1、数字农业与“3S“技术中国哈尔滨数字农业与“3S”技术- 1 -摘 要数字农业是指运用数字地球技术，包括各种分辨率的遥感、遥测技术、全球定位系统、计算机网络技术、地理信息技术等技术结合的高新技术系统。数字农业反映了农业现代化的大趋势，必将成为未来 21 世纪农业的崭新模式。 本文介绍了“3S”技术在农业中的应用，以及数字农业现在的发展状况，并对数字农业的发展趋势进行了预测。关键词：数字农业 “3S”技术 遥感( RS) 技术 GPS 地理信息系统 发展趋势数字农业与“3S”技术- 2 -1 什么是数字农业数字农业从表面上看似乎仅是简单的名词组合，其实不然，它富有实实在在的深刻内涵。就理论定义而
2、言，数字农业指的是将遥感、地理信息、全球定位系统以及电脑、通讯和网络、自动化设备等高新技术与地理学、农学、生态学、植物生理学、土壤学等基础学科有机结合起来的农业科学，它能对农作物生长发育、病虫害发生、水肥状况变化以及相应的环境因素进行实时监测，定期获取信息，建立动态空间多维系统，模拟农业生产过程中的种种现象，从而达到合理利用农业资源、降低生产成本、改善生态环境、提高农作物产量和质量的目的。近年来，数字农业的范围除了农业(耕作)外，还包括精细园艺 、精细养殖、精细加工、精细经营与管理，甚至包括农、林、牧、种、养、加工、生产、供销等全部领域。事实上，数字农业是一个学术性很强的综合概念。近几年来，与
3、数字农业技术体系有关的理论基础与应用技术研究已经成为主要发达国家发展农业高新技术的侧重点，成为极其活跃的领域。迈入新世纪，我国面临着人多地少、资源短缺、环境恶化的局面。保障十多亿人口的粮食安全，关键在于推动农业科学技术发展，这就势必要进行一次新的技术革命，促使传统农业向现代农业转变，推动粗放生产向集约经营转变。可以预言，数字农业及其相关技术的快速发展与推广应用，必将成为新世纪农业科技革命不可或缺的重要内容。2 “3S”技术在农业中的应用农业现代化是我国社会主义现代化建设的重要目标之一， 在当前国际信息化的大潮中， 农业的信息化是农业现代化的必然要求， 也是国民经济信息化的重要组成部分。“3S”
4、技术就是实现农业现代化的必要手段。社会的需求推动着技术的发展和进步，“3S”技术是在解决人类重大问题中发展起来的， 是科技进步的产物， 世界上许多国家都在积极地发展和运用以遥感( RS) 、地理信息系统( GIS) 、全球定位系统( GPS) 为代表的空间信息技术。美国原副总统戈尔于 1998 年 1 月发表的”数字地球： 二十一世纪认识地球的方式”的演讲以及 1998 年 6 月江泽民同志提出的要重视”数字地球”的研究， 表明了数字化、信息化时代的到来。二十一世纪是”数字地球”的时代， 而“3S”技术是“ 数字地球”的核心。目前，“数字地球”在我国研究领域有“数字中国”、“数字海洋”、“数字
5、长江”、“数字北京”、精准农业( 数字农业) 等。随着计算机、环境和空间科学的发展， 这种遥感( RS) 、地理信息系统( GIS) 、全球定位系统( GPS) 三项技术集成的“3S”技术， 由于其在管理空间数据方面的强大功能和处理资源与环境可持续发展问题上的突出能力， 被广泛地应用于各行各业， 有着广阔的应用前景和强大的生命力。2.1 遥感 ( RS) 技术遥感是指在远离目标， 与目标不直接接触的情况下， 判定、量测并分析目标的性质。遥感( RS) 技术正在不断发展并将进入新的多传感器技术可以广谱覆盖大气窗口的所有部分。光学遥感包含可见光、近红外和短波红外区域， 主要探测目标物反射和散射；
6、热红外遥感主要探测目标数字农业与“3S”技术- 3 -物的发射率等辐射特性。遥感的高分辨率全面体现在空间分辨率、光谱分辨率和温度分辨率三个方面， 长线阵 CCD 成像扫描仪空间分辨率可以达到 12m， 成像光谱仪的光谱细分可以达到 56nm。而在精准农业中， 卫星遥感技术的主要作用是采集信息，对异常的作物生长状况和产量的变化提供早期预测，它是精细农业获得田间数据的重要来源。遥感技术在精细农业中主要通过监测作物长势， 获得不同时间序列的图像， 综合大量作物生理学、生态学、农学、土壤肥料学、农业气象学等学科的理论和研究成果， 对作物的生长发育、光合作用、器官建成和产量形成等生理过程与环境和技术的关
