GIS,RS和GPS支持下的精确施肥理论技术及展望--《成都理工大学学报(自然科学版)》2003年06期
GIS,RS和GPS支持下的精确施肥理论技术及展望
【摘要】：以精确农业为背景,在分析了"土壤-作物-养分"间的复杂关系的基础上,概括了信息技术(RS,GIS,GPS)、生物技术、机械技术和化工技术支持下的精确施肥模型。详细阐述了以遥感(RS)技术支持为主体的土壤数据和作物营养实时数据采集技术;全球定位系统(GPS)支持下的空间数据采集和控制施肥技术;地理信息系统支持下的施肥综合决策系统。探讨了当前精确施肥技术理论的进步与不足,并为结合中国国情发展精确施肥作了探索。
【作者单位】：
【基金】：
【分类号】：S147【正文快照】：
　　中国是一个农业大国,但人多地少,可耕地资源有限,中国用占不到世界10%的土地养活了占世界22%的人口。随着科学技术的飞跃发展以及精确农业概念的引入及其在中国的实验和实践,传统的施肥技术体系面临新的挑战,国内外已有人对此技术进行探索[1],[2],精确施肥只作为精确农业
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400-819-9993(RS+GIS/RS+GPS/GIS+GPS)和；RS与GIS的集成是3S中最重要也最核心的内容，；GPS和GIS集成是利用GIS中的电子地图结合G；GPS和RS集成的主要目的是利用GPS的精确定位；“3S”整体集成:3S整体集成包括以GIS为中心；“3S”集成的应用及其关键问题：由于RS、GIS；应该指出,尽管3S集成获得了广泛的应用,但仍有许；除了以上几
( RS+GIS/ RS+GPS/ GIS+GPS)和一种3要素集成方式( RS+ GIS+GPS) . 深度是指联系的紧密程度, 包括三个层次, 即数据层次的集成、平台层次的集成和功能层次的集成. 所谓数据层次的集成, 是通过数据的传递来建立子系统之间的联系, 此时平台处于分离状态, 数据传递要通过网络或人工干预完成, 故效率较低. 平台层次的集成是在一个统一的平台中分模块实现两个以上子系统的功能, 各模块共用同一用户界面和同一数据库, 但彼此保持相对的独立性. 功能层次的集成是一种面向任务的集成方式. 此种集成方式同样要求平台统一, 数据库统一, 界面统一, 不同的是, 它 不再保持子系统之间的相对独立性, 而是面向应用设计菜单、划分模块, 往往在同一模块中包括了属于不同子系统的功能实现. 同步性是指系统处理数据的时效与现势性, 即数据获取与数据处理的时间差, 包括完全同步、准同步和非同步三种方式. 完全同步是指数据获取与数据处理同时进行, 此方式下数据采集是一个连续的不间断过程, 并且要求数据处理的速度与数据采集的速度严格匹配. 准同步是在数据获取与数据处理之间存在一定的时间差, 造成该时间差的原因是数据处理的速度与数据采集的速度不能严格匹配, 进而使得数据采集不是连续进行而是在两次采集之间存在一定的时间间隔. 非同步是指数据获取与数据处理之间存在较长的时间间隔, 造成这种间隔的原因是因为数据获取与传递的过程太长( 如统计资料和RS影像) , 有时是因为目前尚不能克服的技术上的一些限制( 如用载波相位法解算的定位数据) . 应该指出, 同步与准同步方式不仅要求数据处理平台集成, 同时也要求数据采集台集成, 故实现的代价较高, 通常只用于需要实时监控和快速反应的紧急事件如救灾抢险、交通或战场指挥等. 在大多数情况下, 非同步方式都能满足应用要求, 且成本远低于同步、准同步方式,是一种恰当的选择。 RS与GIS集成关键技术 RS与 GIS的集成是3S中最重要也最核心的内容，对于各种GIS，RS是其重要的外部信息源 是其数据更新的重要手段 。反之GIS亦可为RS的图像处理提供所需要的一切辅助数据。两者结合的关键技术在于栅格数据和矢据的接口问题。遥感系统普遍采用栅格格式其信息是以像元存储的而GIS主要是采用图形矢量格式是 按线面多边形存储的 因而由于数据结构的差异 图像数据库和图形数据库之间的集成也是两者集成的难点现阶段其解决方式如图所示。因为早期的GIS大多采用矢量数据结构, 而RS采用栅格数据结构记录. 绝大部分GIS中现已能够处理矢量、栅格两种数据格式, 此问题基本解决. 集成的另一难点是RS影像信息的自动识别和提取, 该问题仍未能彻底解决. GIS与GPS集成：
