第4讲 “精细农作”的主要支持技术（二） 地理信息系统与遥感技术 中 国 工 程 院 院 士 汪 懋 华 “精细农作”的实践要分析农田作物产量和影响作物产量诸因素的空间分布差异性，按空间小区差异性实施定位变量处方农作。因此，获取和处理农田中这些空间分布的差异性数据，提取有利于优化作物管理决策，支持定位处方农作的信息是十分重要的。这些都需要地理信息系统(GIS?/FONT>Geographical Information System)及支持地理空间数据采集、更新及遥远监测农田空间信息的遥感技术（RS?/FONT>Remote Sensing）与上一讲介绍过的差分全球定位系统（DGPS）的支持。例如：目前，国外用于精细农作的带GPS的谷物联合收获机，可按每亩区分为约40-60 个小区自动定位采集、计算单产数据，每一单产数据与对应的农田地理座标位置同步记录下来，进一步通过计算机处理生成小区产量分布图。为了分析产量空间差异性的原因，需要相应地对田间土壤特性、病虫草害、作物苗情等空间分布信息进行定位采集，经过地理统计与空间信息处理技术，生成各种数据信息的空间分布图。并使这些基于同一农田不同类型的空间分布信息对应起来进行分析，提出按小区实施定位管理的处方决策方案。这些过程都可以通过地理信息系统协助来完成。 地理信息系统（GIS）是一个用于输入、存储、检索、分析、处理和表达地理空间数据的计算机软件平台。当然，GIS软件需要装载在适当性能的计算机上，并为计算机配置必要的输入输出外部设备，如用于输入数据的扫描仪、数字化仪、读卡机和用于输出和显示结果的计算机显示器、彩色打印机或绘图仪，并以不同格式将处理结果保存在存储介质中备用。GIS是以带有地理坐标特征的地理空间数据库为基础的系统。GIS中的数据可以被访问、变换、交互式处理。GIS从外部看，它表现为计算机软硬件系统，而其内涵确是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。由GIS数据库中，可以从不同侧面、不同层次提取、重新组织地理空间和时间特征信息，作为研究环境、生态和作物生长过程，分析发展趋势，预测、规划和制定管理决策的基础。在“精细农作”技术体系中，GIS主要用于建立农田土地管理，土壤数据、自然条件、作物苗情、病虫草害发生发展趋势、作物产量等的空间信息数据库和进行空间信息的地理统计处理、图形转换与表达等，为分析差异性和实施调控提供处方决策方案。图1表示一个典型的GIS矢量格式农田多层空间信息分布图。它将纳入作物栽培管理辅助决策支持系统，与作物生产管理与长势预测模拟模型、投入产出分析模拟模型和智能化作物管理专家系统一起，并在决策者的参与下根据产量的空间差异性，分析原因、作出诊断、提出科学处方，落实到GIS支持下形成田间作物管理处方图，分区指导科学的调控操作。 GIS是数据库管理系统的一种类型，它用于管理地理空间数据。这种地理参考数据，不但包括属性数据，还包括这些属性数据所在的地理空间位置数据，如特定小区的产量数值是属性数据，该小区所在的地理位置座标（x,y）的数值，即为空间位置数据。GIS数据库管理系统，可以随时提取或处理相关信息，以不同方式或颜色直观地显示在有地理坐标的地理图形上，也可以对这些信息进行不同方式的处理，输出统计处理结果等。GIS的强大功能是：它能将一种以上同一坐标位置的数值相互联系在一起，可以显示和分析同一农田的多种不同类型的数据图形，并建立相互联系。GIS表达地理空间信息采用栅格型和矢量型两种不同数据格式，在精细农作实践中，原始采集的数据常用栅格式采集和存储，速度快；通过数据处理后形成的矢量型数据图形利于直观显示；由扫描仪或数字化仪输入的电子地图则直接转变为矢量图形显示。地理信息系统软件具有多种强大的数据处理功能供用户选用，当绘制产量图时，每秒均有一组数据产生，这些数据先以栅格格式存储，产量分布图的生成常用平滑技术处理后显示矢量型数据图形；当建立基于采样点离散程度大的田间属性数据图形时，如：土壤采样数据，则需采用基于邻域数据相关程度来估计未知值的方法即插值法来处理，用户需要根据不同情况选择适用的处理方法。在精细农作实践中采用GIS建立空间图形的步骤通常是：①.用扫描仪、数字化仪输入基础地理信息建立农田电子地图或用DGPS帮助绘制农田地理图形；②.