基于GIS 的農業精細化管理系統設計
——以南通市為研究對象

羌棟強，蔡艷婧，袁嬌嬌

（江蘇商貿職業學院，江蘇 南通 226011）

0 引 言

《“十四五”國家信息規劃》指出：“要發展農村數字經濟。加快發展智慧農業，推動新一代信息技術和先進適用智能農機裝備廣泛應用于農業生產經營各環節各領域。加強國家農業農村大數據發展應用，建設國家農業農村大數據平臺，建立農業農村大數據‘一張圖’。完善農業基礎數據資源體系，持續推進重要農產品全產業鏈大數據建設?！盵1]智慧農業是實現農業現代化的重要途徑，而GIS 技術在智慧農業精細化管理中的應用前景極為廣闊。目前，我國的智慧農業精細化管理水平還在起步階段，應深入研究其內涵，學習國外成熟理論和技術體系，優化智能設備，建立重點示范區，從而體現出智慧農業的優勢并加以推廣。

近年來，南通大力發展“數字農業農村”基地建設，全市建成農業物聯網技術應用示范點近400 個，實現了智能化管理。如海安雅周鎮盛雅農業發展有限公司，主要種植櫻桃、車厘子等水果，該企業將GIS 技術外包，實現了通過手機控制大棚溫度和濕度，所有大棚都實現了智能化管理，每年節約成本近30 萬，該園區入選全省管理型數字農業農村基地。此外，通州、海門兩地已建成3 家糧食生產“無人化農場”，這極大地提高了農場生產的全周期管理，為全市農業轉型升級提供了方向[2]。但是，農業智能化管理規模較小、農業精細化管理水平不高、農業科技投入不足，成為了南通市現代農業農村體系發展的主要制約因素。

1 研究現狀

1.1 國內外研究現狀和趨勢

“農業+人工智能”的思路早在20 世紀初就被提出，1978年，美國伊利諾伊大學開發了大豆病蟲害專家診斷系統，是世界上最早的智慧農業系統。目前，將GIS 應用于農業智能化在國際上已經相當成熟了[3]。2012 年美國提出“大數據研究與發展計劃”，強調要發展智慧農業，就要從數據集成入手，最終構建數據共享體系。

對于智慧農業，國內研究目前多集中于對3S 技術的應用性研究，包括土地資源管理、生態環境分析、水利林業等自然資源監測等，基礎性研究多于政策研究。楊哲煒等[4]研究了3S 技術和物聯網技術在農田信息獲取中的相關應用，發現該技術能夠幫助降低農業生產成本，實現農田信息快速獲取，促進智慧農業發展。李鎖剛[5]指出，通過GIS 技術能夠實現對地理空間、時間和屬性特征的動態分析，對土地利用方案的擬定，以及土地資源規劃制定、土地利用動態監測和土地規劃勘察工作。GIS 技術對實現多渠道信息采集和數據分析、滿足多元化社會經濟發展需求、提高土地資源利用效率有著重大影響。

GIS 技術在智慧農業領域的應用前景非常廣泛，主要體現在3 個方面：（1）GIS 技術能夠實現農業的精細化管理，極大提高了農業管理效率；（2）基于GIS 技術打造的智能化、精細化服務系統，形成一個互聯互通、數據共享的農業業務決策和社會服務支持體系；（3）GIS 系統結合了專家系統和地理信息系統的優勢，整合農業要素，實現了數據自動采集和分析的專家決策支持系統。

1.2 國內智慧農業的制約因素

就南通而言，影響智慧農業發展的因素具體體現在以下3 個方面：

（1）農業智能化管理規模較小。農業智能化管理，應打通“重平臺建設、輕分散管理，重整合集成、輕單行業開發”的思路。目前，南通市農業智能化管理缺乏統一的規范和標準，智慧農業建設與智慧城市建設未達到相輔相成的效果。

（2）農業精細化管理水平不高。GIS 技術相關的科研合作機構少，科研成果不足導致產業發展帶動能力減弱。南通智慧農業尚處在探索階段，如農作物病蟲害智能診斷、微生物智能識別及施肥；水生物物聯網要素僅有溶氧量、pH 值和水位水溫等基礎要素，未形成水產養殖精細喂養和疾病智能診斷。

（3）農業科技投入不足。目前，南通市農業科技化水平相對較低，很大一部分原因是對智慧農業領域研發投入不夠，信息處理、感知和傳輸技術均不成熟。相比之下，淮安市農業發展局每年安排約500～1 000 萬智慧農業專項資金用于農業信息化建設，而南通市級每年用于智慧農業建設的資金只有幾十萬元。