GPS和GIS集成是利用GIS中的电子地图结合GPS的实时定位技术为用户提供一种组合空间信息服务方式, 通常采用实时集成方式. 从严格的意义上说, GPS提供的是空间点的动态绝对位置, 而GIS提供的是地球表面地物的静态相对位置. 二者通过同一个大地坐标系统建立联系. 在实际应用中, 在非集成方式下使用GIS和GPS技术常常产生以下两方面的问题. 其一, 在实地位置和图上位置之间建立联系只能靠目测估 计, 速度慢、准确性差. 其二, 在动态定位或者缺乏参照物的场合, 由于不能确定实地位置和图上位置之间的对应关系, 只能靠目测来获得测点周围地物的相对位置,受人眼视野窄、不能定量等因素的影响, 靠目测获得的测点周围地物相对位置在信息 量、准确性等方面存在严重不足. 所以, 在电子导航、自动驾驶、公安侦破、实时数据采集和更新等既需要空间点动态绝对位置又需要地表地物静态相对位置的应用领域, GIS与GPS集成几乎是一种必然的选择. 具体的说, 存在以下几种集成模式( 1) GPS单机定位+栅格式电子地图; ( 2) GPS单机定位+矢量电子地图; ( 3) GPS差分定位+矢量/ 栅格电子地图。 RS与GPS集成
GPS和RS集成的主要目的是利用GPS的精确定位功能解决RS定位困难的问题, 既可以采用同步集成方式, 也可以采用非同步集成方式. 传统的遥感对地定位技术主要采用立体观测、二维空间变换等方式, 采用地空_模式先求解出空间信息影像的位置和姿态或变换系数, 再利用它们来求出地面目标点的位置, 从而生成DEM和地学编码图像. 但是, 这种定位方式不但费时费力, 而且当地面无控制点时更无法实现,从而影响数据实时进入系统.PS强大的定位功能为RS影像的实时处理与快速编码提供了可能, 其基本原理是采用GPS/ INS方法, 将传感器的空间位置(Xs, Ys, Zs)和姿态参数(fai.w.k)记录下来, 通过相应软件, 快速产生直接地学编码. “ 3S”整体集成: 3S整体集成包括以GIS为中心的集成方式和以GPS/RS为中心的集成方式. 前者的目的主要是非同步数据处理, 通过利用GIS作为集成系统的中心平台, 对包括RS和GPS在内的多种来源的空间数据进行综合处理、动态存贮和集成管理, 同样存在前文所说的数据、平台( 数据处理平台) 和功能三个集成层次, 可以认为是RS与GIS集成的一种扩充. 后者以同步数据处理为目的, 通过RS和GPS提供的实时动态空间信息结合GIS的数据库和分析功能为动态管理、实时决策提供在线空间信息支持服务. 该模式要求多种信息采集和信息处理平台集成, 同时需要实时通讯支持, 故实现的代价较高. 加拿大的车载/ 3S0集成系统(VISAT) 和美国的机载/ 星载/ 3S0集成系统是后一种集成模式比较成功的两个实例. “3S”集成的应用及其关键问题：由于RS、GIS和GPS在功能上的互补性, 各种集成方案通过不同的组合取长补短, 不仅能充分发挥其各自的优势, 而且能够产生许多新的功能. 如果说RS、GIS和GPS三种技术的单独应用提高了空间数据获取和处理的精度、速度和效率, 那么3S集成除了在以上三方面更进一步以外, 其优势还表现在其动态性、灵活度和自动化等方面. 所谓动态性是指数据源与现实世界的同步性、不同数据源之间的同步性以及数据获取与数据处理的同步性. 灵活度是指用户可以根据不同的应用目的来决定相应数据采集和数据处理, 建立二者之间的联系及反馈机制, 从而以最恰当的方式完成指定的任务. 