基于“3S”技术的现代化精细农业管理模式设计

张小林，闫 喆

（中煤航测遥感集团有限公司，陕西西安 710199）

纵观整个农业生产的发展历程，人类农业生产总体上经历了原始农业、传统农业和现代农业3 个主要发展阶段，在农业生产发展的同时，也导致了水土流失、生态环境恶化、水资源浪费、生物多样性破坏等一系列社会问题，这些问题都不容忽视。在此基础之上，人们提出了一系列应对措施，如推广回归农业、生态农业、有机农业、综合农业等发展模式。在如今科技发展的新时代，农业生产将不再是以前粗放型的产业，人们开始对农业进行“精雕细琢、精准作业”。近些年来，随着遥感技术（RS）、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）及相关技术的不断发展和优化，基于“3S”技术的现代精准农业已经受到了社会各界的高度重视，而精准农业管理系统作为一个集遥感技术、全球定位、地理信息于一体的综合性农业管理系统，也越来越受到人们的关注。基于“3S”技术的新型精细农业，成为农业生产可持续发展的热点领域。

1 研究背景

精细农业是一种异于传统的新型农田管理方式。农田土壤质地、农作物特性都不是均一的，是随着时间、空间的变化而变化的。而在传统的、目前仍在采用的农田管理中，人们普遍认为农田的基本耕作属性是均一的，采用统一的施肥时间、施肥量。基于此，现代精细农业管理系统是利用遥感信息技术、全球定位系统和地理信息技术对农田区域数据进行采集、管理、分析、预警、决策，实现农业精细化、系统化管理，更科学合理地利用土地，提高产能，建设可持续化生态农业。

1.1 国内外研究现状

美国是全球范围内实施精细化农业管理最早的国家，于20 世纪80 年代初提出了精准农业的理念和设想。20世纪90年代，精准农业首先在美国和加拿大实现产业化应用，目前部分技术和设备已经成熟和成型，并取得了很大的经济效益，但尚未形成系统，仍处于研究发展阶段。精准农业是在发达国家大规模经营和机械化操作条件下发展起来的，目前世界许多国家已开展了相关的研究和应用实践[1]。

20世纪90年代初期，我国才开始精细化农业方面的相关研究，但总体呈现技术支持不足、规模较小、进度缓慢等特征。黑龙江作为我国农业发达地区，率先开始了农业信息化建设，到2012年底，已经在多个农场建立了精准农业试验示范区。基于GPS 的农机精准控制产品在黑龙江垦区得到广泛应用，并取得了良好的效果[1]。

1.2 技术发展趋势

随着我国耕地保护相关政策的实施，国家先后进行了永久基本农田划定、农村土地承包经营权确权颁证、粮食功能区和重要农产品保护区划定等相关项目。土地保护管理制度愈发严格，部分地区城镇化、工业化侵占农业生产空间等现象将得到有效遏制，农业生产区域结构也将有所改善。科学、精细、规范化发展农业进一步深入农民心中，农业科技化发展水平正在逐步提高。随着农业可持续发展机制的逐步完善，农药、化肥使用量零增长行动的深入开展，测土配方施肥、科学合理灌溉、新型防控技术等不断推广应用，大水漫灌的粗放式农业发展模式将得到转变，农业生产能力也将得到提高。农业生产现代化精细管理已成为世界范围内农业生产不可阻挡的潮流，新的产业革命正在不断孕育。

2 研究方案

现代化精细农业管理模式的前提是人们必须能随时间和空间变化采集数据，根据最准确、最快速的农田采集数据进行处理分析、加工、应用，高度摄取数据反映的内在信息，掌握田地属性的变化和需求，形成科学合理的管理设计，精细控制田间作业。实现这些目标的关键技术是全球定位系统、地理信息系统、遥感技术、农田空间信息采集传感技术、作物生产管理辅助决策支持系统和智能化变量作业农业机械等[2]。

我国幅员辽阔，各地农业条件复杂，有大规模现代化经营的农场、分散不集中的小农生产，还存在高度集约化的保护地栽培。所以，我国精准农业不应是单一的发展模式，应结合地理信息技术建立管理信息系统，因地制宜调整投入物资使用量，以精准变量管理为主，以“3S”为核心技术，引进先进设备，开发精准农业的大脑——管理决策支持系统，实现实时监控，完善农业预警系统，建立健全精细农业信息管理系统，形成农业“低耗、高效、优质、环保”的智能化、精细化体系。

