精准农业的主要技术支持系统

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1、精准农业的主要技术支持系统(1) 全球定位系统(2) 地理信息系统(3) 信息采集系统(4) 遥感监测系统(5) 决策支持系统(6) 智能化农业机械系统我国用7%的耕地解决了占世界22%人口的温饱问题，但人口的增长与可耕地 资源日趋减少已不可逆转。加入WTO后，农产品将面临更加严重的挑战，这一 切都要求我国农业必须挖潜增效、走可持续发展道路。“精准农业”(Precisi on Agriculture或Precision Farming)是基于信息和知识支持的现代农业。它是将遥 感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、计算机技术、通讯与网络 技术、自动化技术等高新技术与地理学

2、、农学、生态学、植物生理学、土壤学等 基础学科有机地结合，实现在农业生产全过程中对农作物、土地、土壤、从宏观 到微观的实时监测，以实现对农作物生长、发育状况、病虫害、水肥状况以及相 应的环境状况进行定期信息获取和动态分析，通过诊断和决策，制定实施计划， 并在GPS与GIS集成系统支持下进行田间作业的信息化现代农业。其技术思想 的核心，是按需实施，定位调控，即“处方农作”。精准农业是信息技术在现代农 业生产中的直接应用，已被公认为21世纪最先进的农业技术，而精准农业管理 决策支持系统是精准农业的核心所在，它集GIS、数据库、模型库、知识库、多 媒体技术和农业专家系统为一体，通过GIS、作物生长模

3、型、专家系统对GPS 数据、人工采集数据、遥感数据等多源、多维、多时空数据的分析决策，给出具 体空间可视化的变量施肥、变量灌溉、病虫害管理等作业方案，以获得最大的经 济收益和最小的环境污染。2国内外研究现状2.1国外现状美国二十世纪八十年代初提出精准农业的概念和设想，九十年代初进入生产实际 应用。目前美国、德国相继开发了一些农田空间信息系统如STT(Site SpecificTechnology)、Farm Works将GIS的基本功能用于辅助农田管理决策。2.2国内现状我国科学家在94年就提出在我国进行精准农业研究应用的建议。科技部徐冠华 部长在谈发展“数字地球”时认为，“精准农业”是中国“

4、数字地球”发展战略的切入点 之一。国家在S863计划中已列入了精准农业的内容，国家计委和北京市政府共 同出资在北京搞精准农业示范区。中科院也把精准农业列入知识创新工程计划，开展了以“精准农业”为目标的现代农业技术研究。最近广州实施规划覆盖广州市 的农业地理信息系统和北京市完成的基本农田信息管理地理信息系统都是基于 GIS平台上实现的。但是将GPS、GIS和农业专家系统相结合，来管理田间作 物生长的空间信息并结合农业专家系统对信息进行决策分析的系统，目前尚未见 报道。3系统目标、性能及功能设计3.1系统目标建立基于GPS和GIS的精准农业管理决策支持系统，可为农业生产者、管 理人员和科技人员提供

5、智能化、形象直观的信息服务。用户可通过该系统得到农 田相关的信息和统计分析；同时可进行播前、施肥、病虫害、生育期调控、产量 调控等决策支持，获得精准的作业方案。3.2系统性能(1) 可靠性：系统运行的可靠性和稳定性是系统最基本的要求。(2) 易操作性：针对用户大部分是非计算机专业的农业技术人员，因而界面必 须友好、操作简便。(3) 易扩充性：由于农业生产的地域、作物种类差异大，模型千变万化，因而 系统要求能够对模型库和知识库进行扩充。3.3系统功能模块设计本系统包括GPS子系统、信息采集子系统、属性数据管理子系统、农田GIS子 系统、决策支持子系统和系统管理子系统。(1) GPS子系统包括：数

6、据下载、数据预处理、坐标转换、数据入库和格式转 换(转成GIS格式)。(2) 信息采集子系统包括：数据输入、数据预处理、数据入库以及与传感器的 接口程序。(3) 属性数据管理子系统包括：主要是对已进入数据库中数据的操作。它的基 本功能有：数据输入，包括键盘输入和数据文件输入。数据编辑，包括修改数据、增加删除字段和记录。数据查询，包括条件查询和无条件查询。统计分析数据输出，包括文档输出和图表输出。(4) 农田GIS子系统主要包括：图层管理图形与属性双向查询检索统计计算空间分析(如图形交叉并等)制图输出(5) 决策支持子系统系统：决策支持子系统主要包括播前决策、施肥管理、病虫害防治、生育期调控和产

