哈尔滨师范大学
学士学位论文
题目浅谈地理信息系统在农业领域的应用
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学士学位论文
题目浅谈地理信息系统在农业领域的应用
学生陈伟
指导教师王颖讲师
年级 2009级
专业地理信息系统
系别地理信息科学系
学院地理科学学院
哈尔滨师范大学
2013年5月
浅谈地理信息系统在农业领域的发展
陈伟
摘要：综述地理信息系统(GIS)的概念、特点以及GIS的发展过程和应用领域。深入讨论了GIS在农业资源与调查、土地评价与利用、农业气候区划、农业生态环境研究、农业灾害的预测与控制、农作物估产与监测、精确农业等方面的应用现状。阐述了GIS在农业领域应用研究中存在的问题,并对GIS在农业领域未来的发展趋势进行了展望。
关键词：地理信息系统；农业应用；发展趋势；
地理信息系统(Geographic Information System, GIS)的概念最早出现于20世纪60年代,其主要作用是用于自然资源的管理和规划的研究。经过几十年的发展，地理信息系统不但成为一门新兴的交叉学科，也成为一个依托地理空间数据库、采用地理模型分析方法、适时提供多种空间的和动态的地理信息的技术系统。目前,地理信息系统已广泛应用于国防、城市规划、交通运输、人口及商业管理、军事、教育等多个领域[1,2]。美国及一些发达国家地理信息系统的应用已遍及环境保护、资源保护、灾害预测、投资评价、政府管理等众多领域[3,4]。近年来，随着我国经济的迅速发展和计算机应用水平的不断提高，地理信息系统也逐步得到重视和发展，在城市规划、土地利用、测绘、环保等领域发挥了重要作用，取得了良好的经济和社会效益。与此同时，GIS 凭借其特有的空间信息管理与处理加工能力，为农业现代化及其可持续发展提供强有力的技术支持。
1.GIS及其发展与应用
1.1 GIS
地理信息系统（Geographic Information Systems，简称 G1S）是一种采集、存储管理、分析、显示与应用整个或部分地球表面与空间和地理分布有关数据的计算系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术，是一门集计算机科学、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。它以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的、动态的地理信息，为地理研究、地理决策服务。目前已被广泛应用于城市规划、交通运输、农业生产等诸多领域。它不但与全球定位系统（GPS）和遥感（RS）相结合，构成“3S”集成系统，而且与 CAD、多媒体、通信、因特网、办公自动化、虚拟现实等技术相结合，构成了综合的信息技术。
根据上述概念可以看出，GIS具有如下3个特征：(1)具有采集、管理、分析和输出多种理信息的能力；(2)以地理研究和地理决策为目的,以地理模型方法为手段,具有区域空间分析动态预测的能力；(3)在计算机系统的支持下,完成空间地理数据管理、分析和决策。计算机持是地理信息系统的重要特征，使地理信息系统能够快速、精确、综合地对复杂的地理统进行空间定位和动态分析过程。
1.2 GIS的发展简史
从20世纪60年代初建立GIS概念迄今,概括起来大致有以下几个阶段[5]。
(1)起步阶段: 20世纪60年代为GIS的起步阶段,注重于空间数据的地学处理。在这个时期，主要是由少数专家和政府左右着GIS的发展。
(2)发展成熟阶段：20世纪70至80年代是GIS的发展时期。发达国家政府迫切需要应用GIS来解决自然资源开发、国土规划及环境保护等领域日益严重的各种问题，再加上计算机技术迅速发展，使得GIS在这一时期取得了飞速发展，并且有商业化实用系统进入市场。
