GIS在国内外农业生产中的应用研究.pdf
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1、作者简介:崔正波( )男,山东曹县人,博士在读,湖北土老憨生态农业集团总经理,研究方向:经济, E m a i l : q q c o m .GIS在国内外农业生产中的应用研究 崔正波(湖北土老憨生态农业集团宜昌 )摘要:地理信息系统(G I S)以其特有的空间信息处理功能为农业信息化进程提供了有力的技术支持.本文分析了G I S在国际国内农业生产中的应用领域和特点,探讨了其在当前应用过程中存在的问题,并对其应用前景进行了展望.G I S在农业信息统计、资源管理、环境评估和灾害预测方面已得到充分应用.随着应用范围的扩大,G I S的功能、可视化程度、共享程度、推广程度还需进一步提高,今后G I
2、 S将在智能化、三维化、网络化和便携化方面得到进一步发展.关键词:地理信息系统;农业信息统计;农业资源管理;农业环境评估;农业灾害预测DOI: /j c n /s 农业是对环境资源依赖性较强的产业,多变的经济及资源环境注定了农业生产的复杂性.面对丰富多源的海量数据,地理信息系统( G I S )以其特有的空间信息处理功能为农业现代化提供了强大的技术支持.该系统基于计算机技术,对地理信息按照空间分布或属性的形式实现输入、存储、检索、分析和制图,极大地提高了农业生产效率和产品的质量,已成为世界各国现代化农业中的重要技术之一.GIS发展历程 年,加拿大测量学家T o m l i n s o n提出了
3、G I S的概念,并建议加拿大土地调查局开始研发世界上首个实用地理信息系统 .美国西北大学M a r b l e几乎在同一时间提出了开发G I S软件用于城市交通研究的设想.随后美国西北技术研究所的F i s h e r创建了哈佛大学计算机图形与空间分析实验室,开发了对当今栅格及矢量G I S具有深远影响的S Y M A P / O D Y S S E Y软件包,奠定了G I S的基础.进入 世纪 年代,计算机技术的发展、数据库管理系统的应用以及自动绘图机的改进推动G I S技术由理论研究进入应用生产. 年,加拿大地理信息系统( C a n a d a G I S , C G I S )在全球
4、首次运行并投入使用.随后,美国、德国、瑞典和日本等国也开展了G I S技术的研究,陆续研发出各自的地理信息系统,涌现出G E N A M A P 、 M a p I n f o 、 T G R L S等一批优秀G I S软件 ,推动了G I S技术的发展和_ _ _ _ _ 17郾03(总455)万方数据应用;国际上开始尝试将G I S应用于土地调查和农业信息管理等农业生产领域. 世纪 年代出现了以微机为代表的计算机技术和以远程通信为代表的信息技术,并且数据处理开始与数学模型相结合,有力地推动了G I S技术的壮大和发展.期间G I S开始应用于政府农业部门、农林科研院所和企业,同时,商业化的
5、G I S开始进入市场. 年代是G I S快速发展的重要阶段,随着地理信息的产业化, G I S逐步成为许多机构和企业决策部门的必备工作系统,成功应用于农业系统的仿真统计分析和土地评价等方面,尤其在灾害预测方面,已建立了多种与农业相关的灾害模型对作物灾情进行动态监测和预估. 世纪以后, G I S在农业中的应用更加广泛,几乎推广到农业生产中的各个领域,解决了农业发展中的诸多问题 .中国在 世纪 年代开始进行这方面的研究, 年中国科学院遥感应用研究所成立了G I S研究室, 年筹建资源与环境信息系统国家重点实验室,标志着中国G I S的发展正式起步. 年代中后期到 年代,政府将G I S列入“七
6、五”至“九五”科技攻关计划,开始全面推进中国G I S技术的研发与应用研究,期间政府逐渐将G I S应用于土地、气候等农业资源的管理领域.进入 世纪,随着国家基础G I S全面建成, G I S技术已广泛应用于农业生产领域 .GIS在农业生产中的应用领域从国际国内环境来看, G I S在农业生产中的应用研究主要包括以下个方面.农业信息统计农业信息是国家的基础性信息资源,对政府掌握国情、科学决策具有重要的参考作用.农业信息一般由大量普查员通过农业普查获得,以往的普查结果为纸质,保存管理不便,而且无法形成有机整体图,不易进行统计分析,已无法满足农业日益增长的信息决策需求 .而G I S技术很好地将
7、统计信息与地理信息结合起来,能充分反映农业信息的时空特征及其相互关系.在G I S技术的支持下,可以明确农业普查区域界线,规划现场调查路线,确保普查对象不重不漏,还可监督和管理普查员工作,此外,利用G I S可以将农业气候、土壤成分、耕地面积等各类农业数据进行统计分析并将结果地图化、可视化,弥补传统表格表现力的不足,同时可通过政府内网或门户网站,向农业部门、科研机构和社会公众提供信息公示和查询服务,提高统计数据的利用价值 .世界各国高度重视G I S技术在农业信息统计工作中的应用,已成为农业普查中必备的数据采集、分析与展示工具.美国农业普查最先由普查局实施,其开发和应用的T I G E R系统
