浅析3S技术在精准农业中的应用及发展前景

郭锈

摘 要：当今世界，现代农业发展正逐步向精准农业迈进，我国作为农业大国，在农业建设和发展中也在不断加强高新技术的应用。本文着重从3S技术体系及其在农业生产领域的应用现状进行介绍，并对未来发展前景进行展望。

关键词：精准农业;3S技术;应用

中图分类号：S-1       文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200930013

农业是国民经济的基础，随着信息技术等高新技术的快速发展，农业信息化已然成为现代农业发展的趋势，统一耕种、播种、施肥、收获的传统农业正逐步向定量化、定位化和高新技术的精准农业转变。

1 精准农业

精准农业也被称为因地制宜农业（Site Specific Farming）、处方农业（Prescription Farming），是广泛应用现代科学技术、现代工业提供的生产资料和科学管理方法进行的社会化农业，是基于作物和资源环境的时空差异性，以最小投入、最大收益和最小环境危害为目标，以管理信息系统（MIS）、计算机技术、多媒體技术和大规模存储技术为基础，以3S技术为核心，以网络为纽带，将海量的农业信息应用于农业生产实行处方作业的一种新兴的农业发展模式。精准农业的实施，不仅可以最大限度地提高农业生产力，稳增农村经济效益，更重要的是可以推动传统农业向高质量、高产量、低消耗、环保的可持续发展目标转变。精准农业首先在美国地区提出，虽然我国起步较晚，但随着信息技术水平的提升，我国农业生产现代化发展速度也在逐步加快。

2 3S技术

3S技术即指遥感技术（Remote Sensing，RS）、全球定位系统技术（Global Positioning System，GPS）和地理信息系统技术（Geographic Information System，GIS），是目前对地观测系统中空间信息获取、存贮、管理、更新、分析和应用的3大支撑技术。3S技术综合汲取RS、GIS、GPS的特点，开启了农业发展的信息化数字时代，各“S”各司其职，既独立又统一，GPS负责精准定位，RS负责收集数据及监控，GIS充当最终的“大脑”对信息进行空间管理和快速分析。

2.1 遥感技术（RS）

遥感一词来自英语Remote Sensing，即“遥远的感知”，即不与探测目标接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。“遥感”一词是20世纪60—70年代由美国地理学家艾弗林·普鲁伊特提出的，其起初仅应用于军事领域，到了20世纪80年代，该技术逐渐开始在农业生产领域中推广，其在有效提高农业生产效率的同时，还能通过分析农业气象大幅度降低气象灾害对农业生产的影响。

2.2 全球定位系统（GPS）

全球定位系统于20世纪70年代由美国开发，最早也是出于军事目的，主要为美国海、陆、空3军提供全天候和全球性的导航与情报收集服务。是由地面控制系统、空间和用户装置等组成的空间卫星导航定位系统，可以全天候对目标进行定位及导航处理，具有精密度高、抗干扰能力好、保密性强、定位速度快等特点。

2.3 地理信息系统（GIS）

地理信息系统是20世纪60年代中期开始逐渐发展起来的一门新技术，与遥感技术、全球定位系统几乎同步发展，是一种将地理现象信息采集、存储、管理、分析和显示的综合系统，可以称为3S技术的“中枢神经”。在高速网络下，地理信息系统可以实现数据资源的及时更新与共享，搭配专业的农业专家系统，通过数据的比对、分析，即可建立起各种专业的农业产业模型，有助于决策者快速分析区域空间差异，从而提出科学“处方”。

3 3S技术在精准农业中的应用

在遥感、全球定位系统和地理信息系统3大技术支持下，精准农业可以对农作物进行抽样调查，获取作物生长的各种影响因素信息（如土壤结构、含水量、地形、病虫害等）。通过比对农业小区内作物的产量，获取农业生产过程中存在的空间和时间差异性信息，分析产生小区产量差异的原因，进而根据每个地块的农业资源特点，因地制宜地实施微观调控，在现代化和机械化的精耕细作下，实现高效益农业经济。

