空间信息技术与农业发展，本文主要内容关键词为：信息技术论文,农业发展论文,空间论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
党的十五大提出：“坚持把农业放在经济工作的首位”，“大力推进科教兴农，发展高产、优质、高效农业和节水农业”。随着信息革命发展起来的遥感(RS)、全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)三大空间科学技术，已成为兴农的高科技手段而为世人所关注。本文简要介绍“三S”技术的当前发展，叙述“三S”技术在土地资源调查、土壤侵蚀调查、农作物估产与监测、灾害监测与评估等方面的应用，并着重论述“三S”技术将从为农业服务发展到直接参与农业生产的全过程，从而实现农业生产的信息化。
中科院地学部及时地提出开展“地学与农业”学术活动，目的正是为了发挥地球科学，尤其是其高新技术在我国农业从粗放型向集约型转变中的能动作用。
1“三S”技术的当前发展
这里讲的“三S”技术，指的是对地观测的三种空间高新技术系统，即遥感(RS)、全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)。严格地讲还应包括现代通讯技术，才能在信息高速公路上实现实时数据传输与通讯，使“三S”技术有机地集成起来。
1.1 遥感技术
徐冠华院士在1996年中国科学院院士大会上已经详细地论述了遥感信息科学的进展与展望。从当前到下世纪未来的15年来看，遥感技术将会有一个质的飞跃，上一个新的台阶，这主要表现在它的多传感器、高分辨率和多时相特性。
多传感器技术 已能全面覆盖大气窗口的所有部分。光学遥感可包含可见光、近红外和短波红外区域，主要探测目标物的反射和散射，可以使用底点方向传感器，也可以使用多角度传感器；热红外遥感的波长可从8μm到14μm，主要探测目标物的发射率和温度等辐射特性；微波遥感观测目标物电磁波的辐射和散射，分被动微波遥感和主动微波遥感，波长范围为1mm～100cm，被动遥感主要探测目标物散发射率和温度，主动微波遥感通过合成孔径雷达(SAR)，探测目标物的后向散射系数特征。通过双天线系统或重复轨道法可以由相位和振幅观测值实现干涉雷达测量(INSAR)和差分干涉雷达测量(DINSAR)，研究地表面水平和垂直位移以及地表土地覆盖的精细变化。这些技术进步，比较集中地反映在美国NASA提出的MTPE(Mission to Planet Earth)中的EOS-AM1和EOS-PM1中。
遥感的高分辨率特点 全面体现在空间分辨率、光谱分辨率和温度分辨率3个方面，长线阵CCD成像扫描仪可以达到1～2m的空间分辨率，成像光谱仪的光谱细分可以达到5～6nm的水平。如美国的Lewis卫星，在0.4～2.56μm波段范围内分成384个波段。热红外辐射计的温度分辨率可从0.5°K提高到0.3°k乃至0.1°k，从而可以实现遥感几何和物理的全面反演。
遥感的多时相特征 过去往往是通过加大卫星的高度，以牺牲空间分辨率来提高时间分辨率，如利用3万多公里上空的地球同步卫星，可以对40%地球表面进行近乎实时重复观测（每20分钟～1小时1个图像）。但是随着小卫星群计划的推行，可以用6颗小卫星，实现每3～5表重复一次采样，获得2～3m的高分辨率成像光谱仪数据。多波段、多极化方式的雷达卫星，将能解决阴雨多雾情况下的全天候和全天时对地观测。通过卫星遥感及其与机载和车载遥感技术的有机结合，是实现多时相遥感数据获取的有力保证。
从以上叙述可以确信，在跨世纪进程中，遥感对地观测将出现前所未有的大好形势。
1.2 空间定位技术
这里主要指全球定位系统(GPS)技术的发展。
80年代以来，尤其是90年代以来，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变革。用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从事后处理扩展到实时（准实时）定位与导航，从而大大拓宽它的应用范围和在各行各业中的作用。
