第九章 GIS与精准农业
9．1 概述　

进入21世纪，人类正逐步由工业社会走向知识经济时代的大门。过去20多年来信息技术高速发展，并迅速渗透到国民经济的各个部门，进而改变着人们的生活方式、工作方式和思维方式，引发着许多传统技术思想和观念的革命。国际竞争将更多地转向以知识为基础的科学技术与产业技术的竞争。农业是国民经济的基础产业，保障世界的食物安全和农业的可持续发展，是全球性的永恒主题。过去50年，世界农业发生了重大的变化。通过生物、农艺技术的进步和支持农学技术转化为大规模生产力的现代农业工程技术，农业系统经营管理技术不断改善，使得世界食品产量的增长超过了人口的增长速度。技术革命改变了农业在发达国家中的社会和经济作用。然而，在许多发展中国家，贫穷仍往往和农业联系在一起，农业技术革命的成果仍很少被采用。20世纪后半期世界农业的高速发展，基本上是依靠生物遗传育种技术的进步、耕地和灌溉面积的扩大、物质与化学产品投入的大量增加、机械动力与矿物能源大量投入的条件下获得的。由此而引起的农业水土流失、生态环境恶化、损失生物多样性、全球环境恶化等一系列问题，已经引起国际社会的严重关切，并成为推动技术创新、实践农业可持续发展的重要驱动力。信息技术革命大大改变了各国农业发展的外部环境，农产品的国际市场竞争将日益加剧，保护主义的政策将被突破。不加快科学技术的创新与生产率的进步，将使本国农业和社会经济发展日益被动，这特别给发展中国家形成巨大的压力。

    改革开放以来，中国农业和农村经济取得了飞跃的进步。但我国农业发展仍然面临着严峻的挑战。进入新世纪，我国面对的“人多地少，资源短缺，环境恶化，人增地减”的趋势不可逆转。保障21世纪我国16亿人口的食物安全，关键在于推动农业科学技术的进步。近几年来，在人们探索21世纪农业应用信息高新技术的发展中，关于“精准农业”（Precision Agriculture）技术的应用前景尤其令人注目。

    这一技术的早期研究与实践，在发达国家始于80年代初期。农学家在运用作物栽培、土壤肥力、作物病虫害管理的作物栽培模拟模型及对作物管理与植保专家系统应用研究与实践中，进一步揭示出农田内以米为单位的小区作物产量和生长环境条件的明显时空差异性，从而提出对作物栽培管理实施定位，按需变量投入，或称处方农作而发展出精准农业。同时，在农业工程领域，自70年代中期，微电子技术迅速实用化，从而推动了农业机械装备机电一体化、智能化监控技术，农田信息智能化采集与处理技术研究也得到相应发展；加上80年代各发达国家对农业经营中必须兼顾农业生产力，资源、环境问题的广泛关切和对有效利用农业投入、节约成本、提高农业利润、提高农产品市场竞争力和减少环境后果的迫切需求，为精准农业技术体系的形成准备了条件。海湾战争后GPS技术的民用化，使得它在许多国民经济领域的应用研究获得迅速发展，也推动了精准农业技术体系的广泛实践。

    总之，近20年来，基于信息技术的支持，作物科学、农艺学、土壤学、植保科学、资源环境科学和智能化农业装备与自动监控技术、系统优化决策支持技术等在GPS、GIS空间信息科技支持下组装集成起来，形成和完善了一个新的精准农业技术体系，并相应开展了一系列试验实践。支持“精准农业”示范应用的基本技术手段已研究开发出来，并逐步趋于成熟，在示范应用中预示了良好的发展前景。这一技术发展趋势，已经引起一些国家科技决策部门的高度重视。美国国家研究委员会（National Research Council, NRC）为此专门立项对有关发展战略进行研究，经过由美国科学院、美国工程院院士组织评估，于1997年发表了一份“Precision Agriculture in the 21st Century----Geospatial and Information Technologies in Crop Management”研究报告，全面分析了美国农业面临的压力、信息技术为改善作物生产管理决策和改善经济效益提供的巨大潜力，阐明了精准农业技术研究的发展现状以及为信息产业和支持技术开发研究提供的机遇。迄今，国外关于“精准农业”的研究，基本上仍是集中于利用全球卫星定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）、作物生产管理决策支持系统（DSS）基础上的作物生产管理技术，即基于知识和先进技术为基础的现代农田“精耕细作”技术（图9-1）。

    精准农业技术在近10年得到了迅猛发展，尤其是最近5年的发展更为可观。主要表现在以下几方面：

（1）全球定位系统（GPS），特别是差分GPS（即DGPS）的广泛应用，大大提高的精准农业技术的效率和效益，也促进了GIS在精准农业中更加广泛的应用。

（2）大量的智能化的农业机械已进入商品化阶段，如英国、美国和加拿大等国生产的带有DGPS和产量自动测量计的联合收割机，可以实时地记录空间位置和小区的作物产量信息。

（3）对地观测技术（遥感技术）的迅速发展，尤其高分辨率（高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率）信息的出现以及遥感信息提取方法的不断发展，使遥感信息日益成为精准农业重要的信息源，特别是在作物长势监测、病虫害监测等方面将提供廉价的及时的信息。

（4）田间信息采集的各类传感器的研制与开发成为制约精准农业发展的瓶颈之一。

（5）由于商用GIS不能完全满足精准农业的需要，许多专用于精准农业的GIS软件大量开发。

    精准农业在欧盟、美国、加拿大、澳大利亚等国已有了极大发展，而在我国基本上还处于起步阶段，以试验和经验探索为主。

    正是因为精准农业的历史非常短暂，所以不同背景和领域的研究和应用人员因侧重点不同，所采用的名称也不尽相同。比较常见的名称有：精准农业，精细农业，精确农业，特定立地土壤管理（Site-Specific Soil Management, SSSM），特定土壤作物管理（Soil-Specific Crop Manage ment, SSCM），特定立地农业 （Site-Specific Farming, SSF），变率实施技术（Variable Rate Application Technology, VRAT）。所有这些名词，其含义都是一样的或者接近的，都是指根据土地内部每个小区中的特定条件来调整土壤与作物管理，以实施减少投入、收益最大化的技术（见表9-1）。

    精准农业的目标是收益最大化和环境损失的最小化，而不一定是产量最大化。精准农业的出现具有深厚的技术和社会-经济背景。精准农业是一个信息密集型的技术，对信息获取、处理技术具有极高的要求，也是信息技术发展到精准农业的目标是收益最大化和环境损失的最小化，而不一定是产量最大化。精准农业的出现具有深厚的技术和社会-经济背景。精准农业是一个信息密集型的技术，对信息获取、处理技术具有极高的要求，也是信息技术发展到一定程度的必然结果；另外，精准农业也是一项环境友好的技术，因为农业生产中农药和化肥的过量施用，会造成严重的环境污染，农业耕作过度也将导致诸如水土流失等环境的破坏。因而，发展精准农业技术也是环境保护和可持续发展的需要。