基于“3S”技术的数字化烟草农业研究概况及展望.pdf
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1、基于“!”技术的数字化烟草农业研究概况及展望董志坚#,宋秀中$,程彪#中国烟草总公司郑州烟草研究院,郑州高新技术产业开发区枫杨街$号,%;$河南中烟工业公司 郑州%(摘要:介绍了数字化烟草农业的支撑技术基础,即地理信息系统()*)、全球定位系统()+)以及遥感(,)与遥测技术的主要内容及其在农业领域的研究概况,以及数字化烟草农业生产技术的研究展望,包括虚拟烟草生长模型与数字化设计、烟草-土壤系统过程模型与数字化设计、数字化烟草生产技术平台的构建与应用等。关键词:烟草;数字化;地理信息系统;全球定位系统;遥感与遥测中图分类号:!#$文献标识码:%文章编号:()*+(,+)-($)($
2、!#$%&(#)*+,+(-.(&/0#.#,1 2-$&*#0!3(&/0+45&+0(#2-#-,+5.(5-.&$&-/./0)12345367#,/0)8394:2;777C6DB2*7CE3E9E;F=0=,127767*7H9CED36I=;DJ;D6E3;7,127:2;9%(,=2376%./01230:KJJI3B6E3;7;F H3B27;I;L,C9B2 6C;M,I;A6I J;C3E3;737M,DM;E C7C437IMEDL 37 E;A6BB;6C6DB2 N6C DO3NHP QE2;HC A6CH;7 E2C EB27;I;C,37BI9H37 O3DE
3、96I E;A6BB;I,E;A6BB;4C;3I CLCEM M;HI,B;7CED9BE3;7 67H 6JJI3B6E3;7;F H3D JD;J;CHP456 7819/:E;A6BB;;H33E6I;;M;I;A6I J;C3E3;737M;DM;E C7C37IMEDL作者简介:董志坚,女,学士,高级农艺师,主要从事烟草农业科技信息工作。I:!R#-(R(R$(&,S-M63I:LBT5$&(UL62;PB;MPB7收稿日期:$R4V4&烟叶生产是一个物质流和能量流同时进行的物质能量转化过程。在此过程中如何根据环境如气候因素、土壤水肥状况以及烟株长势,适时采用合理的农艺措施来调控烟
4、株生长,以获得理想的烟叶产量和优良品质,同时实现资源的可持续利用并获得最大的经济效益是烟草农业研究的重要课题。随着人们对烟草农业生产过程研究的深入和以“!”技术为代表的信息技术的日渐成熟,适应效益与资源可持续发展的数字化烟草农业生产技术的研究和实施显得尤为重要。&数字化农业生产的支撑技术基础数字化烟草农业生产,是基于“!”为代表的信息技术对烟草生产过程所需的海量数据进行管理和分析处理,再通过专家智能决策系统进行生产过程调控。“!”技术是地理信息系统();M,)*)、全球定位系统()I;A6I+;C3E3;737M,)+)以及遥感(,M;E 7C37A)*),并逐步向开放地理信息系统(/J7)*
5、)迈进,其信息共享程度进一步提高。)*可以实现空间数据管理、空间指标量算、综合分析评价以及模拟预测等功能#。)+是利用地面接收器,若同时接收到!颗卫星的信号,能准确定位(经度、纬度和高程),若同时接收%颗卫星的信号,就能准确定位并定时$。)+主要应用于以下!个方面:(#)智能化机械作业时实时动态定位,并根据管理信息系统发出的指令,实现在田间的精确到位。($)农业信息采集样点定位,即农田设置的数据采集点、自动或人工数据采集点和环境监测点。(!)遥感信息定位,即对遥感信息的特征点利用)+采集定位数据,以便于与)*配套应用!。)$董志坚等基于“!”技术的数字化烟草农业研究概况及展望!技术是利用遥感平
6、台,通过光学、红外等各种传感器,远距离不接触目标物体,仅根据接收物体反射或发射的电磁波判定、测量并分析目标物体性质的一种现代化探测技术,包括信息的获取、传输、处理和分析应用等内容#。现代遥感是一个多维、多平台、多层次的立体化观测系统,具有周期性、动态性、多光谱等特点,获取的信息可直接以数字方式记录和传送,以便于计算机处理$。遥测技术又称数据收集系统(%&()*+,-)./01+2,%(),可将地面上的定位观测站(如气象站、水文站、生态站、土壤侵蚀监测站等)用直接接触方式记录的传感器接收到的物理量,经过模数转换,由天线将数据发射至卫星上的数据接收器,再经中继卫星或通信卫星集中传输到地面遥测接收站