根据国内外戍表明，用不同的作业和处理方法，GPS可以达到各种要求的精度。利用C/A码的广播星历，伪距法单点静态定位精度可达到±15～20m，静态伪距差分可达到±2～5m精度。
美国军方从1993年底开始采用SA政策将卫星轨道参数广播星历从25m降到100m（ε技术），同时对卫星的基准频率(10.23MHz)施加高频抖动（σ技术），此外还采用AS政策，将原来L2频率的P码改为Y码，使用户无法接收精码。为此，各国发展了广域差分GPS技术。所谓广域差分GPS(WADGPS)系统，是通过设在已知坐标点的一个主站和几个副站对同卫星进行同步观测，从而求出GPS观测值中的卫星星历误差改正、卫星钟差改正及电离层时间延迟改正，并将这些改正值传送给所有用户站，从而大大提高实时差分的精度，使之达到±1.0m之内，而且差分距离可由100km增加到1000km～1500km。在未来5年之内，各国（包括我国）可望建成广域差分GPS网。
载波相位差分GPS还可以提供更高的相对定位精度。利用设在地面参考点上和飞机上的GPS接收机进行载波相位差分测量和自动空中三角测量，可以满足各种比例尺空间数据库要求，在小范围内可以达到厘米级和毫米级相对精度。星载GPS接收机，测定在轨及其垂直方向的位置精度为±10m，而高度的测定精度为±15m。美国航天局与法国国家空间研究中心于1992年联合发射的Topex/poseidon海洋测量卫星上利用星载GPS接收机和微波测高仪，以求获得海面地形测量达到±5cm的高精度。
接下去的发展是卫星全球导航、定位、通讯三位一体系统，即卫星全球导航／移动通讯系统，从而在“信息+经营＝财富”的全球经济剧变中，将整个世界收缩为一个崭新的电子地球村(Electronic Global Village)。例如，一种称为GNSS的全球导航卫星纯民用系统，设计由30颗中等高度(1000km～1500km)圆轨道卫星和6～8颗椭圆轨道卫星组成，该系统不仅具有GPS/CLONASS+INMARSAT3的导航定位功能，而且还具有卫星全球通讯能力。
GPS的发展将使GPS接收机大量普及应用并深刻影响着人们的日常生活，这从GPS接收机的销售量急剧增加可以看出。1989年GPS接收机的销售仅为4000万美元，1993年增长到4亿～6亿美元，估计到2000年将达到50亿～60亿美元。随着市场的扩大，GPS接收机的产品价格平均以30%价格下降，手提式接收机在美国市场售价在300美元左右，而OEM板只有100多美元。
除了传统的测绘系统和军事应用外，车载GPS导航、GPS地震监测系统、GPS气象学、GPS捕鱼业、GPS放牧、GPS狩猎、GPS登山旅游以及GPS农业等将形成GPS普及应用的缤纷五彩世界。
1.3 GIS技术
信息作为一种新兴的产业越来越受到人们的重视，信息革命的浪潮正冲击着人类社会。在这场革命中，地理信息系统(GIS)作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科迅速地兴起和发展起来。
GIS研究计算机技术与空间地理分布数据的结合，通过一系列空间操作和分析方法，为地球科学、环境科学和工程设计，乃至企业经营提供对规划、管理和决策有用的信息，并能回答用户所提出的有关问题。随着我国四化建设、改革开放的深入和社会主义市场经济的发展，从中央到地方，各行各业对GIS的需求愈来愈多，各种形式的GIS，尤其是城市GIS和土地信息系统(LIS)正如雨后春笋。目前地理信息系统进入了新的发展阶段，已成为一种包括硬件生产、软件研制、数据采集、空间分析及咨询服务的新兴信息产业，并开始为政府的职能转变提供宏观调控的现代化工具，尤其在我国已显示出巨大的潜在市场。
