【摘 要】GIS（地理信息系统）技术在精确农业中起着十分重要的作用。本文详细探讨了GIS技术与精确农业的关系，阐述了GIS技术在精确农业宏观决策和微观控制中的作用以及实际应用的结构体系。
【关键词】精确农业；决策；控制；GIS
精确农业是信息和人工智能技术在农业宏观及微观运用的产物，是现代农业可持续发展的方向。其基本思想是利用信息技术宏观决策、微观控制整个农业生产过程，达到提高农业劳动生产率、农资利用率，降低成本，改善生态环境的目的，使经济效益、社会效益、生态效益同步增长、持续发展。因此，可以说精确农业就是数字农业、信息农业。精确农业中的信息技术主要指3S技术（GPS、GIS、RS），其中GIS（地理信息系统）技术作为精确农业中整个信息系统的承载运作平台和基础，起着一个大脑和中枢的作用。精确农业作为一个完整的大系统，各种农业资源数据的流入、决策控制信息的流出均要在GIS技术的支持下执行完成。
1 GIS与农业工程的宏观决策
现代农业的宏观决策包括土地资源的规划利用、作物产量的评估、以地域为基础的农作物经济效益分析、大面积土壤质量评估与分析、病虫害防治、环境污染的控制、水资源的合理利用等。在这些方面GIS技术与RS（遥感）技术相结合，将使我们的宏观决策提高到一个崭新的水平。例如，通过遥感卫星提供的数字图像，经过解译、矢量化提供给GIS平台可对观测对象的面积、长度等空间实体属性，给出定量的结果；利用GIS强大的分析功能，如：叠置分析、缓冲分析、分布分析、地形分析、拓扑分析、以及数值统计分析等，能对观测对象进行实时定量的评估和发展趋势的预测分析。下面就GIS几种主要的分析功能在农业方面的应用作一讨论。
1.1 叠置分析
叠置分析有两方面的含义，一是不同空间数据层进行叠加，产生具有新特征的空间数据层。例如在土地资源规划方面，可以将土地资源数据层与水利资源等相关数据层进行叠加，建立它们之间的空间实体关系，便于规划时进行综合分析。一是将同比例尺、同区域的多个数据层叠置，建立具有多重属性的图形，即多边形叠加。利用这一功能可以得到同一地区的空间实体、在不同时域内的定量差异。可以准确确定不同年份土地资源的变化情况，包括面积、位置、程度（统计叠加分析）等。在水资源利用方面，通过不同时段的叠加分析可以看出水量（根据水域面积或河道宽度）以及水流方向（如河流的改道等）的变化情况。
1.2 缓冲分析
为了确定不同地理特征的空间接近度或邻近性需要建立缓冲区。缓冲分析就是在点、线、面空间实体（缓冲目标）周围建立一定宽度范围的多边形，这些多边形将构成新的数据层。缓冲分析可以对缓冲区范围以内的地理因素，对缓冲目标的影响进行分析。例如为防止水土流失，要求距河流两岸一定范围内规划出禁止砍伐的林木地带，缓冲分析可以根据河流类型、两岸土质得出相应的缓冲宽度。在病虫害防治方面，可以病虫害发生地点为中心，根据相关分析模型（如以历年样本数据为基础建立的统计模型）建立缓冲区，对病虫害扩散范围、受灾程度进行预测分析，以制定相应的防治措施。
1.3 分布分析
分布分析是用不同颜色、灰度或图形符号，表示某专题数据（对象）在不同区域的数量、程度等分布情况，可直观表现出该研究对象的发展趋势、演变过程。例如，在农业土壤分析方面，利用分布分析可对不同区域、不同年份土壤碱化程度、盐分含量进行对比分析；在环境污染方面，利用分布分析的区域范围分布，可对不同地区的污染程度进行评估、对污染的演变过程进行分析，并可预估环境污染的进一步变化趋势；采用独立值分布，可表示农作物的种植分布情况，并进行统计分析。
1.4 地形分析