7、系加以理论概括和数量分析， 建立相应的作物生长模型。并根据作物生长模型和遥感提供的信息， 农田管理者可以及时发现作物生长出现的问题， 采取针对措施进行田间管理( 如施肥、喷施农药等) 。管理者还可以根据不同时间序列的遥感图像， 了解不同生长阶段中作物的长势， 提前预测作物产量。2.2 空间定位 ( GPS) 技术全球卫星定位系统是利用地球上空的 24 颗通讯卫星和地面上的接收系统， 同时接收来自多颗卫星的电波导航信号， 测量地球表面某点准确地理位置的技术系统， 英文简称 GPS。上世纪 80、90 年代以来， 用 GPS 同时测定三维坐标的方法将定位测绘技术从陆地与近海， 扩展到整个海洋和外层
8、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； 定位精度也越来越高。GPS 接收机在精细农业中的作用包括精确定位、田间作业自动导航和测量地形起伏状况。为了实现以上功能， GPS 接收机需要与农田机械结合， 随着农田机械在田间作业，同时进行精确定位、田间作业自动导航和测量地形起伏。在 GPS 定位系统的协助下， 农田机械可以根据不同地块的差别， 自动调节种子、肥料和化学药剂的投放量。例如， 播种机会根据地块内部土壤结构、有机质含量、不同土壤含水量来确定具体地点播种的疏密， 这反映出”精细农业”田间作业具有定位化的特点。由于 GPS 具有精确定位功能， 农业机械可以将作物需要的
9、肥料送到准确位置， 也可以将农药喷洒到准确位置。这不仅有助于提高作物产量， 也可以降低肥料和农药的消耗。2.3 地理信息系统( GIS) 技术地理信息系统是一种特定而又非常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表面( 包括大气层在内) 与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。通过现代通讯技术使 GIS 进一步与信息高速公路相联， 借助现代通讯技术， 可以将 RS、GPS 和 GIS 有机地集成， 使之成为众多行业包括精准农业强有力技术手段。地理信息系统 GIS 可以被用于农田土地数据管理， 查询土壤、自然条件、作物苗情、病虫灾害、作物产量等数据， 并能够方便地
10、绘制各种农业专题地图， 也能采集、编辑、统计分析不同类型的空间数据， 通过 GIS 提供的覆合叠加功能将不同农业专题数据组合在一起， 形成新的数据集。例如， 将土壤类型、地形、作物覆盖数据采用覆合叠加， 建立三者在空间上的联系， 可以很容易分析出土壤类型、地形、作物覆盖之间的关系。地理信息系统与传统地图相比最大优点是能够很快地将各种专题要素地图组合在一起，产生出新的地图。将不同专题要素地图叠加在一起， 可以分析出土地上各种限制因子对作物的相互作用与相互影响， 从中可以发现它们之间的关系， 如土壤 pH 值与产量的关系。这对于指导农业生产是很有意义的。地理信息系统在精准农业技术中主要用于建数字农
11、业与“3S”技术- 4 -立农田土地管理、土壤数据、自然条件、作物苗情、病虫害发生发展趋势、作物产量的空间分布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信息。3 数字农业的研究进展3.1 国外的进展国外计算机及信息技术在农业上的应用发展，大致经历了 5 个阶段： 20 世纪 5060 年代，农业应用计算机技术的重点在农业数据的科学计算，促进农业科技的定量化； 70 年代，农业应用计算机技术处理农业数据，重点发展农业数据库； 80 年代，以农业知识工程、专家系统的研究为重点； 90 年代，应用网络技术，开展农业信息服务网络的研究与开发； 2