自动化是指集成系统能够自动完成从数据采集到数据处理的各个环节, 不需要人工干预. 以上的三种优势不同程度地反映在各种具体的集成模式中.3S集成已经在测绘制图、环境监测、战场指挥、救灾抢险、公安消防、交通管理、精细农业、地学研究、资源清查、国土整治、城市规划、和空间决策等一系列领域获得了广泛的应用, 可以肯定, 在未来其应用领域还将进一步拓展. 但无论其应用领域如何广泛, 也无论其应用领域在未来如何拓展,3S集成本质上是三种对地观测技术的集成, 它所能提供的是不同层次的空间信息服务, 服务内容会随具体的应用场合不同而改变, 但不会超出以下五个层次的组合. ( 1) 直接信息服务, 包括原始遥感影像、GPS定位信息和GIS数据库中存贮了的信息;( 2) 复合信息服务, 包括带有RS影像或地图背景的解算好的GPS定位信息, 经过处理带有地学编码的遥感影像或同时包含RS和GIS信息的影像地图. ( 3) 查询信息服务, 包括从空间位置到空间属性的双向查询以及二者的联合查询, 此处空间位置可由RS、GPS或GIS任意一种方式指定. ( 4) 计算信息服务, 包括由GIS计算所得的空间目标本身的长度、面积和体积或其相互之间的距离和空间关系等. ( 5) 复杂信息服务, 包括利用空间分析和模型得到的各种结果, 如: 最短路径或交通堵塞时的替代路线、污染物泄漏或管线断裂影响范围、自然灾害灾情实时估算等等. 显然, 上述五种信息的实时或 非实时组合可以应用于但不限于上文所提到的12个领域. 应该指出, 尽管3S集成获得了广泛的应用,但仍有许多尚未彻底解决的问题, 在对3S集成及其关键技术的理解上也存在不同的意见. 李德仁强调技术上的可行性, 认为3S集成需要解决的关键问题是: ( 1) 系统的实时空间定位; ( 2) 系统的一体化数据管理; ( 3) 语义和非语义信息的自动提取理论方法; ( 4) 基于GIS的航空, 航天遥感影像的全数字化智能系统及对GIS数据。
除了以上几个方面以外3S集成关键技术还包括多源多时相多尺度信息的获取与集成技术空间信的动态管理与综合分析技术。3S集成的技术与交换技术以及虚拟现实和可视化技术等以下着重从多源空间数据的集成数据挖掘模型库管理系统和虚拟现实可视化技术几个方面简述集成技术的研究现状。 1. 多源空间数据的集成 由于不同地理信息系统平台的数据并没有一个统一的数据表达的标准规范，所以各GIS应用软件都使用各自的数据定义方式。当需要建立一个标准的地理信息数据库的时候就需要将来自不同gis应用软件的数据进行数据格式的转换操作，以实现数据的 整合主要的集成模式有数据格式转换模式 数据互操作模式和直接数据访问模式。不同数据格式之间的转换会造成部分信息的丢失 而且数据转换一般通过交换格式进行转换过程较复杂。 2.数据挖掘 数据挖掘是指把人工智能，机器学习与数据库等技术结合起来由计算机自动地从数据库或数据仓库中的大量数据中揭示出隐含的先前未知的并具有潜在价值的信息或模式 以解决数据量大而知识贫乏这一困扰专家系统的知识瓶颈问题的非平凡过程 尽管专家系统中在知识表达和知识应用的研究取得了不少进展，但知识获取仍然主要依赖于专家和知识工程师 离知识自动生成还有相当大的差距 因 此知识获取问题成了专家系统发展的瓶颈，也成了建立智能化遥感与地理信息系统的瓶颈。 3.模型库系统 gis应用的相关领域都已有了许多具有实用价值的应用分析模型。这些模型为空间辅助管理决策提供了强有力的支持 然而这些模型一般都缺乏友好的交互界面模型的分析结果不形象不直观，相反gis在人机交互可视化等方面则具备强大的功能。鉴于此将专业应用模型集成到gis系统中不仅能增强的gis分析功能同时也能提高已有模型的重用率。 实现gis与应用模型的无缝集成挖掘gis在各领域的应用已受到诸多学者专家密切关注。 4.虚拟现实可视化技术 虚拟现实（VR），三维仿真（3D）是近年来发展比较快且十分活跃的技术领域之一。gis与虚拟现实技术和三维仿真技术相结合，将虚拟地理环境带入gis可以模拟反映地学特征，处理与地学相关的属性要素。使得gis用户在处理三维客观世界的虚拟环境中能更有效的管理，分析空间实体数据。