地理信息系统(GIS)是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是以采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分地球上与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。由于地球是人们赖以生存的基础，所以GIS是与人类的生存、发展、进步密切关联的一门信息科学与技术，受到人们愈来愈大的重视，将成为“数字地球”的基础。
地理信息系统按其范围大小可以分为全球的、区域的和局部的三种，范围大的一般分辨率低，反之则高。通常GIS主要研究地球表层的若干个要素的空间分布，属于2～3.5维GIS，布满整个三维空间建立的GIS，才是真三维GIS。一般也常常将数字位置模型（二维）和数字高程模型（一维）的结合称为2+1维或三维、加上时间坐标的GIS称为四维GIS或动态GIS。
GIS技术的目前发展一方面是基于Client/Server结构，即客户机可在其终端上调用在服务器上的数据和程序。另一方面是通过互联网络发展Internet CIS或Web-GIS，可以实现远程寻找所需要的各种地理空间数据，包括图形和图像，而且可以进行各种地理空间分析。这种发展是通过现代通讯技术使GIS进一步与信息高速公路相接轨，而且借助于通讯技术，可以将遥感(RS)、全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)有机地集成起来，成为各行各业，包括农业发展和进步的有力技术手段。
2 “三S”技术在农业中的基本应用
关于“三S”技术在农业领域中的应用，林培等在《中国农业遥感发展的回顾与展望》一文中已作了较全面的叙述，概括起来，包括以下几个方面。
2.1 土地资源调查、监测与保护
1979年到1993年由农业部全国土壤普查办公室主持的“第二次全国土壤普查”，首次以1:1万～1:5万的航空像片为主要数据源，结合使用地形图，进行了县级土壤调查，随后又以卫星遥感影像MSS和TM进行专区级和省级汇总。
自1987年开始，在国家土地局主持下开展了“全国土地利用现状详查”，历时将近10年。由于土地利用现状调查是与土地的权属调查相结合，故对几何精度要求较高，在县一级主要采用了经过几何纠正的相片平面图和正射影像图，便于量测和转绘。
从1996年开始，由国家科委、国家土地管理局和农业部主持的“全国基本农田保护与监测”工作，是在前两次工作的基础上，利用航空像片（大比例尺）、TM影像（中比例尺），并与GIS和GPS相结合，力求在技术手段上有一个飞跃。
2.2 土壤侵蚀调查
土壤侵蚀问题对农业资源和环境问题关系重大。利用卫星遥感影像可提供许多土壤侵蚀因子信息，如地形、坡度、岩性、植被等，据此以通用土壤侵蚀方法为基础建立土壤侵蚀模式，并与相应地区的水文观测站的输沙模式相叠合，进行土壤侵蚀量因子分析和区域侵蚀模数计算，并顾及气象、水文要素与土壤侵蚀的关系。我国利用遥感方法，先后对山西三江河流域、延安地区、永定河上游等进行了土壤侵蚀调查。1993年在水利部遥感中心的组织下，进行了全国土壤侵蚀的遥感制图研究，利用TM图像对全国进行了土壤侵蚀的清查工作，编制了全国1:50万（部分地区1:25万～1:10万）土壤侵蚀图，将全国土壤侵蚀因子编码建模，而且将全国的水蚀、风蚀和融冻侵蚀采用统一的分类标准，统一编码制图，并输入计算机以备检索查询。
2.3 农作物估产和监测
农作物估产和监测对国家及时了解农作物产量，制定粮食进出口政策和价格至为重要，联合国粮农组织(FAO)及大多数国家都把它作为头等大事来抓。
作物估产的内容，一是估算作物种植面积，二是由单产模型、长势遥感监测来确定估产模式。要做到又快又准又省是需要花大力气的。
