移动GIS在现代农业中的应用研究进展

方凡 马友华 丁文金 方兴龙 王强

摘要：为研究移动GIS在现代农业中的应用进展，归纳了移动GIS及其在现代农业中的农田信息采集与查询、农业气象监测、田间精准施肥查询和病虫害监控与预报方面上的应用，指出了移动GIS在GPS定位系统、采集方式、无线网络以及定位传感器方面的不足，为现代农业提供更好的指导。

关键词：移动GIS；现代农业；精准施肥；病虫害防治；农业气象；农田信息采集

中图分类号：S-1文献标志码：A论文编号：2013-0687

0引言

自20世纪60年代初，加拿大的Roger F. Tom linson和美国的Duane F. Marble提出地理信息系统这一概念以来，这门集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科在最近的几十年里取得了惊人的进展，尤其自20世纪90年代中期以后，随着计算机技术、无线网络通信、数据库技术以及互联网技术的飞速发展，地理信息系统(GIS)也进入了新的发展阶段[1-3]。

当前二次开发的GIS软件已广泛应用于军事、自动制图、资源管理等100多个领域，并在测绘、城市规划、交通以及环境保护等方面发挥着重大的作用。尤其是结合地理信息服务器，信息搜索引擎，移动定位和无线搜索的移动GIS在个人位置信息服务，导航跟踪等方面提供了卓越的帮助[4-6]。许多笔者围绕移动GIS的原理、关键技术及二次开发的移动GIS软件在农业上的应用情况发表了诸多论著，但缺少从整体上对移动GIS在农业上应用进展的研究。因此笔者从农田信息采集与查询、农业气象监测、田间精准施肥查询和病虫害监控与预报4个方面阐述了移动GIS在农业上的应用进展。

1移动GIS

移动GIS是基于移动智能终端，并集成空间信息技术、移动通信技术、互联网服务和多媒体技术提供相应信息服务的总称，它是一个建立在嵌入式（硬件、软件）和无线（通信、网络）基础之上的系统。移动GIS摆脱了位置和有线传输介质的束缚，使人们随时随地都可方便的采集、传输和显示地理空间数据[7-9]。

移动GIS主要由移动终端设备、无线通信网络、地理应用服务器以及空间数据库组成，其客户端需要符合易便携、低能耗的特点，并且可以快速、精确的定位和进行地理识别。移动终端的种类十分丰富，如便携式电脑、个人数字助理(PDA)、智能手机、GNSS接收终端等[10-11]。它的工作原理是：移动终端通过无线网络将请求或数据发送至地理应用服务器，服务器对接受信息进行分析，从空间数据库中调取所需资料，处理后经由无线网络传回到移动终端上（图1）。

2移动GIS在农业方面的应用

自20世纪60年代诞生至今，随着计算机技术、无线网络技术、移动通讯技术以及3S技术的飞速发展，移动GIS已经渗透到农业、水文、旅游城市规划、医疗卫生、考古、交通、军事、资源利用和环境保护等众多领域。目前移动GIS在现代农业方面的应用主要体现在精准农业研究和应用上[12-13]。

精准农业的实质就是通过各种技术手段来获取农田内不同单元小区的农作物具体的生产环境信息，并根据这些信息确定各个小区内的最为经济和科学合理的农业生产投入，达到获得经济、环境等方面最高回报的目的，从而实现农业生产的精准管理[14-16]。

在中国，移动GIS在精准农业上的应用主要集中在农田信息采集与查询，农业气象监测、田间精准施肥查询和病虫害监控与预报4个方面。

2.1农田信息采集与查询

目前国内基于GPS和GIS的农情信息定位采集系统的研究较国外起步晚，多数处于手工采集阶段[17]。传统的人工数据采集与野外调查耗时多，容易出错，且野外作业的空间定位能力差，往往以点代面，导致GIS数据的精度难以保证，野外编辑的数据需被带回后才可手动输入编译进电脑数据库导致数据不能经常更新，这些都为数据分析和决策带来极大的不可靠性。而集GPS技术、传感技术、多传感信息融合技术、无线通讯技术等现代信息技术的移动GIS的应用使得农田信息数据的实时快速采集成为可能。

在信息采集方面，移动GIS的优势之处在于其便携性的特点。在没有携带大容量的存储设备，而所采集的空间数据又非常大时，就可以通过移动GIS把采集到的空间数据直接上传到空间数据服务器上。同时服务器又可以经过处理将数据再传到移动GIS的终端上，从而形成了终端与服务器间双向的数据采集模式，方便了外出数据的采集。