(3)普及应用阶段：20世纪90年代，GIS已经成为许多机构尤其是政府决策部门必备的工作系统。与此同时，社会对GIS的认识普遍提高，这也使得GIS的应用更加扩大和深化。进入21世纪，随着GIS理论、方法和技术的成熟，其应用更加普及，目前涉及的领域已达100多个，并且从狭义的土地资源管理进入了广义的地理空间性质的自然资源管理、城市规划、生态建设及环境保护等诸多社会领域。
我国的地理信息系统出现于20世纪80年代初,从第七个五年计划开始进入发展阶段，20世纪90年代起步入快速发展阶段。随着理论、方法和技术的迅速发展，我国的GIS研究和应用正逐步形成独立的行业，并具备了走向产业化的条件。
1.3 GIS的应用
近10年来，地理信息系统技术飞速发展，功能不断完善，越来越显示出其应用领域的广泛、生命力的强大以及应用前景的广阔，并成为地理学的“第三代语言”[6]。GIS的应用已渗透到社会各个方面，涉及到所有相关的空间信息领域，诸如农业、林业、水利、土地、资源环境等。具体应用包括自然资源管理、农工商业布局、政治经济分析、城市土地规划、工程设计管理以及科教文体、国防科技、金融交通、公共设施等领域。
由于GIS集采集、存储、管理、分析信息于一体，具有图形、图象、声音、文字等多种表达能力，是一种应用性极强的系统。迈入21世纪，“数字地球”战略计划将提到议事日程上来，而且国家可持续发展的实际要求也越来越紧迫，地理信息系统的应用势必会日益拓宽，迎来新一轮发展热潮。
(1)城市规划方面：城市规划本身需要收集、处理、分析、展示大量与规划区域位置相关的空间和属性信息，从最初就与信息系统和地图密切联系[7]。因此，随着GIS飞速发展和广泛使用，GIS也越来越多地应用到城市规划领域，并不断从政府规划管理向教学科研及规划设计方面进行扩散。
(2)交通管理方面:交通阻塞对环境质量和居民生活质量都会产生严重的影响。通过GIS,对城市交通状况进行实时监测和客观评估，为管理者进行正确决策提供客观依据，从而保证了及时排除交通堵塞、保证车辆畅通[8]。
(3)自然资源管理方面:自然资源调查、区域环境监测、生态环境综合分析以及国土整治规划等工作在GIS的技术支持下，一改传统方法转而利用高科技手段，从而大大提高了效
率和质量，并为对工作中取得的海量数据进：行进一步分析、评价提供了便捷条件。
(4)环境保护方面：目前，国内已有5万多种化学危险品被广泛应用于工业、农业、科研和国防等领域，这些危险品在生产、储存、运输过程中随时可能发生事故，仅2002年国家环保总局统计的环境污染与破坏事故就达1921起,直接经济损失高达4千余万元[9]。利用先进的计算机数据库系统和GIS技术、以环境污染事故应急监测为工作主线、结合环境监测日常工作管理需求建立起的环境事故应急监测技术支持系统，完全有能力为环境事故应急监测提供直接、快速、便捷、准确的技术支持，是事故处理真实、有效的决策依据[10]。
2 地理信息系统在农业部门的应用现状分析
2.1农业资源调查与管理
农业资源是人们从事农业生产或农业经济活动所利用的各种物质与能量。农业资源调查就是针对农业资源的属性进行清查。GIS建立这些属性的空间和统计数据库，信息来源于土壤图、气候图、各种统计报表等。GIS将图形与数据库有机结合，可实现农业资源档案的计算机一体化，为农业资源自动化管理服务。利用GIS建成的信息系统较传统的数据库管理系统查询更科学、空间数据更及时，农业资源统计表和图形的同时输出使得信息更直观。
2.2常用于农业土地评价与利用
农用地评价工作繁琐，工作量大，需要大量的农用地资料。GIS以其强大的空间信息管理功能，减少了其工作量。在农用地评价信息管理、农用地自然质量评价、农用地经济评价以及农用地适宜性评价中发挥了重要作用。
在土壤及土地评价信息系统中主要是将土壤及土地空间信息以一定格式输入GIS，利用GIS 空间分析功能，特别是空间叠置分析模型，进行土壤及土地适宜性、质量的综合评估，为土地利用、规划、管理提供决策依据。如傅伯杰以延安地区为例，运用网络数据格式建立的土地资源评价信息系统[11]。S.P.Theocharopoulos在希腊利用GIS 进行土地评价，产生了土壤、土地适宜性系列图和土地利用潜力图[12]。黄杏元根据GIS空间分析功能设计土地定级空间分析软件，自动完成城市土地分等定级[13]。尹君，许皋等对徐水县的主要作物水稻、小麦、玉米、谷子和花生、棉花进行的土地多宜性评价，通过评价图形反映不同作物适宜性的细微区域差异。
