第4讲“精细农作”的主要支持技术(二) 地理信息系统与遥感技术 中国工程院院士汪懋华 “精细农作”的实践要分析农田作物产量和影响作物产量诸因素的空间分布差 异性,按空间小区差异性实施定位变量处方农作。因此,获取和处理农田中这些 空间分布的差异性数据,提取有利于优化作物管理决策,支持定位处方农作的信 息是十分重要的。这些都需要地理信息系统(GIS?/FONT> Geographical Information System)及支持地理空间数据采集、更新及遥远监测农田空间信息 的遥感技术(Rs?/FONT> Remote Sensing)与上一讲介绍过的差分全球定位系统 ( DGPS)的支持。例如:目前,国外用于精细农作的带GPS的谷物联合收获机 可按每亩区分为约40-60个小区自动定位采集、计算单产数据,每一单产数据 与对应的农田地理座标位置同步记录下来,进一步通过计算机处理生成小区产量 分布图。为了分析产量空间差异性的原因,需要相应地对田间土壤特性、病虫草 害、作物苗情等空间分布信息进行定位采集,经过地理统计与空间信息处理技术, 生成各种数据信息的空间分布图。并使这些基于同一农田不同类型的空间分布信 息对应起来进行分析,提出按小区实施定位管理的处方决策方案。这些过程都可 以通过地理信息系统协助来完成。 地理信息系统(GIS)是一个用于输入、存储、检索、分析、处理和表达地理空 间数据的计算机软件平台。当然,GIS软件需要装载在适当性能的计算机上,并 为计算机配置必要的输入输出外部设备,如用于输入数据的扫描仪、数字化仪、 读卡机和用于输出和显示结果的计算机显示器、彩色打印机或绘图仪,并以不同 格式将处理结果保存在存储介质中备用。GIS是以带有地理坐标特征的地理空间 数据库为基础的系统。GIS中的数据可以被访问、变换、交互式处理。GIS从外 部看,它表现为计算机软硬件系统,而其内涵确是由计算机程序和地理数据组织 而成的地理空间信息模型。由GIS数据库中,可以从不同侧面、不同层次提取、 重新组织地理空间和时间特征信息,作为研究环境、生态和作物生长过程,分析 发展趋势,预测、规划和制定管理决策的基础。在“精细农作”技术体系中,GIS 主要用于建立农田土地管理,土壤数据、自然条件、作物苗情、病虫草害发生发 展趋势、作物产量等的空间信息数据库和进行空间信息的地理统计处理、图形转 换与表达等,为分析差异性和实施调控提供处方决策方案。图1表示一个典型的 GIS矢量格式农田多层空间信息分布图。它将纳入作物栽培管理辅助决策支持系 统,与作物生产管理与长势预测模拟模型、投入产出分析模拟模型和智能化作物 管理专家系统一起,并在决策者的参与下根据产量的空间差异性,分析原因、作 出诊断、提出科学处方,落实到GIS支持下形成田间作物管理处方图,分区指导 科学的调控操作。 GIS是数据库管理系统的一种类型,它用于管理地理空间数据。这种地理参考数 据,不但包括属性数据,还包括这些属性数据所在的地理空间位置数据,如特定 小区的产量数值是属性数据,该小区所在的地理位置座标(x,y)的数值,即为
第 4 讲 “精细农作”的主要支持技术（二） 地理信息系统与遥感技术 中 国 工 程 院 院 士 汪 懋 华 “精细农作”的实践要分析农田作物产量和影响作物产量诸因素的空间分布差 异性，按空间小区差异性实施定位变量处方农作。因此，获取和处理农田中这些 空间分布的差异性数据，提取有利于优化作物管理决策，支持定位处方农作的信 息是十分重要的。这些都需要地理信息系统(GIS?/FONT>Geographical Information System)及支持地理空间数据采集、更新及遥远监测农田空间信息 的遥感技术（RS?/FONT>Remote Sensing）与上一讲介绍过的差分全球定位系统 （DGPS）的支持。例如：目前，国外用于精细农作的带 GPS 的谷物联合收获机， 可按每亩区分为约 40-60 个小区自动定位采集、计算单产数据，每一单产数据 与对应的农田地理座标位置同步记录下来，进一步通过计算机处理生成小区产量 分布图。为了分析产量空间差异性的原因，需要相应地对田间土壤特性、病虫草 害、作物苗情等空间分布信息进行定位采集，经过地理统计与空间信息处理技术， 生成各种数据信息的空间分布图。并使这些基于同一农田不同类型的空间分布信 息对应起来进行分析，提出按小区实施定位管理的处方决策方案。