2 需求分析

本研究對推動智慧農業、農村數字化轉型、農村產業轉型升級有著重大意義，既符合國家層面的戰略需求，也為GIS 技術在農業中的應用提供了寶貴的借鑒意義。

2.1 國家需求層面

國務院在《關于做好2022 年全面推進鄉村振興重點工作的意見》中提出：“全面梳理短板弱項，加強農機裝備工程化協同攻關，加快大馬力機械、丘陵山區和設施園藝小型機械、高端智能機械研發制造并納入國家重點研發計劃予以長期穩定支持?！遍_發智慧農業精細化管理系統是鄉村振興工作的著力點[6]。今年2 月頒布的《南通市“十四五”數字經濟發展規劃的通知》中提出：“要推動農業數字化轉型，加快數字化農業建設、完善農村電商物流體系、積極發展鄉村新業態，打造感知體驗、智慧應用、要素集聚、融合創新的‘互聯網+’產業生態圈，輻射和帶動鄉村創業創新?！盵7]由此可見，要實現農業高質量發展，需要加大信息技術投入。

2.2 產業轉型層面

《國務院關于印發“十四五”數字經濟發展規劃的通知》（國發[2021]29 號）中指出：“要促進農村產業結構轉型升級，提高面向新型農業經營主體的直通式、個性化服務水平?！盵8]GIS 技術支撐的智慧農業精細化管理系統，能夠與南通已有的農業物聯網技術對接，實現數據相互融合，從園區（農場）到市級農業管理部門都可以通過系統實現農業生產管理的多場景多尺度的可視化功能，幫助農業管理部門全局掌握屬地宏觀數據，提高決策管理能力和效率；為農業科研單位科技創新提供連續、長期、全面、詳實的基礎數據；為農業生產經營主體實現生產過程的精準感知、智能控制、智慧管理，構建“三產融合”可視化服務平臺。

3 研究內容和關鍵技術

3.1 研究內容

系統將充分發揮南通市自身獨特農業資源優勢，建立以縣為節點、農田地塊為基本單元的市級智慧農業精細化管理系統。通過整合各類農業信息資源、接入外部數據，構建南通市農業“一張圖”數據中心，以服務農業生產經營為主線，構建出互聯互通、服務共享的農業業務管理、決策支持和社會服務體系。

（1）數據資源中心化。制定市級平臺數據標準，完善南通市農業大數據體系，形成市級統一的資源大數據中心。集成農業種植資源大數據、集體資產大數據和自然資源大數據中心?；赪eb GIS 多要素融合數據中心，高效整合全市基礎地理空間底圖數據、自主采集數據和互聯數據，極大提高數據資源共享和分析應用能力，逐步打造南通農業生產、信息、監管、倉儲及農業電子商務等數據資源共享平臺，讓更多農業生產經營主體有獲得感、幸福感。

（2）業務決策數據化。充分運用GIS 可視化技術、物聯網技術和大數據技術，基于數據中心，實現南通地區農業生產經營要素可查詢、可分析、可決策、情況清、底數明、決策有依據、實施有目標的效果。為相關農業生產經營管理活動如市場預警、輿情分析、鄉村治理、政策評估、執法監管等決策提供服務，實現線上線下“一站式服務”，推進產業協同發展，提高管理的科學性和精確性，最終實現南通市域農業治理現代化和農田指揮中心的全面優化。打造南通市現代化農業農村監測評價體系，開發實際經濟運行分析系統。打造更高效便捷的政務服務環境、農業經營主體環境，提高南通市農業農村領域管理服務能力和科學決策水平。

（3）應用場景個性化。通過靈活的工作流系統、豐富的應用場景、高效率的運行平臺搭建，快速響應用戶層業務個性化、多樣化的需求，產出多樣的業務流程和業務應用系統供用戶選擇；實時獲取場地數據，并以專題地圖、動態圖、折線圖、柱狀圖表等多種可視化形式匯總呈現；提供能夠適應不同作物、作業環境的個性化農業應用解決方案[9]；打造數字化融合應用場景，完善農業數字化融合發展生態體系。

主要建設內容包括：（1）建立一套標準數據體系；（2）建立一個大數據資源中心，實現基于GIS、大數據、云計算的設計、開發和部署，滿足大并發量下的用戶訪問和數據使用；（3）建立一套安全體系；（4）建立四個以數據為支撐的平臺，包括數據資源與采集管理平臺、數據治理管理平臺、大數據分析挖掘平臺、共享交換與開放平臺；（5）建設五個智慧農業應用子系統，包括農業標準查詢、統計數據查詢、蟲害知識識別、農產品特產查詢、農業輿情查詢監控。

系統主要模塊功能如下：

（1）地圖管理基本模塊。提供南通市全域地圖信息，系統地圖操作的基本工具包括：地圖的放大、縮小、平移，圖層點選查詢，圖層框選查詢，測量工具，標繪工具，圖層切換工具，路線漫游，歷史影像對比，影像解析上傳，路徑規劃及興趣點查詢，熱力圖，聚合圖，克里金空間插值圖，場景圖片導出等。

（2）地塊管理模塊。以園區為基礎單元的編輯、變更、信息更新，地塊刪除、拆分、合并，新建地塊、地塊編碼生成、圖形修改等。

（3）數據填報模塊。地塊屬性數據填報，包含地塊基礎屬性、農作物信息（種植時間、作物生長周期），自動關聯作物簡介、農業專家信息、病蟲害防治信息、合作社等信息，大數據分析預估產量數據。