国家农业信息化工程技术研究中心于2003年研究实现了便携式数字化农业信息技术产品——农务通的开发，率先在国内研究开发出基于PDA的嵌入式操作系统Window CE的农业专家数据库查询信息系统[18]。西北农林科技大学2007年开发了基于GPS-OEM模块的农田基本信息采集系统，其高性能、低成本、低能耗的特点也使得长时间的田间作业变成可能。同时该系统还实现了对农田位置的定位和地块长度以及面积的测量等功能[19]。方慧等[20]提出并实现的基于掌上电脑的农田信息快速采集与实时处理系统能够快速地测量和分析农田信息。区别于其他基于掌上电脑的GIS系统（如地籍测量GIS），在农田信息采集过程中，除接收位置信息和手工输入其他属性信息之外，还可自动采集来自传感器的农田属性信息，并可对所获信息进行实时和后期再编辑。同样在传感器与移动GIS结合应用于农田数据采集方面，车艳双等[21]于2010年将无线传感器网络、GPS、虚拟参考站、长距离无线通讯和移动便携式计算机(PDA)集成为一体，多种模块的集成便利了移动终端的携带和数据的管理，提升了农田信息测量的准确性和实时性。

准确可靠的农田信息是实施精准农业的基础，而移动GIS的便携性的特点使得大量数据通过无线网络的渠道汇总入后台的空间数据库中，提高了田间数据采集的效率。地理应用服务器可将多余数据剔除，仅保存并反馈有效数据的分析处理功能大大减低了后期数据整理工作量。手自动一体化的数据采集模式也更加适用于实际操作。总而言之，移动GIS为更方便、准确、快捷的农田信息采集工作提供了强有力的支持。

2.2农业气象监测

地理信息系统(GIS)作为一门重要的信息技术近年来在气象气候领域内引起了广泛的关注并得到了初步应用，而移动GIS是继Web GIS、桌面GIS之后又一新的技术热点。随着农业一体化的发展，传统的纸制地图或者基于Web GIS的地图服务已经不能满足农业研究生产的需求，人们急切需要及时地定位并使用农业气象信息等数据地图。

池文羽[22]研究了基于Android人工影响天气智能终端。其智能终端通过3G链路实现与远程中心指挥端的信息交互，中心指挥端将处理好的最新的雷达回波截图和云图等气象数据上传至GIS服务器，智能终端通过移动GIS平台浏览服务器上的实时天气图况。终端的摄像头可获取现场实时作业情况，利用H.264标准压缩编码成适合无线网络传输的码流，再通过RTP/RTCP协议打包上传至中心流媒体服务器，远程指挥端通过访问流媒体服务器可观看现场作业。金浩军等[23]研究的基于Android平台移动GIS在农业气象服务中的应用中，逻辑层，即服务器不仅根据用户的位置信息调取空间数据库中的历史气象数据，同时将通过网络获得的实时气象数据与历史气象数据进行整合叠加至Google Map中，并反馈至用户端。

通过移动GIS技术将历史数据与实时气象数据进行整合叠加至地图中，更能准确的反应某地某一时间段的天气状况，为即将到来的农业生产安排提供了参考和借鉴。通过无线网络等方式对田间作业实施远程监控，偶遇天气多变时可灵活调度，进行统一安排。

2.3田间精准施肥查询

中国测土配方施肥补贴项目自2005年在全国各地市、区、县开展以来，积累了大量的成果数据，如何充分利用这些数据，进一步地准确地指导生产实践成为了亟待解决额问题。而现今随着科技的发展，采用信息技术深化和普及测土配方施肥技术是近年来农业资源利用学科关注的热点之一。

2008年华中农业大学资源环境信息工程系已采用ESRI公司的ArcGISEngine二次开发平台，开发了以县为单位的配方施肥系统[24]。聂宜名等[25]设计实现了基于GIS无线服务的农业信息平台，用户通过手机向服务器发送田间服务请求，服务器对提交信息进行分解，提取用户的身份、坐标位置等信息，从空间数据库中调取土壤图、养分图等基础图件数据中的相关信息，生产模型根据相关的资料计算出配方施肥的方案，最后服务器将方案通过移动通讯公司的接口以短信、彩信、邮件或wap等形式反馈至用户手中。张国锋等[26]在ArcGIS Mobile的技术基础上进行集成二次开发，选取常用的养分丰缺指标法作为施肥模型，开发了基于移动GIS的面向导航型PDA施肥推介终端软件，以满足人们随时随地获取施肥信息的需要。车明亮[27]结合移动GIS技术，利用小麦氮肥施肥推荐模型，以Java语言为平台，提出基于GIS无线服务的小麦氮肥施肥推荐系统，实现小麦氮肥施肥实时实地推荐查询功能。安徽农业大学的祖娟等[28]以PDA为载体建立的施肥模型可藉由智能输入查询，定位查询等多种方式实时查询施肥配方，而随时随地短信群发施肥指导的功能也充分体现了移动GIS便捷性的特点。