以数字高程模型为基础，可以获得等值线图、三维立体地形图、透视图等。GIS的地形分析在农业工程方面有着广泛的应用。例如，将三维地形地貌与专题数据（如土壤、土地利用、植被等）进行组合分析；生成地下水水位、降深、埋深等值线、用其他连续变化的特征量代替高程后，可用三维图形表示污染状况、地下水水位、植被覆盖程度、洪涝灾害等。
还有网络分析（拓扑分析）、集合分析、地学分析等，这些对农业的宏观决策均是强有利的工具。采用GIS的分析工具对某项专题进行分析时，很多情况下要建立该专题的分析数学模型和计算方法，如：土地规划模型、水资源平衡模型、农作物布局模型、土壤分析模型、经济效益分析计算、地面径流模拟等。
2 GIS与农业生产的微观控制
GIS技术在农业生产的微观控制中的作用，主要体现在“点”目标的精确定位和控制、以及根据实时信息制作各种农田作业状态分布图和用于决策的电子地图上。例如，作业中的智能化农机具、某单元面积的农作物、灌溉设施以及它们的状态等，都需要经GIS处理加工。对它们的数据采集和控制信息，以及实时的状态信息都可通过GIS得到直观的反映，同时利用GIS的分析功能与相应的智能专家系统结合，可及时对“点”目标进行控制和调度，如调度农机具、确定施肥量、调解灌溉水量、确定农药施用量、耕地深度、播种量及密度、估产等。携带有GPS定位系统的“点”目标，通过传感器或监测系统将数据提供给以GIS技术为基础的“农田作业智能决策系统”，经过该系统的分析决策，向“点”目标发出指令。精确农业田间生产体系如图1所示。
图中“信息处理”反映了经GIS在GPS、RS以及监测反馈信息的支持下，生成田间现状信息（土壤水分、肥料；作物病虫害、生长情况、预估产量等），这些信息是决策系统（或决策者）作出决策的依据。在这一过程中，显然GIS起着非常重要的作用。由于GIS可以实时的根据田间状态信息，生成田间生产要素的分布图（水分、肥料、病虫害、产量等），根据分布图提供的位置、区域、需求信息，决策系统可立即作出决策。“农田作业智能决策系统”主要由农田作业专家系统、农田作业模拟系统、决策支持系统等组成，而这些决策系统应是GIS与决策模型的集成。例如，新疆农业大学开发的基于GIS技术的“棉花施肥专家系统”，根据施肥模型的计算结果，实现了针对不同地块棉田定点、定量的肥料投入，大大提高了肥料使用的合理性及肥料的利用率，目前已在自治区、兵团的部分地区使用，效果良好。
GIS具有强大的地理空间数据查询能力，能及时反映控制目标的位置、状态等信息。如：农机具的位置和工作状态、灌溉系统的状态、作物生长情况、土壤品质情况、病虫害发展程度等。应该说精确农业中的大多数信息查询工作，均可以在GIS地图平台上完成。GIS信息查询摆脱了一般信息系统数据表格枯燥、呆板、抽象的查询方式，利用地图直观反映数据信息，并且可以完成空间分析查询，实时反映空间分析的结果数据。这些都是一般信息系统所无法完成的。
3 GIS的实际应用
精确农业中应用的GIS系统应具备如下一些特点：
（1）数据采集与接受功能。GIS应能够接受并处理来自GPS、RS以及通过传感器采集到的地理空间实体数据信息。目前大多GIS均可实现上述功能。
（2）空间数据格式相互转换功能。在精确农业这个大系统中，一定会遇到多种GIS、RS应用系统相结合的情况，因此空间数据格式的转换是必不可收的。
（3）空间分析能力。如：叠置分析、缓冲分析、分布分析、拓扑分析、地形分析等。这些分析应和各种专项模型相结合，为决策系统提供实时、可靠、快捷的决策依据。