2003地理信息系统 名词解释(5”x10) 1. 地理信息系统 2. 监督与非监督分类（03,08） 监督分类 （supervised classification）又称训练场地法，是以建立统计识别函数为理论基础，依据典型样本训练方法进行分类的技术。即根据已知训练区提供的样本，通过选择特征参数，求出特征参数作为决策规则，建立判别函数以对各待分类影像进行的图像分类，是模式识别的一种方法。要求训练区域具有典型性和代表性。判别准则若满足分类精度要求，则此准则成立；反之，需重新建立分类的决策规则，直至满足分类精度要求为止。常用算法有：判别分析、最大似然分析、特征分析、序贯分析和图形识别等。 非监督分类 (Unsupervised Classification ) 是以不同影像地物在特征空间中类别特征的差别为依据的一种无先验（已知）类别标准的图像分类，是以集群为理论基础，通过计算机对图像进行集聚统计分析的方法。根据待分类样本特征参数的统计特征，建立决策规则来进行分类。而不需事先知道类别特征。把各样本的空间分布按其相似 8
性分割或合并成一群集，每一群集代表的地物类别，需经实地调查或与已知类型的地物加以比较才能确定。是模式识别的一种方法。一般算法有：回归分析、趋势分析、等混合距离法、集群分析、主成分分析和图形识别等。 3. GPS（0203,04） 4. 地图投影 5. 元数据 6. 遥感图像地形纠正 如果地形不平坦，受坡度和坡向的影响，传感器会的的能量也会发生变化，如一个区域获得能量会随着阴影而有所减少从而减少图像的亮度值，对于高山峡谷地区的图像，地形校正是非常有必要的，通常可选用TM图像进行纠正。 利用遥感器观测目标物辐射或反射的电磁能量时，从遥感器得到的测量值与目标物的光谱率或光谱辐射亮度等物理量是不一样的，遥感器本身的光电系统特征、太阳高度、地形以及大气条件等都会引起光谱亮度的失真。为了正确反映地物目标的反射或辐射的特性，清除图像数据中依附在辐射亮度中的各种失真的过程。 7. 数据库管理系统 8. 地理信息 地理信息(Geographic Information)是指与空间地理分布有关的信息，它表示地表物体和环境固有的数据、质量、分布特征，联系和规律的数字、文字、图形、图象等总称。地理信息属于空间信息。区域性、多维性、动态性。 地理信息除具备信息的一般特性外，还具备一下独特特性： 区域性 地理信息属于空间信息，其是通过数据进行标识的，这是地理信息系统区别其他类型信息最显著的标志，是地理信息的定位特征。区域性即是指按照特定的经纬网或公里网建立的地理坐标来实现空间位置的识别，并可以按照指定的区域进行信息的并或分。 多维性 具体是指在二维空间的基础上，实现多个专题的地三维结构。即是是指在一个坐标位置上具有多个专题和属性信息。例如，在一个地面点上，可取得高程，污染，交通等等多种信息。 动态性 主要是指地理信息的动态变化特征，即时序特征。可以按照时间尺度将地球信息划分为超短期的（如台风、地震）、短期的（如江河洪水、秋季低温）、中期的（如土地利用、作物估产）、长期的（如城市化、水土流失）、超长期的（如地壳变动、气候变化）等。从而使地理信息常以时间尺度划分成不同时间段信息，这就要求及时采集和更新地理信息，并根据多时相区域性指定特定的区域得到的数据和信息来寻找时间分布规律，进而对未来作出预测和预报。 9遥感图像空间分辨率 遥感图像空间分辨率是指像素所代表的地面范围的大小，即扫描仪的瞬时视场，或地面物体能分辨的最小单元。 任何影响卫星稳定运转、图像采集和图像处理的因素,都会不同程度地影响卫星遥感图像质量,进而影响到卫星图像对地面物体的分辨能力。概括讲,主要决定性因素是卫星自身的性能、卫星工作的外部客观环境、对遥感图像处理所采取的技术方法 。 10.空间拓扑关系