3.1 RS在精准农业中的应用

3.1.1 农作物长势监测及产量估算

农作物在不同的生长发育时期，其外部形态和内部结构都具有一定的周期性和差别性变化，并且对于不同的作物，发育期和长势也不尽相同，不同农作物、不同时期的光谱反射率也不同。农作物的叶面指数（LAI）可以表征农作物长势，而叶面指数与生物产量之间又存在良好的线性关系，利用这一特性可以通过测定叶面指数来监测农作物的长势，并进行产量估算。借助遥感技术形成的影像图集，可以对农作物估算产量和实际产量进行对比，依据出现的偏差以及偏差程度进行优化，优化后的模型可以快速高效地对农作物生长情况和产量进行估测。

3.1.2 农作物播种面积监测及估算

根据不同的辐射光谱，分析多光谱影像呈现出的不同颜色，能够区分不同的农作物。搭载遥感器的卫星或飞机在田地上空飞行时，可以准确迅速地获取某类农作物的具体播种面积，通过对这些数据和分布图的分析处理，即可估算出该类农作物的播种面积。在估算的过程中，也可以很大程度上避免个别区域对播种面积的数据造假。

3.1.3 农作物灾害监测

农作物叶面指数（LAI）和叶绿素含量（CHL.C）的高低能够反映植物的生长状况，同时也可以作为监测植物是否处于受胁迫或被外界环境因子干扰的指标。当农作物发生病虫害时，植物叶片的叶面指数及叶绿素含量都会降低，利用遥感技术对数据进行采集并与正常植物的波段进行比对，能够以此判断出农作物的受灾害程度。据了解，全世界每年约有20%～40%的粮食被病虫害侵蚀，我国也是农业病虫害频发、广发的国家，借助遥感技术不仅可以实现快速、动态、无损、大面积地农作物病虫监测，结合其它自然灾害模型，还能对农业生产过程中的旱灾、洪涝、冻害等发生、发展、灾情、损失等进行有效监测。

3.2 GPS在精准农业中的应用

GPS可持续、实时地向用户提供精准的三维位置、三维速度和时间信息，在精准农业中主要应用于智能化农业机械作业中。为了提高精度，精准农业广泛采用了DGPS（Differential Global Positioning System）技术，即“差分校正全球卫星定位技术”，这类产品定位精度一般可达分米和米级。将GPS接收机与农田机械相结合，可以实现精确定位、田间作业自动导航和测量地形起伏状况的功能。

3.2.1 地质测绘

GPS在使用过程中受地形的影响很小，精度又高，可以利用这一特性在农业机械田间作业时对所属地形进行精准测绘，并对地形地势准确分析，有助于后续的一系列田间耕作。

3.2.2 土壤养分分布调查

结合采样车辆在农作物播种前对农田中的土壤进行采样，GPS接收机通过将采集的土壤样品点位置精准定位并录入计算机，即可得到土壤样品点位分布情况，有助于对不同地区、土壤差别和土壤中的结构进行比对分析，从而实现对微量元素与有机化肥的科学配比。

3.2.3 精准施肥、灌溉及耕作

依据农田土壤養分含量分布情况实现农作物施肥的科学配比，搭配GPS接收机的喷施器即可实现田间精确施肥。同样，利用GPS动态定位及GIS的系统命令，结合其它农业机械作业，可在田间作业时实现精准灌溉以及精准耕作。如，欧美一些国家在收割机上安装DGPS和GIS，通过DGPS进行精准定位和高度测量，利用GIS记录和显示收割机的当前位置、农田单位面积产量和地面地形起伏情况。

3.3 GIS在精准农业中的应用

GIS作为精准农业的主导部分，是3S体系的“大管家”，可以用于农田土地数据管理，对土壤、自然条件、作物苗情、作物产量等情况实时查询，并以此快速绘制各种农业专题地图，同时还能对不同类型的空间数据进行采集、编辑及统计分析。