2.1 技术支持

精细农业离不开先进的技术支持，只有当技术达到条件，我们才能够更加准确、全面、即时地获取田间数据，掌握第一时、第一手的农田信息，继而依据科学化种植原理精细管理农业。

全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）是精细农业技术体系中关键的技术之一，是在作物生产管理中，根据农田区域产量和生产环境因素的空间差异性，通过空间信息的聚类处理后，实施定位处方农作，利用GPS 技术实现农机农具的无人化管理、实时定位、远程操作等技术化操控。因此，GPS技术是实施精细农业的基础[3]。

地理信息系统（Geographic Information Systems，简称GIS）是整体管控农业生产的应用管理软件，也是精细农业的大脑，是用于对大量的农业相关数据进行输入、存储、检索、分析、处理和表达地理空间数据的平台。通过带有坐标位置、地理特征的地理空间数据库、农业数据库为基础，将统一坐标位置的各种数值相互套和在一起。地理信息系统接收来自各类传感器（变量耕地实时传感器、施肥传感器、播种传感器等）及监测系统的信息[4]，同时对这些各类农业数据进行统计、处理、分析后，在平台软件的同一坐标系统下显示，从而绘制信息电子地图，做出科学决策。GIS 主要用于建设农田土地管理、自然条件、作物苗情、土壤数据、生产条件、病虫草害、作物产量等[4]。

遥感技术（Remote Sensing，简称RS）是现代化精细农业的重要信息来源，利用高分辨率传感器。在不同的作物物候期，实施全面多方位监测，进行空间定性、定位分析，为定位处方农作提供大量的田间时空变化信息[4]。

农业信息采集技术（Farming Data Acquired Technology）是现代化精细农业数据采集的一种重要技术方式。快速、有效采集和处理农田空间分布信息，是实践精细农业的重要基础。

智能化变量作业农业机械（Intelligent Farm Machinery）是实现现代化精细农业的标志。支持精细农业实践的多种变量农业机械已在生产和使用，特别在施肥、喷药、播种和灌溉等方面，农田机械已是一种趋势。

2.2 技术路线

本文所研究的管理模式以GIS 数据作为基础地理数据，对土地赋予空间属性特征；利用新型农业监测设备（如土壤墒情传感器、土壤养分监测探头、雨量监测站等），对农田区域进行实时数据采集，掌握农田区域内的实时土壤养分数据、墒情数据、风向数据等，利用3S 技术对农田区域进行数据分析、生产管理、属性分析，结合最新带有定位系统的农机具设备（见图1），对农田区域进行精准耕作，实现精细化管理。精细农业管理模式设计的技术路线见图2。

2.2.1 数据采集处理

精细农业管理模式需要采集的数据包括高分辨率影像、高精度大比例尺地形数据、农业实时监测数据及采样数据等。

1）高分辨率影像。高分辨率影像数据作为基础底图，真实直观，便于分析，并且在作物不同的物候期定期获取最新影像，可做不同时间影像对比分析，更加全面、客观真实地反映实际情况。

2）高精度大比例尺地形数据。地形数据主要包括高程、地形、道路、建筑物、管线、植被、农业设施等详细内容，对所采集到的数据进行处理，增加农业属性，真实可靠地反映实地的情况，可以作为农业数据库的基础，同时作为后期规划和建设的基础底图，做到科学精准。

3）农业实时监测数据及采样数据。如田间土壤养分数据、土壤含水量数据、土壤pH值检测数据、土壤有机质和磷含量数据（见表1）、风向、降雨量数据等相关内容，利用这些数据对田间作物进行实时监测，设置监测规则，确保农田作物处于生长最佳环境。

表1 土壤样本点有机质和磷含量数据对比 单位：g·kg-1

2.2.2 精细管理设计

精细农业管理模式利用采集处理分析的相关农业数据，对土地进行科学设计，制定设计方案。例如，利用采集到的高程、地形、风向等数据设计田地分布，将更适合耕作的地块用于耕种，不利于耕种的区域架设农业基础设施；利用采集到的土壤养分、pH值、含水量等数据设计确定土地耕种作物（如小麦种植区、药材种植区等），同时确定灌溉方式（如滴灌、喷灌、漫灌管道系统等）。