我国农作物遥感估产最初采用联合国粮农组织(FAO)推行的美国农业部的框图面积取样法，该方法是集统计估产、农学估产、气象枯产和遥感光谱估产于一体的综合遥感估产，是传统的统计估产方法与遥感估产的结合，简易可行。我国遥感估产的第二阶段是1984年由国家气象局主持的“全国冬小麦NO，对作物面积、单产和长势变化等进行AA卫星遥感综合估产”项目，这是一种大面积农作物估产方法，在对冬小麦的宏观地理分布了解的基础上，根据气候和生物特点，分区建立绿度修正值，在充分研究了小麦不同生育期的不同绿度值特点之后，利用相应的绿度值图来研究不同的估产模式，在微机网络上实现通讯和产量计算。
遥感估产的第三种方法以“八五”攻关项目“重点产粮区主要农作物遥感估产”为代表，估产内容涉及小麦、玉米和水稻，充分利用了TM影像的多波段特性和高几何分辨率(30m)，在农作物套作区进行了提高面积解译精度的研究，同时结合利用NOAA数据，对作物面积、单产和长势变化等进行了估计，把RS和CIS相结合，取得了较好结果。
此外，RS、GIS和GPS技术用于宜农荒地调查，草场、水生植被资源调查，水旱灾调查与治理，沙漠化与防治，水资源调查等诸多方面，也与农业的发展有直接关系。
需要指出的是以上各方面的应用，农民一般不能参与“三S”应用过程，而主要是由“三S”技术科技人员为农业提供服务。
3 “三S”技术与精细农业
3.1 概念与定义
自90年代以来，精细农业(Precision Agriculture,Precision Far-ming或Cyberfarm)作为基于信息高科技的集约化农业问世了，并成为农业可持续发展的热门领域。支持“精细农业”示范应用的基本技术手段倚究开发出来，并逐步趋于成熟。愈来愈多的成果见诸于国际学术刊物，每年都举办相当规模的“国际精细农业学术研讨会”。美、加、英等国一些大学建立起“精细农业研究中心”，纷纷开设相应的课程培训人员。可以预料，“精细农业”将在世纪之交引发新的农业科技革命，广大农民将在信息网络上从事农业生产全过程。因此，值得我国科技界高度重视。所谓精细农业是将遥感、地理信息系统、全球定位系统、计算机技术、通讯和网络技术、自动化技术等高科技与地理学、农业、生态学、植物生理学、土壤学等基础学科有机地结合，实现在农业生产全过程中对农作物、土地、土壤从宏观到微观的实时监测，以实现对农作物生长、发育状况、病虫害、水肥状况以及相应的环境状况进行定期信息获取和动态分析，通过诊断和决策，制定实施计划，并在GPS和GIS集成系统支持下进行田间作业的信息化现代农业。
3.2 “精细农业”的技术思想
“精细农业”技术研究发展的驱动力，是在所有农业耕地中及时发现的作物生长环境和收获产量实际分布的空间差异性和对这种差异性的及时调控。通过“三S”技术可以及时发现和调控这些田块内、田块与田块之间的差异性，从而根据优化经营目标，实施目标投入，实现田区内资源潜力的均衡利用。
这里所说的优化经营目标主要指：以获取高产为目标，还是以适度投入获取最佳经营利润为目标，或是以减少环境后果为目标。
能使“精细农业”得以实现的技术条件包括：航空／航天遥感(RS)；地理信息系统(GIS)；全球定位系统(GPS)；决策支持系统(DSS)。
传感技术：作物产量、车辆、杂草、土壤参数传感器等自动控制农业机械。
3.3 “三S”技术在精细农业中的作用
“三S”技术在精细农业中的作用十分重大，主要体现在：
(1)航空与航天遥感。通过高空间和高光谱分辨率，及时（平均2～3天一次）地提供农作物长势、水肥状况和病虫害情况，称之为“征兆图”(Sympto Maps)，供诊断、决策和估产等使用。为了实时地获取数据，需要反复利用航空遥感或利用各个小卫星建立全球数据采集网。
(2)利用已存贮的土壤背景数据库、农田灌溉、施肥、种子等数据库和新获取的“征兆图”进行分析、作出判断，形成所谓的“诊断图”(Diagnosis Maps)，将这些结果与MIS等相结合进行综合分析，结合社会经济信息作出投入产出的估算，提出“实施计划”(Action Plan)。