3.3.1 农业空间数据管理

GIS是空间数据的管理系统，是对农业采集数据进行存贮和管理的空间信息系统，可以用于农田数据管理，即可远程实现对土壤状况、自然条件、作物长势、产量等数据的查询。如，欧美国家在使用安装DGPS和GIS的新型收割机进行农间收割作业时，实时记录收割机的位置，并依据产量计量系统自动称出农作物的重量，粮仓中农作物流入速度和流出的总量也可通过量仪器随时测出，这些数据能实现实时记录并传递给收割机操控室。

3.3.2 农业专题地图分析

依据采集的各种离散农业空间数据、GPS传感器的数学计算，形成各种类型的农业专题地图，再利用GIS复合叠加功能将不同的专题数据进行组合，形成新的数据集以便于综合分析。如，对土壤类型、水分分布、地形、农作物覆盖面积等进行专题数据采集，并将这些不同类型的点、线、面进行空间重叠，建立不同数据在空间上的联系，有助于决策者数字化和可视化分析。

4 3S技术在精准农业应用中面临的问题与解决途径  我国虽是农业大国，但并不是农业经济强国，我国人均可耕地面积少、资源利用率低、自然灾害频繁，受农业信息化发展进程的制约，我国3S技术在20世纪70年代末才开始应用于农业领域。而美国是最早在收割机上安装全球定位系统的国家，德国农业生产中计算机网络的使用率已超过了90%。相较于发达国家，我国3S技术在精准农业上应用的广度跟深度还有一定差距。

4.1 农业规模化经营

受家庭联产承包责任制制约，目前我国的农业生产大多是每家每户“各自为政”，难以形成规模，先进的大型农业机械设施难以推广，不利于3S技术对农业生产的有效管理。这就需要加快农业生产转型升级，推进农村土地流转，放大生产单位，实现农业规模化、集约化、高效化经营。

4.2 优化3S技术集成

相较于发达国家，我国高新农业机械设备比较少、使用率低，3S技术与高新农业机械设备结合不紧密，且3S技术在农业领域一体化集成程度不高，如空间坐标不统一、数据时间线不一致、受制于计算机硬件等原因，3S技术在应用过程中大部分停留在各“S”之间的功能互补，难以形成高度自动化、实时化、智能化的3S系统。因此，要进一步加强农业信息化建设，加大3S技术研究资金投入及高新农业机械设备投入，注重3S技术集成与农业相衔接，促进农业建设发展。

4.3 注重专业人才培养

遥感技术、地理信息系统及全球定位系统都是高科技手段，需要专业性的人才进行操作，但我国目前从事农业生产的相关人员中这类专业人才少之又少，难以将此项技术推广到基层农民手中。所以，要加大3S技术在农业领域应用的广度，就必须注重相关人才的培养，要加强与高校、科研机构的合作，壮大农业专业人才队伍。

5 前景展望

在信息化时代，精准农业代表着农业发展的方向，而3S技术作为精准农业的基石，是目前世界上公认的一项高新技术，对于推动我国农业高质量发展，实现现代农业强国这一目标具有重要意义。虽然目前我国在3S技术发展和农业应用上还有不足，但随着科学技术和经济的高速发展，3S技术必然能够克服各种障碍，助力于提升我国农业生产潜力，优化农业产业结构，有效缓解资源短缺困境，最终实现高质量、高产量、低消耗、环保的农业可持续发展目标。

参考文献

[1] 王永真.3S技术在精准农业中的引用[J].研究探讨，2018（01）：184-185.

[2]王维亮，潘多斌.3S技术在精准农业中的研究与应用[J].农业与技术，2019（08）：11-12.

[3]黄蓉.基于3S技术浅谈其在精准农业中的应用[J].住宅与房地产，2018（08）：279.

[4]李德仁.论RS、GIS与GPS集成的定义、理论与关键技术[J].遥感学报，1997，1（01）：64-68.

[5]梅安新，彭望，秦其明，等.遥感导论[M].北京：高等教育出版社，2001.

[6]朱少龙，张晋玉，晁毛妮，等.农业遥感技术研究进展[J].种业导刊，2019（08）：3-9.

[7]卞金鸽.浅谈遥感技术在农业方面的应用[J].农业技术推广，2017（02）：37.

（责任编辑  贾灿）