7、,经处理后制成规范数据提供给用户3。!数字化在农业领域的研究概况数字化在农业领域的应用即数字农业是近 45 年来科学技术迅速发展条件下产生的现代化农业的又一新型模式,是利用数字化技术,按人们的预定目标,对农业所涉及的对象和全过程进行数字化和可视化的表达、设计、控制、管理。是建立在现代农业理论以及数字地球技术的基础上,融合了!(从 6 72 分辨率的气象卫星,到 6 2 分辨率的卫星遥感)、89、8:、计算机网络等信息技术和土壤快速分析,自动滴灌与喷灌技术及其自动耕作与收获,处理与保存的智能化农机技术等新技术,将农田定位到中、小尺度,使每一平方米的土地得到最优化的使用。形成一个包括对农作物、土地
8、、土壤从宏观到微观的监测,预测农作物生长、发育状况以及环境要素的现状和动态分析、诊断预测、耕作措施、管理方案决策支持在内的农业信息技术系统;。它以农田地理信息系统为核心,作物生长模型和专家智能决策支持系统处理通过信息系统获得的大量数据,提出作物与农田的管理,并通过智能化的农田作业机械进行实施,从而达到资源利用的精确化。因此,数字农业又叫信息农业,精细农业、智能农业和虚拟空间农业等?-,*?+8+)1?&AB-,&*:.C)?2&-)./0+2,=8:)以及 89 在农作物长势、墒情、水旱灾害、病虫草害、农业资源的监测等方面的应用研究越来越多,并已取得一定成果D。455E年中华人民共和国科技部启
9、动国家 3E 计划“数字农业技术研究与示范”重大专项,从数字农业关键技术的研究与产品开发、数字农业技术系统的集成与平台构建、数字农业示范区的建设 E 个方面入手,重点进行数字农业信息采集技术研究与产品开发。已取得的成果与未来的研究为数字农业的构建打下了坚实的理论和应用基础。!#$%&技术的研究与应用8:是 45 世纪 35 年代发展起来的一门基于计算机科学的新学科。数字农业的核心就是建立一套完善的农田地理信息系统65。充分利用 8:在空间数据采集与管理方面的能力,融合决策支持系统(%+,-0-).AA)?/0+2,%)、全球定位系统、遥感、人工智能技术等,建立作物栽培管理的辅助支持系统、投入产
10、出分析模拟模型以及智能专家系统,用于决策、管理汇总和分析相关数据,再用于决策支持系统的各类模型中,从而对田间的不同管理区求解结果和制定计划。管理计划要考虑影响农田作业的特殊生物特性和环境条件变化,如翻耕、播种、施肥以及病虫害的控制等。产量检测可提供决定性的反馈信息,用于评价和调整下一作物生长周期的管理计划3。在烟草种植方面,陈杰等66进行了网络化烟草栽培专家系统和烟区土壤资源 F+G8:的开发,可以实现烟区空间数据的查询与显示;刘建利等64应用 8:进行植烟土壤肥力分区及施肥区划,根据土壤中氮磷钾等主要养分的分布状况和丰缺程度,提出了该区域的#个施肥分区,并针对每个分区的特点给出了相应的 3
11、个烟草专用肥配方;李志宏6E等采用 89 和 8:技术研究了贵州省凤冈县植烟土壤养分分布状况和烤烟区域养分管理技术,根据土壤中氮、磷、钾等主要养分的分布状况和丰缺程度,提出了该区域的 E 个施肥分区,并针对每个分区的特点给出了相应的 E 个烟草专用肥配方;张维理等6#综合利用了 8:、模拟技术以及烟草行业和中国农业科学院土壤肥料研究所近 45 年来在土壤肥力状况方面的研究结果,建立了包括我国十余个省,355 多个县的植烟土壤肥力与养分资源状况信息系统。系统既可通过链指针方式,在地图上分省、县、乡多个层面查询植烟土壤肥力信息,也可进行优质烟叶生产的施肥推荐;龙怀玉等6$运用 8:技术进行了提高烟
12、叶质量数据科学价值的初步试验,结果表明运用现代信息技术去弥补目前烟叶质量数据的不足是可行的;陈胜利等63 利用土壤养分数据库,以 8:和 89 为平台,研究了三门峡烟区土壤养分的空间分布,提出了河南三门峡烟区“增氮补磷稳钾和降氯补锌增硼”的平衡施肥建议;李文华等6;提出了应用 8:进行烟草适生性评中国烟草学报455 年 3 月 第 6#卷 第 E!期价分析的方法、步骤,解决了综合模型的分层次建模问题;中国烟叶生产购销公司等!进行的烟草平衡施肥技术试验与推广研究项目中,利用#$%、#&%和数据库技术建立了主要烟区植烟土壤养分数据库、土壤物理性状数据库和土壤类型空间分布数据库,并建立了我国烟区数字