在土地利用调查及动态监测中，主要将GIS与遥感结合，在GIS支持下辅助土地利用类型的信息提取，获取土地利用现状信息。利用GIS空间叠置分析摸型进行不同时期土地利用状况的叠加分析，监测土地利用变化，通过数据库和GIS支持下的土壤(地)适宜性评价分析及专家知识利用，建立土地利用决策模型，辅助土地利用决策。
2.3在农业气候区划中的应用
农业气候区划对农业、农村以及区域经济发展有重要的作用，因此进行农业气候区划是十分必要的。农业气候资源不仅在空间上有变化，而且随着时间的推移也是变化的。用传统的区划方法，缺乏直观的空间数据反映，也难以反应农业气候资源随着时间的变化而变化的特性。利用GIS技术可以充分考虑影响农业气候的因素，建立气候资源的空间模型，再进行模型的运算，然后根据综合分析的结果进行农业气候区划。利用GIS进行农业气候区划可使海量的数据信息化，节约人力物力，提高分析精度和效率，区划结果图像直观。
2.4开展农业生态环境的研究
将GIS和RS有机结合，对农业生态环境进行监测和分析是GIS在农业中应用的一个新领域。首先通过遥感方法获得生态环境的图象信息，然后将信息输入GIS，在GIS 中对各种空间数据信息进行分析、处理，及时发现异常情况并进行预警；建立环境的空间数据库，对空间数据进行管理和分析，作出对应于某一指标或多个指标的专题地图，直观形象地表现生态环境的变化情况；利用GIS 的模型功能，建立农业生态环境的模型，模拟区域内农业生态环境的动态变化和发展趋势，为科学决策和管理提供依据。
2.5进行农业灾害的预测与控制
利用遥感、GIS和计算机等技术对重大农业灾害进行综合测评，为政府和有关机构提供及时有效、准确可靠的决策信息，使减灾、防灾、救灾等有更充分的科学依据，为农业生产和农村经济稳定发展提供有力保证。对有灾害发生的区域，可以根据GIS空间信息计算出的大致受灾面积,进而估算该区域的经济损失。根据GIS的空间特性,对某一区域历史数据的演变分析，对区域内灾害发生的基本规律、时空分布、危害程度等进行综合评价和模拟，并对灾害发展趋势进行预测，为防灾、减灾提供分析对策。
2.6在农作物估产和监测中的应用
农作物估产和监测有助于政府及时了解农作物产量信息，以便科学的制定粮食进出口政策和价格，因此，科学、有效、准确的进行农作物估产和监测意义重大。农作物估产的内容主要有两方面：一是估算农作物的种植面积，在生产过程中，应用遥感技术获得作物的长势长相图，并解译遥感影像信息，然后在GIS中对各种空间数据信息进行分析，识别作物类型，通过统计量算出播种面积；二是由单产模型、长势遥感监测来确定估产模式，首先分析出作物生长过程中自身的态势和环境的变化，再利用GIS系统的模型功能，构建出不同条件下作物生长模型和多种估产模式，把上述因素信息引入模型中便能估算出大面积的作物的产量和长相长势。
2.7在精确农业中的应用
精确农业是指运用遥感、遥测(如气温、土壤温度等的遥测)、GPS、计算机网络、GIS 等信息技术、土壤快速分析技术、自动滴灌技术、自动耕作与收获技术、保存技术等定位到中、小尺度的农田,在微观尺度上直接与农业生产活动和管理相结合的高新技术系统[14]。GIS在精确农业中的应用主要包括以下几个方面：
(1)GIS是精确农业整个系统的承载动作平台和基础,各种农业资源数据的流入、流出以及对信息的决策、管理都要经过GIS来执行。
(2)GIS作为精确农业的核心组件，将RS、GPS、专家系统、决策支持系统等组合起来,起到“容器”的作用。
(3)在精确农业中,GIS还用于各种农田土地数据，如土壤、自然条件、作物苗情、产量等的管理与查询，也能采集、编辑、统计、分析不同类型的空间数据。
(4)作物产量分布图等农业专题地图的绘制和分析也都由GIS来完成。
2.8在现化农业的其他方面的的应用研究