8、是国际上非常成功的G I S之一.之后美国农业部于 年接管农业普查,至今的历次普查均基于G I S来划分普查区,采集各类农业数据,并在官网提供地理数据和统计数据的下载与服务.除美国外,一些发达国家相继建立了完善的统计地理信息系统,印度、非洲等一些发展中国家也将G I S作为农业统计调查的重要手段.加拿大政府早在 年之前就已建立了各类型的土壤信息数据库,如 年B r i t i s h C o l u m b i a建立的土系数据库,罗马尼亚的C h e l a r u使用G I S技术总结了N e a m t C o u n t y历年地形图并分析了农业景观变化 ,阿拉伯联合酋长国的A b d
9、 e l f a t t a h等建立了基于G I S的U A E S I S土壤信息存储系统 .中国也将G I S技术用于各类农业信息统计中,如中国气象局于 年组织省份气象局联合开发了“农业气候资源和区划信息系统” ,张书慧等则根据土壤采样数据,建立了田间土壤养分信息数据库 .农业资源管理农业资源即农业生产活动和经济活动中所涉及的各种能源物资,前者如土地、气候、生物、水资源等,后者如人口、科技、交通和市场等.这些资源要素错综复杂,而利用G I S高效的空间信息管理功能,可将众多农业资源与地理位置紧密结合,并在地图上清晰、直观地展现.从而将农业资源档案数字化和自动化,还可以多层次描述农业资源的
10、时空分布特征和动态变化规律,大大增加资源管理工作的规范性、直观性、便捷性和科学性,为实现农业资源的可持续发展和分类经营提供依据.目前,国际上已有 个国家在农业资源管理中采用G I S来管理作物生长、检测作物轮作、规划水土保持等.美国对农业资源的管理十分完善,在各个农业领域均建立了基于G I S技术的管理系统,如用于棉花生产管理的C O M A / G O S S Y M信息系统,可以模拟人类专家智能对各种资源数据做出决策,_ _ _ _ _ 17郾03(总455)万方数据N a t h等将G I S技术用于水产业领域,极大地提高了生产管理水平 ,佛罗里达大学的C a l i x e等集成了农业
11、环境G I S的决策支持系统( A E G I S ) , S u i a等和A r v a n i t i s等则分别尝试将G I S与水文模型 和G P S数据库 整合,以提高对农业资源的管理能力.此外,基于G I S技术,日本农林水产省开发了农耕土地资源信息系统( A L R S ) ,该系统包含作物栽培信息系统在内的多个子系统,荷兰瓦赫宁根农业大学和澳大利亚S w i n b u m e科技大学分别研制了农业经济评价管理和农田管理信息系统 ,印度尼西亚S i n g h等建立了农业生产模式管理信息系统,印度M a j i等以传统的土地分类方法为支撑,建立了基于G I S环境的农业土壤管
12、理系统 .中国也已建成了一些区域性的农业资源地理信息系统,如上海市农业委员会在林业管理、畜牧业管理、化肥和农药管理、农业气象动态监测等系统内建立了统一的G I S信息交换平台,新疆农七师则建立了基于土壤养分参数的信息管理系统 .由于在农业资源管理中的巨大优势, G I S被用来改造传统农业,实现精细农业.利用G I S等关键技术手段,测定农田中各农业资源因素之间存在的时空差异信息,并分析差异产生的原因,进而采取相应的调控措施、制定合理的决策方案来指导农田生产.目前基于G I S的农业资源管理主要集中在农业生产资源方面,而在农业经济资源方面还较少涉及,有待进一步加入到G I S中.农业环境评估耕
13、地适宜性评价运用G I S技术对耕地的土壤颗粒大小、无机盐和有机质含量等自然属性进行鉴定,计算每个属性对农作物生长的相关性,进行土地适宜性的评价分级,是科学利用耕地资源的一项重要工作.比利时的S c h r e u r s等在刚果草原区开展了对污染农业土地的改良评价工作,基于G I S研究发现在受污染耕地上种植植物对其生物量产生了很大变化 , S a r g a o n k a r等也使用类似方法对受污染耕地的修复情况进行了评价 .澳大利亚的D i n g等基于G I S对土壤的有机磷进行研究,预测了澳大利亚西南地区农业土壤中有机磷空间分布,并对磷流失情况进行评价 .希腊 和马来西亚 的研究人
14、员则基于G I S技术分别制作了耕地适宜性图和棕榈油土地利用图,老挝的C h a n h d a等运用A r c G I S软件评价了土地利用变化的空间动态信息 ,白俄罗斯的C h e r n y s h等应用G I S技术对农业组织中的土地资源潜力进行评估,随后对土地进行了优化 .中国黄杏元等利用G I S技术评价了耕作土地的适宜性,并对土地利用方案进行了相应调整;尹君等对水稻、小麦等主要作物进行土地多宜性评价来反映不同作物适宜性的细微区域差异;麻清源和王宝峰等分别利用A r c G I S软件,获得了土壤属性空间分布图 .农作物产量评估通过对农作物产量进行估计,可及时了解农作物价格走向、制
