化和需求，形成科學合理的管理設計，精細控制田間作業。實現這些目標的關鍵技術是全球定位系統、地理信息系統、遙感技術、農田空間信息采集傳感技術、作物生產管理輔助決策支持系統和智能化變量作業農業機械等[2]。

我國幅員遼闊，各地農業條件復雜，有大規?，F代化經營的農場、分散不集中的小農生產，還存在高度集約化的保護地栽培。所以，我國精準農業不應是單一的發展模式，應結合地理信息技術建立管理信息系統，因地制宜調整投入物資使用量，以精準變量管理為主，以“3S”為核心技術，引進先進設備，開發精準農業的大腦——管理決策支持系統，實現實時監控，完善農業預警系統，建立健全精細農業信息管理系統，形成農業“低耗、高效、優質、環?！钡闹悄芑?、精細化體系。

2.1? 技術支持

精細農業離不開先進的技術支持，只有當技術達到條件，我們才能夠更加準確、全面、即時地獲取田間數據，掌握第一時、第一手的農田信息，繼而依據科學化種植原理精細管理農業。

全球定位系統（Global Positioning System，簡稱GPS）是精細農業技術體系中關鍵的技術之一，是在作物生產管理中，根據農田區域產量和生產環境因素的空間差異性，通過空間信息的聚類處理后，實施定位處方農作，利用GPS技術實現農機農具的無人化管理、實時定位、遠程操作等技術化操控。因此，GPS技術是實施精細農業的基礎[3]。

地理信息系統（Geographic Information Systems，簡稱GIS）是整體管控農業生產的應用管理軟件，也是精細農業的大腦，是用于對大量的農業相關數據進行輸入、存儲、檢索、分析、處理和表達地理空間數據的平臺。通過帶有坐標位置、地理特征的地理空間數據庫、農業數據庫為基礎，將統一坐標位置的各種數值相互套和在一起。地理信息系統接收來自各類傳感器（變量耕地實時傳感器、施肥傳感器、播種傳感器等）及監測系統的信息[4]，同時對這些各類農業數據進行統計、處理、分析后，在平臺軟件的同一坐標系統下顯示，從而繪制信息電子地圖，做出科學決策。GIS主要用于建設農田土地管理、自然條件、作物苗情、土壤數據、生產條件、病蟲草害、作物產量等[4]。

遙感技術（Remote Sensing，簡稱RS）是現代化精細農業的重要信息來源，利用高分辨率傳感器。在不同的作物物候期，實施全面多方位監測，進行空間定性、定位分析，為定位處方農作提供大量的田間時空變化信息[4]。

農業信息采集技術（Farming Data Acquired Technology）是現代化精細農業數據采集的一種重要技術方式?？焖?、有效采集和處理農田空間分布信息，是實踐精細農業的重要基礎。

智能化變量作業農業機械（Intelligent Farm Machinery）是實現現代化精細農業的標志。支持精細農業實踐的多種變量農業機械已在生產和使用，特別在施肥、噴藥、播種和灌溉等方面，農田機械已是一種趨勢。

2.2? 技術路線

本文所研究的管理模式以GIS數據作為基礎地理數據，對土地賦予空間屬性特征;利用新型農業監測設備（如土壤墑情傳感器、土壤養分監測探頭、雨量監測站等），對農田區域進行實時數據采集，掌握農田區域內的實時土壤養分數據、墑情數據、風向數據等，利用3S技術對農田區域進行數據分析、生產管理、屬性分析，結合最新帶有定位系統的農機具設備（見圖1），對農田區域進行精準耕作，實現精細化管理。精細農業管理模式設計的技術路線見圖2。

2.2.1? 數據采集處理

精細農業管理模式需要采集的數據包括高分辨率影像、高精度大比例尺地形數據、農業實時監測數據及采樣數據等。

1）高分辨率影像。高分辨率影像數據作為基礎底圖，真實直觀，便于分析，并且在作物不同的物候期定期獲取最新影像，可做不同時間影像對比分析，更加全面、客觀真實地反映實際情況。

2）高精度大比例尺地形數據。地形數據主要包括高程、地形、道路、建筑物、管線、植被、農業設施等詳細內容，對所采集到的數據進行處理，增加農業屬性，真實可靠地反映實地的情況，可以作為農業數據庫的基礎，同時作為后期規劃和建設的基礎底圖，做到科學精準。

3）農業實時監測數據及采樣數據。如田間土壤養分數據、土壤含水量數據、土壤pH值檢測數據、土壤有機質和磷含量數據（見表1）、風向、降雨量數據等相關內容，利用這些數據對田間作物進行實時監測，設置監測規則，確保農田作物處于生長最佳環境。

2.2.2? 精細管理設計

精細農業管理模式利用采集處理分析的相關農業數據，對土地進行科學設計，制定設計方案。例如，利用采集到的高程、地形、風向等數據設計田地分布，將更適合耕作的地塊用于耕種，不利于耕種的區域架設農業基礎設施;利用采集到的土壤養分、pH值、含水量等數據設計確定土地耕種作物（如小麥種植區、藥材種植區等），同時確定灌溉方式（如滴灌、噴灌、漫灌管道系統等）。