这些过程都可 以通过地理信息系统协助来完成。 地理信息系统（GIS）是一个用于输入、存储、检索、分析、处理和表达地理空 间数据的计算机软件平台。当然，GIS 软件需要装载在适当性能的计算机上，并 为计算机配置必要的输入输出外部设备，如用于输入数据的扫描仪、数字化仪、 读卡机和用于输出和显示结果的计算机显示器、彩色打印机或绘图仪，并以不同 格式将处理结果保存在存储介质中备用。GIS 是以带有地理坐标特征的地理空间 数据库为基础的系统。GIS 中的数据可以被访问、变换、交互式处理。GIS 从外 部看，它表现为计算机软硬件系统，而其内涵确是由计算机程序和地理数据组织 而成的地理空间信息模型。由 GIS 数据库中，可以从不同侧面、不同层次提取、 重新组织地理空间和时间特征信息，作为研究环境、生态和作物生长过程，分析 发展趋势，预测、规划和制定管理决策的基础。在“精细农作”技术体系中，GIS 主要用于建立农田土地管理，土壤数据、自然条件、作物苗情、病虫草害发生发 展趋势、作物产量等的空间信息数据库和进行空间信息的地理统计处理、图形转 换与表达等，为分析差异性和实施调控提供处方决策方案。图 1 表示一个典型的 GIS 矢量格式农田多层空间信息分布图。它将纳入作物栽培管理辅助决策支持系 统，与作物生产管理与长势预测模拟模型、投入产出分析模拟模型和智能化作物 管理专家系统一起，并在决策者的参与下根据产量的空间差异性，分析原因、作 出诊断、提出科学处方，落实到 GIS 支持下形成田间作物管理处方图，分区指导 科学的调控操作。 GIS 是数据库管理系统的一种类型，它用于管理地理空间数据。这种地理参考数 据，不但包括属性数据，还包括这些属性数据所在的地理空间位置数据，如特定 小区的产量数值是属性数据，该小区所在的地理位置座标（x,y）的数值，即为
空间位置数据。GIS数据库管理系统,可以随时提取或处理相关信息,以不同方 式或颜色直观地显示在有地理坐标的地理图形上,也可以对这些信息进行不同方 式的处理,输出统计处理结果等。GIS的强大功能是:它能将一种以上同一坐标 位置的数值相互联系在一起,可以显示和分析同一农田的多种不同类型的数据图 形,并建立相互联系。GIS表达地理空间信息采用栅格型和矢量型两种不同数据 格式,在精细农作实践中,原始采集的数据常用栅格式采集和存储,速度快;通 过数据处理后形成的矢量型数据图形利于直观显示;由扫描仪或数字化仪输入的 电子地图则直接转变为矢量图形显示。地理信息系统软件具有多种强大的数据处 理功能供用户选用,当绘制产量图时,每秒均有一组数据产生,这些数据先以栅 格格式存储,产量分布图的生成常用平滑技术处理后显示矢量型数据图形;当建 立基于采样点离散程度大的田间属性数据图形时,如:土壤采样数据,则需采用 基于邻域数据相关程度来估计未知值的方法即插值法来处理,用户需要根据不同 情况选择适用的处理方法。在精细农作实践中采用GIS建立空间图形的步骤通常 是:①.用扫描仪、数字化仪输入基础地理信息建立农田电子地图或用DGPS帮助 是 绘制农田地理图形;②通过键盘输入定点采样数据或由产量监视器下载产量数 据;③.在GIS支持下对数据进行平滑、统计或内插处理,生成不同层面的矢量 型空间数据地理分布图形;④.选择颜色和图例以明晰表达各种空间信息分布图 形;⑤.在作物生产决策支持系统和决策者的参与下生成不同类型的处方图形用 于指导处方农作;⑥.在绘图仪、彩色打印机上打印图形或存入相应介质中备用。 目前,已有一批成熟先进的GIS软件在市场销售,国外软件大多也具有汉化功能, 用户需要根据自己的应用要求选择合适的软件和配置相应的计算机硬件系统,并 进行必要的应用软件开发以适应自己的应用要求。提供精细农业技术产品的厂商 也同时可提供在通用GIS平台上开发的专用精细农作GIS分析系统。在形成农业 空间信息地理图形时,采样密度、采样成本与信息处理的方法如何能更准确反映 参数的空间分布和农田空间信息快速采集先进传感技术,仍然是尚待深入研究的 课题。由于商用GIS系统的功能一般都照顾到各种类型用户的需要,针对农业资 源信息管理和精细农业实践的需要和农村用户的特点,开发基于GIS设计规范的 简单实用、易于向基层农村用户推广、界面友好的田间地理信息系统(FIS)已 引起科技界的注意 遥感技术( Remote Sensing?