7、量 结够调控五部分。播前决策。主要包括选择品种、播种时期、播种密度等。系统通过土壤肥力模型、作物生长 模拟模型对农田的基本状况进行分析，对水稻品种进行最佳选择后，在GIS支 持下得到变量播种图。施肥管理包括施肥时间、施肥量、施肥密度等。变量施肥是农田决策的主要组成部分，也 是精准农业研究的重要领域。病虫害防治包括病虫害种类，可能发生的时间、程度。确定用药种类、时间、用量。根据当 地气候、往年病虫害发生情况和作物生长状况，预测病虫害的发生；并根据病虫 害专家系统给出具体防治方案。生育期调控确定生育期的调控建议。根据作物生长规律，在作物生长的每一阶段给出最佳调 控建议，以期得到最佳生育状态。产量结

8、构调控根据土壤肥力等状况，按照可持续发展的原则，提出产量调控建议。(6) 系统管理子系统：包括系统备份、系统恢复、系统权限管理、系统日志和 系统助。3.4数据库设计精准农业主要是依靠农田信息和农业专家知识制定出一套合理的从作物播种到 收获过程的管理方案和措施，如品种选择、播种时机、播种密度、施肥方案、病 虫防治方案等。因而系统涉及到的数据具有多源、多维和多时空特征。实施精准农业所需要的数据主要包括：GPS数据、农田基本地理数据、土壤数 据、气象数据、作物数据、化肥农药数据、病虫防治数据、模型数据、专家知识。(1) 农田基本地理数据。包括农田地形图、土地利用图、农业设施分布图等；(2) GPS数

9、据。GPS的应用是精准农业与传统农业的重要区别之一。主要包 括：GPS控制点，土壤、环境、水分等采样点的GPS点数据；(3) 土壤数据库。包括土壤类型、土壤剖面、土壤质地、耕作层、土壤养分淋 洗等、土壤容重、土壤养分(土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、 速效钾)、土壤微量元素(硼、锰、铜、锌等)、PH值等；(4) 气象资料数据。包括经纬度、海拔、日照时数、日平均温度、日温度极值、 空气相对湿度、风速、日降水量、水汽压等；(5) 作物数据库。包括作物种类、作物品种、生育期(播种、出苗、拔节、孕 穗、抽穗、成熟期)；作物营养需求(水分、养分等)，产量及产量结构；病虫(6) 化肥农药数据

10、库。包括品名、价格、形状、作用等；(7) 病虫防治数据。包括主要病虫害名称、图片、识别特征、防治措施。(8) 模型库。包括产量潜力模型、土壤肥力评价模型、农业生产力模型、生育 期模型、光合产物模型、最佳栽培模型、病虫害预测模型等。(9) 专家知识库。包括有关作物栽培与管理的一些重要经验和知识。4系统实现4.1系统硬件支撑环境GPS接收机、PC机、服务器、数字化仪、彩色绘图仪、扫描仪和打印机等。4.2系统软件支撑环境PC机Windows98以上操作系统、服务器Windows2000Server操作系统、数据 库为 Windows SQL Server2000、GIS 控件为 ESRI MapOb

11、jects2.0、开发语言 为 Visual Basic6.0、Visual C+6.0.4.3实现技术4.3.1组件技术系统采用组件技术，遵循COM/DCOM技术规范，可面向对象进行组件定制。 系统GIS开发平台为MapObjects2.0,它是一个提供制图与GIS功能的ActiveX 控件。使系统具有模块化、封装性和重用性等特点，更方便与其它关键技术集成。4.3.2集成技术本系统以数据库为中心，各个子系统通过对数据库的访问来实现数据交换和参数 传递，达到各个子系统的无缝连接。模型成为GIS的一部分功能，GIS为模型 生产和操作参数、输入和阐述变量、构造输出模式、结果显示等。5系统应用本系统

12、已在宁夏精准农业示范基地得到应用。宁夏精准农业示范基地设在宁夏暖 泉农场，地处宁夏贺兰山东麓，距自治区首府银川市35公里。地理高度1099 1150米，全场南北14公里，东西11公里，总面积14.64万亩，属中温带干 旱气候区。一期分A、B、C三个区，共5000亩。以下四张分别为系统生成A 区有机质分布图、A区速效磷分布图、A区产量分布图和A区氮肥施肥图。6结语本系统将GPS、作物生长模拟和优化管理模型、作物栽培专家系统与农田GIS 集成。一方面具有GIS管理分析功能，另一方面具有决策功能，可以为用户提供播种、施肥、灌溉、病虫害、生育期调控、产量调控等决策支持。在寻求适合 我国国情的精准农业关键技术集成方面做了初步的探索。本系统中的作物只涉及适合宁夏地区生长的小麦、玉米和水稻，因而模型库和知 识库还有待进一步的完善和扩充。另外系统还应增加经济和环境效益评价子系 统，用户可以计算投入和产出，对农业生产效益以及精准农业实施中对环境改善 的效益进行评估。