12、1 世纪，采用标准化网络新技术，实施三维农业信息服务标准化网络连接新阶段。发达国家通过计算机网络、遥感技术和地理信息系统技术来获取、处理和传递各类农业信息的应用技术已进入实用化阶段。美国伊利诺依州的农户、农场主通过信息网络，随时可以查询农业生产、销售的各种信息，制定生产经营方案；政府和管理部门也可随时调用有关国家、地区的农业资源、农业经济、农业生产、环境动态变化的信息，并利用有关信息预测未来，进行农业管理决策。如美国农业部建立了全国耕地、草地、农作物生产等监测网，并通过该网获取或传递各类农业信息。又如欧共体将信息技术应用于农业列为重点发展规划，将数据库技术、专家系统技术、决策支持技术、地理信息
13、系统技术、模式识别、图像处理、机器人等应用于农业生产和管理。发达国家的信息高速公路正在迅速伸向农村，美国的卫星数据传输系统已广泛地被农业生产者应用， “3S”技术在农业环境领域中应用迅速。网络信息技术已成为发达国家农业发展的技术支撑，不但在技术上完全实用化，而且运行服务机制也比较健全。发展中国家对信息网络技术应用于农业方面也十分重视。韩国开展了农业信息系统十年计划，菲律宾、印度、巴西、捷克、波兰、土耳其、伊朗、埃及等国都较早地采用了信息技术对农业资源、农业管理、农业生产进行管理和服务。由于网络技术的发展，使原先独立分散的网络正逐步联成一片，并向全球互联网过渡。网络技术发展较快，基于分组交换概念
14、的数字网络已经扩展到二维图形显示，二维图形应用于桌面出版和电子表格，三维图形用于专用领域。随着信息的可视化和多媒体化，基于互联网的多媒体技术和应用数据库得到迅速发展，一些传统技术已被图形、动画、声音、图像等新技术所代替。针对数字农业的发展趋势和应用前景，美国、加拿大、荷兰、英国、法国等发达国家十分重视建立农作系统模型和 GIS 技术的数字农业生产试验系统，并在示范应用中获得突出的社会、经济、生态效益。随着信息技术在农业各个领域的广泛应用，计算机技术、微电子技术、通讯技术、光电技术、遥感技术等多项信息技术已广泛应用于农业生产的各个领域。据美国伊利诺依州统计，有 67 %的农户使用了计算机，其中
15、27 %使用了网络技术。目前，日本全国电脑自动化技术已在农业生产部门中广泛应用，普及率已达 92 %；日本农林水产省的农副产品情报中心已与全国 77 个蔬菜市场、23 个畜产品市场联机，向各县农协提供农副产品价格、产地、市场交流等方面信息。以全球卫星定位系统( GPS) 为代表的高科技设备已应用于农业生产，导致了精准农业( 数字农业与“3S”技术- 5 -Precision Agricult ure)的产生，大大提高了农业生产水平。3.2 国内的进展我国对数字农业的认识尚处于启蒙阶段，但政府对此已予以高度重视。1999 年 12 月，数字地球国际会议在我国召开，作为数字地球的主要应用 领域之一
16、的数字农业，成为大会讨论的主要内容之一。 “智能化农业信息技术应用示范工程”已被列为国家“863”重点项目，2003 年国家“863”计划将“大规模现代化农业数字化技术应用研究与开发”列为重大科技专项进行研究，并取得阶段性成果。国家科技部、国家自然科学基金委、教育部、农业部以及部分省已安排了相应的科技计划重大专项开展研究。中国工程院召开了农业信息工程发展战略研讨会，“香山科学会议也以”、“植物生理生态过程模拟与信息农业”为题进行了深入有益的研讨。“十一五”期间，国家启动的第 1 批重大科技专项，就有多项涉及数字农业技术研究，国投资金达 2 亿多元。例如，“863”计划启动重大科技专项开展“精准
17、农业技术与装备”研究，拟支持 7 个重大专题，包括： 车载农田土壤信息快速获取关键技术与产品研发； 多平台作物生长信息快速获取关键技术与产品研发； 精准农业生产设计与管理决策模型技术研究； 农田作业机械智能导航控制技术与产品研发； 精准农业智能变量作业装备研究开发； 精准农业技术集成平台研究与开发； 精准作业系统构建与应用示范。又如，国家科技部和教育部在科技支撑计划中启动重大科技专项“现代农村信息化关键技术研究与示范”，拟支持 11 个重大专题，包括：重点围绕农业生产信息化(种植业、养殖业、速生丰产林、农产品流通过程) 、村镇管理信息化、农村综合信息服务等设置共性关键技术与系统研发类课题 7