/FONT>RS)是未来精细农作技术体系中支持大面积 快速获得田间数据的重要工具。它可以提供大量的田间时空变化信息。近30多 年来,RS技术在大面积农业资源监测、作物产量预测、农情预报等方面作出了 重要贡献。遥感是用飞行器或人造卫星上装载的传感器来收集地球表面地物的空 间分布信息。它具有广域、快速、可重复对同一地区获取时间序列信息的特点 RS是测量地物对太阳辐射能的反射光谱信息或地物自身的辐射电磁波波谱信 息。每一地物反射和辐射的电磁波波长及能量都与其本身的固有特性及状态参数 密切相关。装载于RS平台上的照象机或扫描式光电传感器获取的地物数字图象 含有丰富的反映地物性质与状态的不同电磁波谱能量,从中可提取辐射不同波长 的地物信息,进行统计分析和地物模式识别。RS在精细农作管理中虽不是直接 测量土壤水份、植物冠层营养水平、籽粒与生物质产量等信息,但可通过多光谱 测量推断出结果。这种由测量引导推理,需利用数据分析工具寻求传感数据与土 壤或植物的相关关系,一旦这种关系建立起来,就可以对大面积的条件进行推理 通常RS数据图形可以是GIS的一个图层,作为补充实地采集的土壤肥力、杂草
空间位置数据。GIS 数据库管理系统，可以随时提取或处理相关信息，以不同方 式或颜色直观地显示在有地理坐标的地理图形上，也可以对这些信息进行不同方 式的处理，输出统计处理结果等。GIS 的强大功能是：它能将一种以上同一坐标 位置的数值相互联系在一起，可以显示和分析同一农田的多种不同类型的数据图 形，并建立相互联系。GIS 表达地理空间信息采用栅格型和矢量型两种不同数据 格式，在精细农作实践中，原始采集的数据常用栅格式采集和存储，速度快；通 过数据处理后形成的矢量型数据图形利于直观显示；由扫描仪或数字化仪输入的 电子地图则直接转变为矢量图形显示。地理信息系统软件具有多种强大的数据处 理功能供用户选用，当绘制产量图时，每秒均有一组数据产生，这些数据先以栅 格格式存储，产量分布图的生成常用平滑技术处理后显示矢量型数据图形；当建 立基于采样点离散程度大的田间属性数据图形时，如：土壤采样数据，则需采用 基于邻域数据相关程度来估计未知值的方法即插值法来处理，用户需要根据不同 情况选择适用的处理方法。在精细农作实践中采用 GIS 建立空间图形的步骤通常 是：①.用扫描仪、数字化仪输入基础地理信息建立农田电子地图或用 DGPS 帮助 绘制农田地理图形；②.通过键盘输入定点采样数据或由产量监视器下载产量数 据；③.在 GIS 支持下对数据进行平滑、统计或内插处理，生成不同层面的矢量 型空间数据地理分布图形；④.选择颜色和图例以明晰表达各种空间信息分布图 形；⑤.在作物生产决策支持系统和决策者的参与下生成不同类型的处方图形用 于指导处方农作；⑥.在绘图仪、彩色打印机上打印图形或存入相应介质中备用。 目前，已有一批成熟先进的 GIS 软件在市场销售，国外软件大多也具有汉化功能， 用户需要根据自己的应用要求选择合适的软件和配置相应的计算机硬件系统，并 进行必要的应用软件开发以适应自己的应用要求。提供精细农业技术产品的厂商 也同时可提供在通用 GIS 平台上开发的专用精细农作 GIS 分析系统。在形成农业 空间信息地理图形时，采样密度、采样成本与信息处理的方法如何能更准确反映 参数的空间分布和农田空间信息快速采集先进传感技术，仍然是尚待深入研究的 课题。由于商用 GIS 系统的功能一般都照顾到各种类型用户的需要，针对农业资 源信息管理和精细农业实践的需要和农村用户的特点，开发基于 GIS 设计规范的 简单实用、易于向基层农村用户推广、界面友好的田间地理信息系统（FIS）已 引起科技界的注意。 遥感技术（Remote Sensing?/FONT>RS）是未来精细农作技术体系中支持大面积 快速获得田间数据的重要工具。它可以提供大量的田间时空变化信息。近 30 多 年来，RS 技术在大面积农业资源监测、作物产量预测、农情预报等方面作出了 重要贡献。遥感是用飞行器或人造卫星上装载的传感器来收集地球表面地物的空 间分布信息。它具有广域、快速、可重复对同一地区获取时间序列信息的特点。 RS 是测量地物对太阳辐射能的反射光谱信息或地物自身的辐射电磁波波谱信 息。每一地物反射和辐射的电磁波波长及能量都与其本身的固有特性及状态参数 密切相关。装载于 RS 平台上的照象机或扫描式光电传感器获取的地物数字图象， 含有丰富的反映地物性质与状态的不同电磁波谱能量，从中可提取辐射不同波长 的地物信息，进行统计分析和地物模式识别。RS 在精细农作管理中虽不是直接 测量土壤水份、植物冠层营养水平、籽粒与生物质产量等信息，但可通过多光谱 测量推断出结果。这种由测量引导推理，需利用数据分析工具寻求传感数据与土 壤或植物的相关关系，一旦这种关系建立起来，就可以对大面积的条件进行推理。 通常 RS 数据图形可以是 GIS 的一个图层，作为补充实地采集的土壤肥力、杂草