13、土壤模型。在此基础上,构建了烟草平衡施肥信息系统,基本完成了植烟土壤养分分区评价,为烟草分区施肥推荐、区域性烟草专用肥配方的快速决策提供了依据。!#$%技术的研究与应用#$%原由美国国防部为满足其军事设施高精度导航、定位要求而建立的一种卫星定位系统,近年来在经济领域、生活领域中已得到广泛应用。随着#$%技术的迅速发展,美国、英国、加拿大等国开发了与智能化农业机械相配套的差分定位#$%(()*+*,-(./#$%,)定位系统,它具有!0 个通道,动态条件下每秒可自动提供 1 定位数据,并具有与农机智能监控装置的通用标准接口,用于处理差分校正的#$%,定位精度能达到厘米级!2。可用于土壤、苗情、病
14、虫害等的信息采集,通过传感器和网络传输给计算机,从而根据田块具体情况安排农事活动。农机智能监控装置与#$%结合,农业基本生产情况与#&%分析相结合可从信息收集到处理实现高科技操作,从而为农业生产的科学决策提供可靠的依据。在英、美等国,许多带有#$%设备的智能化农业机械已经商品化,主要是利用#$%加上联合收割机类的大型农业机械,实时实地收集农田基本信息,然后将存贮的信息在室内与#&%基本数据相结合进行分析,最后生成能满足各种需要的专题地图。据!223 年美洲一家公司的调查04,在北美洲面积大于 144 560的农场,有!27已利用#$%,有 0444 台联合收割机安装有产量计量传感器,因此,通过
15、连续几年监测分析和计算,就能初步掌握区域范围内农业生产的规律。!&%技术的研究与应用8%是 04 世纪 34 年代发展起来的综合性学科。遥感技术在数字农业中发挥着信息采集与动态监测的优势。气象卫星可提供每天的天气状况信息,测雨雷达进行降雨预报,通过高空间和高分辨率遥感影像,可及时提供作物长势(平均 0 9 1 天一次)、水肥状况和病虫害情况,称之为“征兆图”(%:6;),供诊断、决策和估产等使用0!。为了定时获取数据,需要反复利用遥感或利用小卫星建立完整的、具有时间序列的数据采集网络。!22?年,美国地球物理环境公司(#8)提出了一个对地球卫星观测的计划,利用卫星群对农作物的生长过程进行监测,
16、采用 3 个载有!3 个波段,分辨率为!4 6 的高光谱遥感卫星,定期采集卫星影像,然后通过技术分析提出预测和预报,再通过广域网向农户提供作物长势、耕作方法、施肥、灌溉、病虫害等方面的信息,以便农户及时采取措施。遥测技术在数字农业中的应用主要是实时采集田间信息。目前亟待解决的问题是田间信息实时采集装置中涉及土壤水分、肥力状况、杂草、病虫害以及作物苗情识别的传感器的开发00。这些信息受自然条件的影响其时空变异性大、实时采集难度高、大量信息的采集和处理耗资费时,尚无有效解决措施01,是未来研究的主要方向。!(作物生长模拟的研究作物生长模拟模型是应用系统分析和计算机技术,综合作物生理学、生态学、栽培
17、学等理论建立数学模型,定量而系统地描述作物生长发育、器官建成和产量形成等生理过程与生态环境之间相互作用数量关系的动态数学模型。在此基础上把实验或数值计算获得的大量抽象数据转换为人的视觉可以直接感受的计算机图形,建立作物的三维模型,模拟作物在三维空间中的生长发育过程0A。是以作物生长和发育机理为建模基础,考虑了作物生长的一些主要过程,如光合作用,养分摄取(地下根系的生长动态),同化产物分配,蒸腾作用,呼吸作用,叶片的生长与扩展和形态发育与衰老等0?,采用一些经验方法对某些复杂的过程、参数或变量进行简化处理,从而使模型便于应用。04 世纪 4 年代作物模型的研究向综合化与应用化方向发展,最具有代表
18、性的是美国 B8%(B+;C,D(+(,作物与环境资源综合系统)系列作物模型的研制成功。B8%系列作物模型包括了玉米、小麦、高粱及水稻等多种作物 03 C 0G。这类模型具有相似的模拟过程,包括土壤水分、养分平衡,发育阶段,作物生长等。用积温模拟发育阶段,根据叶片数、叶面积增长、光的截获及其利用、干物质在各个器官中的分配等模拟作物生长。已被广泛应用于不同环境条件下的作物估产、干旱评价和作物品种培育等0。H(/I*+,等02建立的大豆模型(%JK#8J),可帮助农户进行灌溉和病虫害的防治。此模型是基于作物生长过程,包括作物本身生理过程和环境因子的影响,如光合作用、呼吸作用、生育期模拟、干物质分配
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- 基于 技术 数字化 烟草 农业 研究 概况 展望
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