农业是与自然环境息息相关的产业，其中的很多问题都涉及到空间问题。GIS作为解决空间问题的有效工具，不仅在上述几个方面得到较深入的应用研究,还渗透到农业领域的其他方面，如将GIS用于评价农业化学品投入的效率、农业灌溉的空间预测、农业非点源污染的模拟、农业小流域治理、农业气象服务、农业生态规划等方面。
3 地理信息系统在农业应用领域的现存问题
GIS在我国农业领域的应用研究已经初具规模，逐渐缩小了同发达国家的差距，但是仍然存在以下不足：
(1)GIS应用于农业领域还仅局限在局部地区，没有大规模推广，而且GIS的应用步伐远落后于当前的研究速度。
(2)没有进行系统的应用研究工作，仅是深入研究GIS在某一方面或某些方面的应用，使得该技术应用比较零散、不具规模。
(3)软、硬件的不相适应性。新硬件开发和投入使用速度很快，而软件系统开发费用高、周期长,这种不平衡发展，使得在旧硬件基础上开发的GIS软件对新硬件存在着某些不相适应性，从而一定程度上限制了GIS在农业领域的推广应用。
(4)信息数据更新迟缓。适时地更新数据是GIS系统功能持续发挥的前提,但由于收集地理信息的成本非常昂贵，往往使原有信息和数据不得不在GIS中毫无变动地保持相当长时间，这就使得GIS在农业领域的应用失去了活力。
(5)系统质量有待提高。理想的GIS系统是数据存储、分析、显示功能的完美组合，但目前获得长足进步的主要还在于地理信息的调查与采集，而利用GIS进行复杂系统的模拟、分析还不成熟。
4 地理信息系统在农业部门的应用趋势
地理信息系统在农业生产、经营和管理决策的广泛应用与农业领域各学科的发展相辅相成。一方面，GIS的应用促进了学科的知识创新和理论深入研究，另一方面,各学科的不断发展又反过来促使GIS系统不断完善。GIS作为一项具有广阔应用前景和强大生命力的高新技术，未来在农业领域的发展趋势主要有以下几个方面：
(1) 集成专家系统与地理信息系统，实现具有人工智能的GIS系统农业中的应用。利用GIS理论，以GIS为平台广泛开展农业专家系统的研究，建立成熟的基于GIS的数据自动采集和分析的专家系统和决策支持系统。利用这种智能型的地理信息系统来解决不能用算法解决的复杂问题，将使GIS的应用领域获得更大的拓展。
(2) 将“3S”(GPS、GIS、RS)充分集成，建立基于“3S”的空间决策支持系统。实现人-机-资源的利用管理一体化、空间化、实时化。RS作为一种获取和更新空间数据的强有力的手，能提供实效性强、准确度高、监测范围大、具有综合性的定位定量信息，RS信息是GIS十分重要的数据源，它有助于GIS数据库的及时更新，确保现实性，特别是资源环境动态监测。GPS为RS影像数据和GIS数据提供精确定位信息。在当今信息技术高实效性要求日益急迫的情况下，“3S”一体化技术必将成为重要发展方向之一，研究基于“3S”的空间决策支持系统也将成为今后的热点，这也为发展精确农业打下了基础。
(3) 加大研究力度，进行GIS应用模型的开发。在GIS应用中，应用模型是联系GIS 应用系统与常规专业研究的纽带，模型的建立必须以广泛的专业知识为基础。这既是解决专业模型的关键，也是GIS功能的扩展。因此应用模型研究是今后研究的重点发展的主要方向之一。
(4) 建立基于WEBGIS的应用系统。随着Internet的发展，以网络为平台的、采用分布式体系结构的GIS系统—WEBGIS系统将在全球信息基础设施上得到广泛应用。利用这一技术，用户可以浏览到WEBGIS站点上的空间和属性信息，实现空间信息检索查询和空间分析与计算，制作专题图件。WEBGIS系统技术发展问题的研究成为当前GIS研究的热点与前沿，因此，要加快WEBGIS在农业领域的应用，将现有的GIS系统向网络移植。
5 结语
我国是农业大国，实现农业的可持续发展事关全局。GIS处理空间问题的超强能力可以支持和促进农业的可持续发展，因此，应该更好的推进GIS在农业中的应用和研究工作，使GIS更好的为农业的发展服务。
参考文献：
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