15、定粮食进出口政策.利用G I S技术统计作物种植面积,并根据单产模型和作物长势对产量进行估算,提供可视化、直观化的农情,有利于政府做出科学、正确的决策.基于G I S技术的作物估产实现了对农作物大面积、实时化的高精度估算,在国际上得到了大量应用.美国早在 世纪 年代就开展了“大面积农作物估产实验” ( L a r g e a r e a c r o p i n v e n t o r y e x p e r i m e n t , L A C I E )计划 ,截至目前,美国农业部每年投入约 万美元用于世界主要农作物的G I S估产,精度可达 ,为美国农产品进出口贸易提供重要的信息 .欧盟则在
16、 年代将G I S结合遥感技术,开展了农业估产的 年研究项目( M o n i t o r i n g A g r i c u l t u r e w i t h R e m o t eS e n s i n g , M A R S )计划.中国目前也已经利用G I S技术对东北地区的玉米、华北平原的小麦和江汉平原的水稻进行整个生育期的动态监测和产量评估 .水资源管理保护G I S同样广泛应用于区域水资源的管理和保护领域,尤其在灌溉系统中, G I S能在准确预测灌区用水的同时防止水资源污染,这对于实现定时定量灌溉,节约、保护水资源具有重要的意义.如美国休斯敦市用G I S数据库标识水源保护区
17、内的 个公共供水井和潜在污染源;英国G u r n e l l等根据沿岸植物品种数量来评价河流的洁净程度 ;希腊N i k o l a i d i s等利用G I S技术研究了密集型农业生产对饮用水质量的影响,证实了二者存在显著的地理关联 ;印度G o y a l从国内农业需求出发研究了地下水质量的空间分布映射和管理规划 ;南非水利林业部开发了国家G I S水资源管理保护系统,为国家_ _ _ _ _ 17郾03(总455)万方数据水资源决策的提供了方向.此外, S a l a等 和P a s h a k o l a i e等 分别基于G I S研究了农药和工业废水对地表水和地下水造成污染.中
18、国于 世纪 年代在南水北调工程中利用当时建成的国家基础G I S进行了引水可行性分析、调水路线比较等方面的研究,为工程的实施以及对河流的保护做出了巨大贡献 .广东省、山西省和上海市等多个省份也已经分别建立了基于G I S的水资源信息管理系统 .农业灾害预测利用G I S对区域内农业灾害的诱因、频率、危害程度等基本规律进行总结,并对重大农业灾害进行预测,从而为农业生产和农村经济稳定提供保障,也为政府的减灾、防灾、救灾决策提供及时准确的参考.目前G I S在涝害、旱害、虫害和病害等农业灾害预测中发挥了重要作用.涝害旱害预测在涝害预测方面, J o n g e和P r o f e r分别应用G I
19、S建立了可以估算洪涝受灾面积和灾区经济损失的评估模型,阿根廷的D i o u d i s等对农业和畜牧业区的洪灾开展G I S预测及灾后治理 ;在旱害方面,埃及的E l K a w y等在尼罗河三角洲的干旱和半干旱地区开发了基于G I S的旱灾预测模型 ; N a m等开发了基于W e b G I S的干旱信息管理系统,该系统能对干旱的程度、分布和持续时间进行分析,并且对旱情进行预测 ;中国李楠等开发了基于G I S技术的农田旱情自动监测系统,可对旱灾进行可视化管理 .虫害病害预测利用G I S可对农业害虫和病原菌的流行规律进行预测. J o h n s o n等通过分析病虫种群密度等数据,预
20、测了病虫害发生程度,并绘制了空间分布图.中国王海扣等根据不同时空下不同诱因导致的病虫害建立了G I S数据库,并通过各图层的比较,预测了病虫害发展趋势及其与气候、土壤等影响因子的相互关系 .在虫害预测方面, K n a p i c等基于G I S分析了斯洛文尼亚玉米根虫的传播及其对农业实践的影响 . B o n s i g n o r e等明确了G I S在农业和林业病虫害分析中区域对于不同害虫评价的适用性,并提出了阻止害虫传播和分布的具体措施 . L i e b h o l d等对舞毒蛾的空间分布及种群动开展了多年的G I S研究,预测了次年虫害发生动态地图 .马小明和闫宏娟等则分别针对松毛
21、虫和棉铃虫建立了专门的G I S .GIS在农业生产中的特点与展望应用特点 世纪 年代,欧美等发达国家出于现实需求,将G I S技术充分应用到农业领域的各个方面,数字化农业成为其农业生产的显著特征.除了上述的信息统计、资源管理、环境评估和灾害预测领域,在农业运输、农业市场等领域均实现了基于G I S的信息化,并形成了多种网络传输(通信网络、电视网络、计算机网络)以及多种服务平台相互交叉、相互支撑的格局.此外在技术设备升级、系统软件开发、生态模型构建等方面也处于优势地位.而在中国、巴西、印度等发展中国家, G I S相关研究起步较晚,但得益于后发优势,在G I S农业应用推广方面取得了很好的成就
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