2.2.3? 配套設施建設

依據制定的設計方案進行配套設施建設：修設中控室，修建灌溉系統，架設氣象站，架設安裝水肥配比罐等相應的設備。

2.3? 精細農業管理模式的模塊劃分

精細農業管理模式的架構主要分為表現層、業務層和數據層。涉及到的模塊劃分見圖3。

2.4? 系統功能模塊

系統功能模塊主要包括基礎數據管理模塊、管理分析模塊、決策支持模塊。

1）基礎數據管理模塊。包括高分辨率影像數據、實景三維數據、高精度大比例地形圖數據、農業實時監測數據及采樣數據等的管理。數據的分層顯示、數據疊加、數據符號化管理、數據屬性庫管理、數據更新等內容。

2）管理分析模塊。包括農業空間數據、農田專項數據的分析統計。該模塊主要是針對采集到的相關農業數據，進行對應的數據分析處理。例如將采集到的土壤質地類型數據進行分類標記，制作專業的專題分布圖，使得土壤類型分布一目了然，讓農業生產決策者能夠因地適宜，科學耕作。

3）決策支持模塊主要包括指導施肥、精準灌溉、GPS指導農作等。

①指導施肥。根據種植地土壤養分空間分布的差異性及作物生長不同時期的養分營養需要量，結合采樣點的化驗值，可將土壤類型、土壤質地、土壤養分含量、歷年施肥和產量情況等有關信息輸入數據庫，制成GIS土壤養分圖層、肥料施用量圖層，作為指導變量施肥的技術依據。精準的施肥方式將實現耕地內各區域營養元素全面平衡供應，使肥料投入更為合理，利用率和肥料增產效益達到最優的水平。

②精準灌溉。由于土壤質地的差異，地形的差異，不同空間地區不同土質的田間持水量并不相同，且不同季節溫度差異導致田間水分蒸發量有所差異，在滿足作物不同時期水分需水量的前提下，實現精準節水灌溉。

③GPS指導農作。將GPS技術置于農業機械、無人機等設備，通過軟件來設置耕作路徑、收割路徑、植保航線、更加高效科學的指導農作（見圖1）。

2.5? 存在的難點

利用“3S”技術指導現代化精細農業管理，所涉及到的技術難點較多，主要體現在以下3個方面。

1）由于地域差異，以及各農田的基礎屬性不同，使得精細化農業管理模式對于農田的增產作用不夠明顯。這是目前急需解決的技術難點之一。

2）目前，市場上支持精細農業實施的決策支持系統普遍還不夠完善。以目前的變量施肥決策為例，主要是基于土壤養分測定數據和產量圖，對于作物本身性狀（如吸肥特性、葉面積指數、干物質積累的空間變化等）未進行考慮。另外，農田實時屬性信息的獲取和專家系統的指導決策是目前精準農業研究的2個主要難點，也是精準農業研究的主要內容和突破口。除此之外，圖像分類方法、空間分析算法、航拍影像獲取間期、影像分辨率提升、精細網格的科學布設也是待攻克的問題。

3）利用“3S”技術進行現代化精細農業管理的模式，所需的后臺農業數據庫建設難度非常大。本文所設計的管理模式需要大量的農業數據支撐，例如各類農作物生長所需要的最優水分值、最適合的土壤養分區間、各地的土壤養分含量數據、地區多年降雨量、各類農作物最佳光照時長等數據，同時不同地區的數據差異性較大，因此，現代化精細農業管理所需的數據庫建設難度非常大。

3? 總結和展望

現代化精細農業管理模式是基于3S、DSS（決策支持系統）、智能設備、物聯網、云計算與大數據等新型技術，實現農業生產現代化、精細化的一種全新管理模式。為了使農業生產更加科學規范、產能更高、經濟效率更好，越來越多的新型技術將不斷深入滲透到農業的各個方面，現代化精細農業管理模式也將成為一種趨勢。雖然目前所架構的新型農業管理模式還存在著較多的技術難點，短時間內無法完全實現，但是人們對于可持續發展的農業模式，對于降低農業生產成本、提高農作物品質的追求不會改變，現代化精細農業管理的發展也會越來越迅速。

參考文獻：

[1]? 董力偉.我國精準農業的發展現狀[J].數字通信世界，2014（2）：52-54.

[2]? 周智浩，王宏燕.智能化農業專家系統開發設計與研究[J].現代化農業，2011（10）：48-50.

[3]? 賈文明，謝方生.“3S”技術為核心的精準農業在我國的發展及應用[J].農業網絡信息，2007（6）：39-42.

[4]? 農業機械化工程專業課程.第六章 精細農業與農業機械化新裝備[EB/OL].http：//www.doc88.com/p-4347067842408.html，2014-09-19.

（責任編輯：敬廷桃）

收稿日期：2022-05-07

作者簡介：張小林（1990—），男，陜西澄城人，本科，工程師，從事測繪地理信息技術應用。