空间拓扑关系描述的是基本的空间目标点、线、面之间的邻接、关联和包含关系。GIS传统的基于矢量数据结构的结点-段-边形，用于描述地理实体之间的连通性、邻接性和区域性。这种拓扑关系难以直接描述空间上虽相邻但并不相连的离散地物之间的空间关系。 空间数据的拓扑关系对数据处理和空间分析具有重要的意义，因为： （1）根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种空间实体相对于另一种空间实体的位置关系。拓扑关系能清楚地反应实体之间的逻辑结构关系，它比集合数据具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。 （2）利用拓扑关系有利于空间要素的查询，例如，某条铁路通过那些地区，某县与那些县领接。又如，分析河流能为那些地区的居民提供水源，某些湖泊周围的土地类型及生物栖息环境作出评价等。 （3）可以根据拓扑关系重建地理实体。例如，根据弧段构建多边形，实现道路的选取，进行最佳的路径的选择等。 论述题(20”x5) 1. 比较矢量数据与栅格数据的优缺点（02，03） 2. 什么叫GIS的空间分析，主要空间分析方法有哪些？ 空间分析是基于空间数据的分析技术，它以地理学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理现象的空间位置，空间分布，空间形态，空间形成和空间演变等信息。 常见的方法是缓冲区分析 vornoi分析 网络分析 叠置分析 地形模型分析。 空间分析是对分析空间数据有关技术的统称。根据作用的数据性质不同，可以分为：1.基于空间图形数据的分析运算；2。基于非控件属性的数据运算；3.空间和非空间数据的联合运算。空间分析赖以进行的基础是地理空间数据库，其运用的手段包括各种几何的逻辑运算、数理统计分析，代数运算等数学手段，最终的目的是解决人们所涉及到地理空间的实际问题，提取和传输地理空间信息，特别是隐含信息，以辅助决策。 GIS中实现空间分析的基本功能，包括空间查询与量算，缓冲区分析、叠加分析、路。 径分析、空间插值、统计分类分析等，并描述了相关的算法，以及其中的计算公式。 Robert Haining曾经对于空间分析给出如下定义：空间分析是基于地理对象的空间布局的地理数据分析技术(Haining，1994)。该定义是以地理目标空间布局为分析对象，从传统的地理统计与数据分析的角度出发，将空间分析分为三个部分：统计分析、地图分析和数学模型。这是一种统计型定义法，强调统计分析，而将地图分析和数学模型置于从属地位，从空间分析的需求和GIS的发展现状及前景看，这种定义不能完全概括空间分析的内涵。 李德仁认为：空间分析是从GIS目标之间的空间关系中获取派生的信息和新的知识(李德仁等，1993)。该定义侧重于图形与属性信息的交互查询，以获取派生知识或新知识，其分析对象是地理目标的空间关系。该定义以数据库管理系统为基础，将空间分析的类型按数据结构来划分，认为空间分析由以下几部分组成：拓扑空间分析，缓冲区分析、叠置分析、空间集合分析和地学分析，其划分是以空间分析的操作类型为标准的。 郭仁忠认为：空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息(郭仁忠，2001)。该定义侧重于空间信息的提取和空间信息传输，其分析对象是地理目标的位置和形态特征。它将空间信息分为：空间位置、空间分布、空间形态、空间距离、空间方位、拓扑、相似和相关。其对应的空间分析操作为：空间位置分析、空间分布分析、空间形态分析、空间关系分析和空间相关分析。这是一种信息提取型的定义方法， 10 三亿文库包含各类专业文献、高等教育、专业论文、文学作品欣赏、幼儿教育、小学教育、外语学习资料、行业资料、兰州大学地理信息系统考研真题及答案36等内容。　
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