(3)将这种集成系统装在农业机械上，实现农田作业的自动指挥和控制，即开到指定的农田去，完成指定的作业，实现因地播种、施肥、除草、灌溉、培土以及收割等工作。为了保证作业的精确性，需要建立相应的专题电子地图和广域／局域GPS差分服务网。
3.4 国外“三S”精细农业的实例
在西方国家如美、加、英等国“三S”精细农业已经见诸于试验和使用。这里可以举几个例子。
例1，美国TASC/WSI公司的“精细农业遥感”：该公司由三个分公司组成，其中信息获取20人，信息处理25人，以及信息分析75人。目前利用小型机载Kodak DC460 CCD相机加上GPS和IMU像移补偿装置，进行全色、彩色和彩红外摄影。CCD相机为 3K×2K尺寸，f=28mm，像素为9μm，每次航行3.5h，达到300hm[2]面积，经48h加工后将成品用CD-ROM形式向农民提供（几何精度为0.2～1.0m）。农业技术员和土壤员通过实地抽样调查了解得到“征兆图”，供采取对策和行动使用。成本估计为20美分／英亩，已在美国5个农业为主的州里推广使用。
例2，美国GER公司的GEROS计划：这是一个美籍华人公司所提出的农业监测小卫星计划。计划由6颗小卫星组成，每颗卫星扫描带宽为120km，组合在一起，重访周期为3天左右，主要装有可见光、短波红外两种遥感器。从第三颗卫星起，再装上1台热红外扫描仪以获取地表温度等信息，用于农作物长势、病虫害、水旱灾监测，为“精细农业”服务，收费估计为每英亩1美元。目前该公司正在四方筹集资金，美国的休斯和洛克希德—马丁公司可能投资参预。
例3，美国21世纪资源公司的Resource21计划：该计划的“三S”精细农业是将由4颗小卫星组成的遥感系统与GPS、GIS技术相结合实现从“征兆图”到“诊断图”以及制定“实施计划”的信息农业。
4颗卫星的基本参数为：
(1)重量：500kg，三轴稳定，地面分辨率10m，短波红外为20m。
(2)5波段多光谱遥感器：蓝 0 45～0 52μm，信噪比119～49绿 0 52～0 60μm，信噪比140～50红 0 63～0 68μm，信噪比123～36近红外 0 77～0 90μm，信噪比171～52短波红外1 55～1 65μm，信噪比464～133
(3)15 9°推帚式成像。
(4)205km地面带宽。
(5)176GB数据存贮能力。
波音公司已表态支持这项计划。
例4，加拿大阿尔伯特省的GPS种田计划：该州地广人稀，利用由遥感提供的作物与土壤数据，装入GIS中，然后在GPS辅助下，实现科学播种、施肥、植保、收割等农业作业过程的计算机自动化。
4 一点建议
鉴于以上的介绍和分析，我们建议在我国立即开展“三S”精细农业的基础和应用研究。
研究内容包括：用于精细农业的新型遥感技术；基础农业信息系统的设计与建立方法；GIS支持下农作物征兆信息提取和农业诊断系统研究；MIS支持下的决策支持系统模型与算法；DGPS动态定位与作业指挥、控制方法以及如何建立农业信息服务系统网络。
所涉及到的重大基础问题有：①环境胁迫作用下的遥感机理和遥感标志研究。这里的环境胁迫主要指的是水分条件，肥力条件，病虫害和水、旱、风灾等。②遥感和GIS的集成对作物胁迫作用的诊断理论。③作物生长环境和收获产量实际分布的空间差异性机理和环境胁迫作用与产量形成的遥感定量关系。为了解决上面的理论和应用问题，需要抓住高光谱、高分辨率、雷达遥感等技术手段和“三S”集成技术等关键技术。
所采取的技术应当是：充分利用我国相关重大项目已取得的研究成果，抓好精细农业实验基地，加强实践研究，积累必要的基础数据，大力开展各学科和跨学科之间专家的合作与协同攻关，依靠中央和地方两个积极性，并力争国际合作渠道，在跨世纪进程中不失时机地抓紧抓早抓好，为下一世纪我国农业的现代化、信息化打好高科技基础。
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