通过整合第二次全国土壤普查的大量数据，同时利用地理信息技术成图、建立模型，计算出适宜的田间施肥配方比。通过移动GIS实现人机交互，获取土壤养分、地力等级、施肥配方、施肥技术指导等信息，指导农业生产。

2.4病虫害监控与预报

中国为农业病虫害多发国家，病虫害是制约农作物生产和限制品质提高的主要因素，且作物病虫害的暴发具有时间短、灾害面积大等特点每年都要给农业生产造成重大损失。由于农业病虫害发生及分布具有较强的时空分布特征，传统的一些病虫害信息调查管理方法很难适应农业病虫害监测的需要。因此及时、准确、有效获取病虫害的发生时间、危害程度及病源位置是病虫害防治、治理的基础。又由于作物种类繁多，病虫害名称难以界定，建立数据库，录入病虫害症状、防治方法、病源名称、多发区域等信息，建成病虫害管理系统，对所管理区域长期监测，实时采集作物病虫害信息上报，并针对病虫害症状及时制定出防治措施就显得尤为重要[29]。

2004年河北省气象科学研究所的科技人员就开展的“河北省蝗虫灾害气象监测预测技术方法研究”，针对河北省东亚飞蝗灾害大发生关键影响因子，融合移动GIS等多项技术探索蝗虫灾害的发生程度、发生期与气象条件的关系及规律，建立了河北省蝗虫灾害气象监测、预报实时服务系统[30]。孟志军等[20]开发农作物病虫害防治管理信息系统，对农作物病虫害发生动态、作物生长状况、采取的防治措施、进行化学防治所用的药剂、各地作物播种面积、病虫害发生面积、灾情损失和各地各级农业行政和技术部门所采取的措施等信息进行动态定位采集、网络化上报和动态更新、可视化分析统计、显示，同时还进行相关的预测和预报。值得一提的是，为了便于用户野外作业，该系统还设计了作业导航模块。该模块以GPS定位数据和用户指定的地图数据为依据，实时计算用户当前位置和目的地之间的距离和方位，指引用户到达预定目标。同时，该模块支持用户采集记录作业过程中的航迹点、航迹线。赵春雷等[31]在基于GIS、GPS技术的蝗虫灾害遥感监测系统中通过搜集基本图件数据形成底图后，利用移动终端的GPS定位进行现场调查和数据录入，以便确定蝗虫的易发区域。不同的是它结合了遥感技术，通过归一化植被指数检测蝗区的植被的作物长势和叶面积指数等，从而反映蝗虫灾害发生的程度和变化情况。

基于移动智能终端平台“GIS+GPS+无线网络+多媒体技术”一体化的“移动GIS”在病虫害信息管理中的应用可对农田病虫害防治信息进行规范、系统和动态地管理，能够达到及时准确地收集、传递和发布相关信息，并能第一时间制定出治理方案，减小了病虫害的危害面积，降低了病虫害的危害程度，对于全面提升病虫害防治管理水平、提高防灾减灾能力具有重要意义。同时，收集、记录的农田病虫害数字化资料也对未来的区域性病虫害研究提供了宝贵的数据。

3展望

移动GIS技术在农业方面展示了广泛的前景，但同时也存在着很多的问题。

（1）与移动GIS相配套的GPS定位系统发展并不成熟，无论是单个手持GPS接收机进行田间信息定位还是两个手持GPS接收机相对定位都存在一定的误差。

（2）定位传感器有盲区现象，使接收的数据产生错位和变形等。

（3）无线网络技术发展并不成熟，实际应用中的传输速度远低于理论传输速度，限制了移动终端与服务器之间的数据交流。

（4）相对于传统数据采集方式，移动GIS虽然提高了数据获取的精准性和便捷性，但在短时间的大范围数据采集上还是存在欠缺。

精准农业中自动化变量控制技术是实现规模化管理农田生产的重要手段，而自动变量控制机具的施肥数据大多依托于FLASH数据卡进行存储，移动GIS通过无线网络实现数据传输与共享的特点应用于智能农机上将是未来的发展方向。RS（遥感）能够提供实效性强，准确度高、监测范围大的综合性定位定量信息，与RS等技术相融合的移动GIS技术必将在田间数据采集、农田信息动态分析、农田土壤养分、土壤墒情、虫害等情况监测、肥料农药喷洒管理的大田农业中发挥举足轻重的作用。

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