通过键盘输入定点采样数据或由产量监视器下载产量数据；③.在GIS支持下对数据进行平滑、统计或内插处理，生成不同层面的矢量型空间数据地理分布图形；④.选择颜色和图例以明晰表达各种空间信息分布图形；⑤.在作物生产决策支持系统和决策者的参与下生成不同类型的处方图形用于指导处方农作；⑥.在绘图仪、彩色打印机上打印图形或存入相应介质中备用。目前，已有一批成熟先进的GIS软件在市场销售，国外软件大多也具有汉化功能，用户需要根据自己的应用要求选择合适的软件和配置相应的计算机硬件系统，并进行必要的应用软件开发以适应自己的应用要求。提供精细农业技术产品的厂商也同时可提供在通用GIS平台上开发的专用精细农作GIS分析系统。在形成农业空间信息地理图形时，采样密度、采样成本与信息处理的方法如何能更准确反映参数的空间分布和农田空间信息快速采集先进传感技术，仍然是尚待深入研究的课题。由于商用GIS系统的功能一般都照顾到各种类型用户的需要，针对农业资源信息管理和精细农业实践的需要和农村用户的特点，开发基于GIS设计规范的简单实用、易于向基层农村用户推广、界面友好的田间地理信息系统（FIS）已引起科技界的注意。 遥感技术（Remote Sensing?/FONT>RS）是未来精细农作技术体系中支持大面积快速获得田间数据的重要工具。它可以提供大量的田间时空变化信息。近30多年来，RS技术在大面积农业资源监测、作物产量预测、农情预报等方面作出了重要贡献。遥感是用飞行器或人造卫星上装载的传感器来收集地球表面地物的空间分布信息。它具有广域、快速、可重复对同一地区获取时间序列信息的特点。RS是测量地物对太阳辐射能的反射光谱信息或地物自身的辐射电磁波波谱信息。每一地物反射和辐射的电磁波波长及能量都与其本身的固有特性及状态参数密切相关。装载于RS平台上的照象机或扫描式光电传感器获取的地物数字图象，含有丰富的反映地物性质与状态的不同电磁波谱能量，从中可提取辐射不同波长的地物信息，进行统计分析和地物模式识别。RS在精细农作管理中虽不是直接测量土壤水份、植物冠层营养水平、籽粒与生物质产量等信息，但可通过多光谱测量推断出结果。这种由测量引导推理，需利用数据分析工具寻求传感数据与土壤或植物的相关关系，一旦这种关系建立起来，就可以对大面积的条件进行推理。通常RS数据图形可以是GIS的一个图层，作为补充实地采集的土壤肥力、杂草、虫害等数据层，同时作些补充处理以使得RS图层与其它数据层的地理位置相一致（图2）。在精细农作中应用RS与GIS结合进行农田空间信息分析时，可按如下步骤：①.采集RS数据和处理成数据图象（由RS服务商提供）；仔细检查图象和分析统计数据；②.完成RS数据的地面核实；③.将RS和地面核实数据送入GIS系统；④.鉴别被测变量与作物条件的相互影响关系；⑤.根据所获信息对农田提出处方对策等。目前，由于卫星遥感数据尚达不到满足“精细农作”需求的空间分辨率，因而还未用于按小区进行作物生产的精细管理。然而，遥感技术领域积累起来的农田和作物多光谱图象信息处理及成像技术、传感技术都和“精细农作”技术体系中需要解决的实时、快速农田信息采集先进传感技术的研究开发密切相关。RS获得的时间序列图象，可显示出由于农田土壤和作物特性的空间反射光谱变异性，提供农田作物生长的时空变异性的信息，在一季节中不同时间采集的图象，可用于确定作物长势和条件的变化。基于遥感产业界对“精细农作”的商业兴趣，一系列的地球观测卫星将在近几年内发射，到2005年，将有超过40个这类卫星提供服务。大部分这类卫星采集的全色图象，空间分辩率将达1～3米，多光谱图象分辩率预计可达3～15米，扫视区6～30km。由于采用卫星遥感比航空摄影的成本将低一半以上，卫星遥感技术可预期在近3～5年内，在“精细农作”技术体系中扮演重要的角色。 现有的遥感软件平台性能价格比已有了迅速改善，并可以装载在PC机上使用。一个先进的RS平台价格也不过3-4万元。用户通常都是向卫星图象服务部门购买特定地区某一时间的遥感图象数据（以软盘、光盘、磁带等形式），在自己的用户RS平台上进行应用开发。现有的RS软件均与流行的主要GIS软件具有数据通信接口，容易将RS分析与图象数据组装到GIS图层中支持作物生产管理决策分析。