虫害等数据层,同时作些补充处理以使得RS图层与其它数据层的地理位置相一 致(图2)。在精细农作中应用RS与GIS结合进行农田空间信息分析时,可按 如下步骤:①.采集RS数据和处理成数据图象(由RS服务商提供);仔细检查 图象和分析统计数据:②.完成RS数据的地面核实;③.将RS和地面核实数据送 入GIS系统;④.鉴别被测变量与作物条件的相互影响关系;⑤.根据所获信息对 农田提出处方对策等。目前,由于卫星遥感数据尚达不到满足“精细农作”需求 的空间分辨率,因而还未用于按小区进行作物生产的精细管理。然而,遥感技术 领域积累起来的农田和作物多光谱图象信息处理及成像技术、传感技术都和“精 细农作”技术体系中需要解决的实时、快速农田信息采集先进传感技术的研究开 发密切相关。RS获得的时间序列图象,可显示出由于农田土壤和作物特性的空 间反射光谱变异性,提供农田作物生长的时空变异性的信息,在一季节中不同时 间采集的图象,可用于确定作物长势和条件的变化。基于遥感产业界对“精细农 作”的商业兴趣,一系列的地球观测卫星将在近几年内发射,到2005年,将有 超过40个这类卫星提供服务。大部分这类卫星采集的全色图象,空间分辩率将 达1~3米,多光谱图象分辩率预计可达3~15米,扫视区6~30km。由于采用 卫星遥感比航空摄影的成本将低一半以上,卫星遥感技术可预期在近3~5年内, 在“精细农作”技术体系中扮演重要的角色。 现有的遥感软件平台性能价格比已有了迅速改善,并可以装载在PC机上使用。 个先进的RS平台价格也不过3-4万元。用户通常都是向卫星图象服务部门购 买特定地区某一时间的遥感图象数据(以软盘、光盘、磁带等形式),在自己的 用户RS平台上进行应用开发。现有的RS软件均与流行的主要GIS软件具有数据 通信接口,容易将RS分析与图象数据组装到GIS图层中支持作物生产管理决策 分析
虫害等数据层，同时作些补充处理以使得 RS 图层与其它数据层的地理位置相一 致（图 2）。在精细农作中应用 RS 与 GIS 结合进行农田空间信息分析时，可按 如下步骤：①.采集 RS 数据和处理成数据图象（由 RS 服务商提供）；仔细检查 图象和分析统计数据；②.完成 RS 数据的地面核实；③.将 RS 和地面核实数据送 入 GIS 系统；④.鉴别被测变量与作物条件的相互影响关系；⑤.根据所获信息对 农田提出处方对策等。目前，由于卫星遥感数据尚达不到满足“精细农作”需求 的空间分辨率，因而还未用于按小区进行作物生产的精细管理。然而，遥感技术 领域积累起来的农田和作物多光谱图象信息处理及成像技术、传感技术都和“精 细农作”技术体系中需要解决的实时、快速农田信息采集先进传感技术的研究开 发密切相关。RS 获得的时间序列图象，可显示出由于农田土壤和作物特性的空 间反射光谱变异性，提供农田作物生长的时空变异性的信息，在一季节中不同时 间采集的图象，可用于确定作物长势和条件的变化。基于遥感产业界对“精细农 作”的商业兴趣，一系列的地球观测卫星将在近几年内发射，到 2005 年，将有 超过 40 个这类卫星提供服务。大部分这类卫星采集的全色图象，空间分辩率将 达 1～3 米，多光谱图象分辩率预计可达 3～15 米，扫视区 6～30km。由于采用 卫星遥感比航空摄影的成本将低一半以上，卫星遥感技术可预期在近 3～5 年内， 在“精细农作”技术体系中扮演重要的角色。 现有的遥感软件平台性能价格比已有了迅速改善，并可以装载在 PC 机上使用。 一个先进的 RS 平台价格也不过 3-4 万元。用户通常都是向卫星图象服务部门购 买特定地区某一时间的遥感图象数据（以软盘、光盘、磁带等形式），在自己的 用户 RS 平台上进行应用开发。现有的 RS 软件均与流行的主要 GIS 软件具有数据 通信接口，容易将 RS 分析与图象数据组装到 GIS 图层中支持作物生产管理决策 分析