（4）属性数据分析。属性数据是指描述地理空间实体的特征数据的集合，如土壤的类型、化学成分；河流的水流量、水深、河道宽度等等。属性数据分析包括：属性统计分析。如单属性统计、单属性函数变换、双属性分类统计；布尔逻辑操作；对象集合运算；重新分类分区等。
（5）空间数据与属性数据的查询。这是在标准SQL查询方式基础上，添加支持空间概念描述、空间函数运算等空间操作的查询方式。
（6）多种数据库格式接口。通过ODBC（数据库驱动接口）或数据库专用接口进行数据转换的能力，是任何一个信息系统所必需的。
（7）网络功能。利用WebGIS技术构造Internet/Intranet结构的GIS，是精确农业GIS应用的发展方向。
此外，还可以考虑装配三维地形图显示操作功能。
在精确农业中GIS技术的应用体系归纳起来，应包含如下两方面的含义：
（1）负责总的控制、调度、协调、决策任务的GIS应用系统。这时应采用功能较强大、完善的大型GIS软件，如ARC/INFO等。在这方面的应用，主要突出了系统的各项分析功能，对操作人员的素质要求较高。这类GIS系统一般投资较大。
（2）作业地点的GIS应用。如各种智能化农机具配套的GIS应用系统、作业人员随身携带的专项GIS应用系统、实地监测站点应用的GIS系统等。这类GIS系统除了具有基本的分析功能外，应突出体现操作简单、灵活、易于掌握的特点。要达到这一目的，最好的方法是采用GIS系统集成技术，开发出专用的GIS应用系统。GIS系统集成是指利用GIS二次开发功能，通过GIS与通用开发平台（如流行的Visaul Basic、Visual C++、PowerBuild、Delphi等）提供的集成技术（如OLE自动化、API编程等），将GIS“嵌入”到应用系统中。在这方面，ArcView、MapInfo等桌面GIS系统均是不错的选择。上面提到的“棉花施肥专家系统”以及新疆农业大学开发的其它系统，如“克孜勒苏柯尔克孜自治州国民经济和社会综合发展信息系统”、“和田河流域水资源管理规划模型”、“塔里木盆地世行贷款二期项目阿克苏子项目信息系统”、“哈密市西郊水政水资源信息管理系统”等均是采用MapInfo与PowerBuild的系统集成技术完成的。这类GIS系统投资一般较少。
GIS实际应用的另一个重要问题，就是地图的选择与制备。在宏观决策方面由于多考虑对整个项目区的宏观分析，因此可采用比例尺较小的地形图，如1：1万到1：50万地图；在微观控制与规划方面，由于工作对象是“点”目标或某个局部地区的详细状况，应采用1：1万以下较大比例尺地形图，才能满足精度要求。如“棉花施肥专家系统”采用的是1：1万地图、“克孜勒苏柯尔克孜自治州国民经济和社会综合发展信息系统”、“和田河流域水资源管理规划模型”、“塔里木世行二期项目阿克苏子项目信息系统”采用的是1：25万～1：50万地图。绘制地图时的精度控制关系到整个GIS应用的精度。影响地图制作精度的主要因素有：（1）绘图方法。推荐尽量采用矢量跟踪法，这样不仅大大减少绘图工作量，而且精度易得到保证。（2）投影体系。国产GIS软件与国外GIS软件所采用的投影体系不同，因此要注意选择正确的投影体系。（3）转换方法。桌面GIS系统的绘图功能一般比较弱，多采用由其他GIS系统制作好地图向桌面系统转换，由于格式不一样，需采用正确的转换方法，而且尽量避免多次转换。
4 结束语
精确农业是一项高投入、高产出的工程，GIS技术在其中起着重要的作用。因此，结合具体情况研究GIS技术的推广与应用，必将对精确农业的应用发展起着良好的推动作用。
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[责任编辑：王静]