（4）分層要素顯示模塊?；诘乩韴D層分層顯示農業經營柱體信息、龍頭企業信息、用地現狀信息和地理標志農產品分布、環境信息（日照時間、光照度、雨量、大氣溫度等）、土壤質量信息等要素，實現各類信息檢索功能。

（5）綜合統計模塊。根據地域、要素及年份生成統計報表，按關鍵指標（實施后論證）進行統計匯總，結果以專題圖形式呈現。

（6）數據要素數據庫。依據系統各類要素構建數據字典，建立要素分類數據庫，并可新增全新的要素分類，實現編輯、刪除以及在空間標注功能。

（7）數據采集系統接口。與土壤、大氣、光照等數據采集設備實現數據對接，在地圖空間標注地理位置。

（8）建立時間節點。在任何狀態下可以手動設置時間節點，記錄保存當前狀態下全要素信息，并自定義節點名稱。

（9）手機端采集數據上傳功能。手機端GIS 一張圖，支持用戶在任何時間、任何地方對相關數據進行上傳和編輯，以及相關數據的預覽。

（10）地圖監測監管“一張圖”。實時監控硬件設備地圖位置，設備可以交互查詢，具有掌握設備實時信息、輔助決策者分析功能。

3.2 關鍵技術

系統融合了自動地塊識別、農業生產全要素實時監測、定量指標反演（土壤相關參數的反演、病蟲害監測/災害預警、產量評估等）、農業生產要素變化數據挖掘等關鍵技術，通過動態監測數據與多模態社會經濟數據的匯聚、融合與關聯，構建基于GIS 地理空間全覆蓋、生產全過程及資源權屬全要素的農業精細化管理監測體系[10]。

系統整體采用MapGIS IGSS 共享服務平臺和SOA 的設計思想，支持組件式、搭建式開發，在數據層實現數據采集、數據管理、數據共享。以“圖形-指標-輔助決策”為主干的漸進式信息提取與分析方法框架如圖1 所示。

圖1 GIS 智慧農業精細化管理系統

系統大數據資源中心整體架構由4 個層級構成，分別如下：

（1）應用層，即包括地圖管理基本模塊、地塊管理模塊、數據填報模塊、分層要素顯示模塊、綜合統計模塊等的基于GIS 地圖可視化的系統。

（2）服務層，即包含物聯網數據統一處理組件、數據要素數據庫、開放WebService、SOA、API 或其他形式接口的綜合運營支撐云平臺。

（3）傳輸層，即包括WiFi、TD-LTE、ZigBee 等網絡通信。

（4）感知層，即包括負責傳感與采集工作的無限環境監測、太陽能供電、數據收集處理設備。

3.3 評價指標

項目評價指標選擇以采集經濟數據類型為基礎，為能夠更精準地評價GIS 系統在促進南通市智慧農業精細化發展水平中的效果，項目以有效性、可操作性、指導性為原則，將評價體系分為一級指標和二級指標。

根據有效性原則，在選擇各層級指標時，應在采集數據類型的基礎上進行分析，從而發展出可量化的經濟指標類型，而二者之間具有一定的對應性，能夠反映出南通市智慧農業、農業精細化程度和農業發展質量。根據可操作性原則，本項目的指標制定參考了我國農業高質量發展指標體系，選取了具有權威性、社會認可的指標，能夠從已有的市級農業統計數據庫獲取，且確保評估結果符合國家統計制度特點。根據指導性原則，突出南通市智慧農業精細化水平發展與高質量發展的有機結合，既有度量農業產業經濟效益水平的產出性指標，又有突出推進農業產業高質量發展的綠色生態建設方面的過程性指標，能夠為南通市智慧農業實現綠色健康高質量發展提供指導性參考。

本項目的評價體系包含5 個一級指標和若干二級指標。一級指標包括產出類指標、投入類指標、發展類指標和經濟效益指標。每個指標都在不同緯度上考核了GIS 系統在促進南通智慧農業、高質量農業發展中的經濟效益，具體參數見表1 所列。

表1 南通市智慧農業精細化管理系統評價指標

4 結 語

在南通市智慧農業發展期和轉型期，項目從市級層面開發基于GIS 技術的智慧農業精細化管理系統，通過對生產主體開放管理平臺和對現有物聯網系統提供數據接口，實現市級農業生產經營數據的整合、管理和利用。根據不同使用者角色，實現多場景、多視角、全方位的可視化表達。系統為農業管理部門全局掌握屬地宏觀數據進而提高決策管理能力、效率，以及農業科研單位科技創新提供長期連續、全面詳實的基礎數據；為農業生產經營主體構建“三產融合”可視化服務平臺，提升農業生產智能化和高效化、經營管理網絡化和便捷化水平。

本系統的開發不僅實現了農業信息最大化整合，為智慧農業精細化管理提供了關鍵技術，還為推動南通市農業經濟發展和產業轉型，促進南通聯網產業鏈發展，服務南通“3+3+N”的電子信息支柱產業及中歐綠色智慧城市、國家智慧城市的建設提供了動力。