2.2.3 配套设施建设

依据制定的设计方案进行配套设施建设：修设中控室，修建灌溉系统，架设气象站，架设安装水肥配比罐等相应的设备。

2.3 精细农业管理模式的模块划分

精细农业管理模式的架构主要分为表现层、业务层和数据层。涉及到的模块划分见图3。

2.4 系统功能模块

系统功能模块主要包括基础数据管理模块、管理分析模块、决策支持模块。

1）基础数据管理模块。包括高分辨率影像数据、实景三维数据、高精度大比例地形图数据、农业实时监测数据及采样数据等的管理。数据的分层显示、数据叠加、数据符号化管理、数据属性库管理、数据更新等内容。

2）管理分析模块。包括农业空间数据、农田专项数据的分析统计。该模块主要是针对采集到的相关农业数据，进行对应的数据分析处理。例如将采集到的土壤质地类型数据进行分类标记，制作专业的专题分布图，使得土壤类型分布一目了然，让农业生产决策者能够因地适宜，科学耕作。

3）决策支持模块主要包括指导施肥、精准灌溉、GPS指导农作等。

①指导施肥。根据种植地土壤养分空间分布的差异性及作物生长不同时期的养分营养需要量，结合采样点的化验值，可将土壤类型、土壤质地、土壤养分含量、历年施肥和产量情况等有关信息输入数据库，制成GIS 土壤养分图层、肥料施用量图层，作为指导变量施肥的技术依据。精准的施肥方式将实现耕地内各区域营养元素全面平衡供应，使肥料投入更为合理，利用率和肥料增产效益达到最优的水平。

②精准灌溉。由于土壤质地的差异，地形的差异，不同空间地区不同土质的田间持水量并不相同，且不同季节温度差异导致田间水分蒸发量有所差异，在满足作物不同时期水分需水量的前提下，实现精准节水灌溉。

③GPS 指导农作。将GPS 技术置于农业机械、无人机等设备，通过软件来设置耕作路径、收割路径、植保航线、更加高效科学的指导农作（见图1）。

2.5 存在的难点

利用“3S”技术指导现代化精细农业管理，所涉及到的技术难点较多，主要体现在以下3个方面。

1）由于地域差异，以及各农田的基础属性不同，使得精细化农业管理模式对于农田的增产作用不够明显。这是目前急需解决的技术难点之一。

2）目前，市场上支持精细农业实施的决策支持系统普遍还不够完善。以目前的变量施肥决策为例，主要是基于土壤养分测定数据和产量图，对于作物本身性状（如吸肥特性、叶面积指数、干物质积累的空间变化等）未进行考虑。另外，农田实时属性信息的获取和专家系统的指导决策是目前精准农业研究的2个主要难点，也是精准农业研究的主要内容和突破口。除此之外，图像分类方法、空间分析算法、航拍影像获取间期、影像分辨率提升、精细网格的科学布设也是待攻克的问题。

3）利用“3S”技术进行现代化精细农业管理的模式，所需的后台农业数据库建设难度非常大。本文所设计的管理模式需要大量的农业数据支撑，例如各类农作物生长所需要的最优水分值、最适合的土壤养分区间、各地的土壤养分含量数据、地区多年降雨量、各类农作物最佳光照时长等数据，同时不同地区的数据差异性较大，因此，现代化精细农业管理所需的数据库建设难度非常大。

3 总结和展望

现代化精细农业管理模式是基于3S、DSS（决策支持系统）、智能设备、物联网、云计算与大数据等新型技术，实现农业生产现代化、精细化的一种全新管理模式。为了使农业生产更加科学规范、产能更高、经济效率更好，越来越多的新型技术将不断深入渗透到农业的各个方面，现代化精细农业管理模式也将成为一种趋势。虽然目前所架构的新型农业管理模式还存在着较多的技术难点，短时间内无法完全实现，但是人们对于可持续发展的农业模式，对于降低农业生产成本、提高农作物品质的追求不会改变，现代化精细农业管理的发展也会越来越迅速。