18、个；农村信息化技术集成与示范课题 4 个(东部、中部、西部、东北地区农村信息化技术集成与示范 ) 。另外，数字农业在我国实践中也已得到了应用，而且都不同程度地取得了阶段性成果。例如，1992 年北京市顺义区在 1.5 万 hm2 的范围内用 GPS 导航开展了防治蚜虫的试验示范。在遥感应用方面，我国已成为遥感大国，在农业监测、作物估产、资源规划等方面已有广泛的应用。在地理信息系统方面，应用更加广泛，1997 年辽宁省用 GIS 进行了辽河平原农业生态管理的应用研究，吉林省结合其省农业信息网开发“万维网地理信息系统( GIS)”，北京密云县完成以 GIS 技术建立的县级农业资源管理信息系统。在智
19、能技术方面，国家 863 计划在全国 20 个省市开展了“智能化农业信息技术应用示范工程”。黑龙江省农垦科学院承担的国家“863”计划“智能化农业信息技术应用示范工程”项目，已在黑龙江垦区友谊、八五六等 8 个示范农场建立了示范基地，应用示范面积达 6. 7 万 hm ；黑龙江八一农垦大学承担的国家“863”计划“大规模现代化农业数字化技术应用示范”项目，已在黑龙江垦区大西江、友谊等农场大面积应用示范，示范面积达 1.3 万 hm2 。这些技术的广泛应用，为我国今后数字农业的发展奠定了一定的技术基础。4 数字农业发展趋势当前的重点是对农业生产所涉及的对象和全过程进行数字化表达、设计、控制和管理
20、。由于数字农业的关键技术是数字化农业模型，因此模型的构建和运用是数字农业发展的基础性工作。一方面，需要进一步建立和完善主要农作物生长系统的过程模拟模型，实现生物生长的动态模拟和预测； 另一方面，需要建立农业产业系统的管理知识模型，实现农业生产管理设计和决策的数字农业与“3S”技术- 6 -智能化、科学化和数字化。农业遥感技术表现为由遥感估产到品质监测，由生长特征到生理参数，由空中遥感到空地结合的趋势，重点是提高农情信息无损获取的有效性、精确度及诊断调控的数字化和指导性。GIS 技术表现为由单一功能到复合功能，由单机版到网络版，由应用系统到组件开发的趋势，重点是改善 GIS 的组件化开发水平和高
21、效集成能力。可以预计 ，数字农业的未来发展将需要综合运用信息管理、自动监测、动态模拟、虚拟现实、知识工程、精确控制、网络通讯等现代信息技术 ，以农业生产要素与生产过程的信息化与数字化为主要研究目标 ，发展农业资源的信息化管理、农作状态的自动化监测、农作过程的数字化模拟、农作系统的可视化设计、农作知识的模型化表达、农作管理的精确化控制等关键技术 ，进一步构建综合性数字农业技术平台与应用系统 ，并研制出相关支撑设备和仪器 ，实现农业系统监测、预测、设计、管理、控制的数字化、精确化、可视化、网络化 ，从而提升农业生产系统的综合管理水平和核心生产力 ，实现以农业系统的数字化和自动化带动农业产业的信息化
22、和现代化。5 小结数字农业是 21 世纪信息科学技术与农业生产管理结合的必然产物，是未来农业科技革命的重要内容。现在，我国面临的人多地少、资源短缺、环境恶化等问题依然严峻。作为一个农业大国，依靠现代高新技术推动农业的发展，促进农业粗放生产向集约经营、精细经营的转变，传统农业向现代、数字农业的转变，是保持我国农业和社会经济可持续发展的重要举措。因此，我国应把握数字农业建设的机遇，面临挑战，研究发展适合我国国情的数字农业技术体系，通过数字农业技术的研究和应用，用数字化技术重塑现代农业，从根本上改变我国农业传统落后的面貌，走出具有中国特色的数字农业之路。数字农业与“3S”技术- 7 -参考文献1 邓
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