基于3S技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究

　　該文以3s技術(shù)為核心，引人物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新技術(shù)，利用Java相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)了智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了快速有效的信息服務(wù)支持，使農(nóng)業(yè)管理走向了可視化、精準化和智能化，幫助農(nóng)業(yè)信息化開拓了更廣闊的發(fā)展空間。

　　《電子技術(shù)應(yīng)用》(月刊)創(chuàng)刊于1975年，由信息產(chǎn)業(yè)部電子第六研究所主辦。是中國電子行業(yè)、IT領(lǐng)域的科學技術(shù)類權(quán)威期刊，發(fā)行到世界20多個國家和地區(qū)。《電子技術(shù)應(yīng)用》始終堅持技術(shù)與應(yīng)用、產(chǎn)品與研發(fā)、產(chǎn)業(yè)與市場相結(jié)合的辦刊宗旨，結(jié)合信息產(chǎn)業(yè)和信息化的發(fā)展重點、熱點、密切關(guān)注電子行業(yè)及信息技術(shù)發(fā)展勢態(tài)。

　　1背景

　　當今農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向是農(nóng)業(yè)信息化，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、3s技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，對我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變產(chǎn)生了重大影響，使農(nóng)業(yè)信息化朝著智慧農(nóng)業(yè)的方向蓬勃發(fā)展，顯著提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學化和定量化水平，取得了較好的經(jīng)濟效益。美國最早在收割機上安裝了全球定位系統(tǒng)，德國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中計算機和網(wǎng)絡(luò)的使用已超過了90%，進入新世紀后，日本、澳大利等國也先后實施農(nóng)業(yè)信息化戰(zhàn)略，建設(shè)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫，以信息化帶動農(nóng)業(yè)發(fā)展。3s技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，精確定位土地，調(diào)動大型農(nóng)業(yè)機械作業(yè)，定量播種施肥，得到了廣泛應(yīng)用。發(fā)達國家大力把這些新興技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)深度融合，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)進入了一個智能發(fā)展時期。從國外發(fā)達國家學習引入先進機械和最新技術(shù)，為我國智慧農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)，提供重要的經(jīng)驗借鑒和技術(shù)支持。3s技術(shù)的推廣應(yīng)用，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的實施，提升了我國農(nóng)業(yè)信息化、智能化和規(guī)模化的水平，保障了我國農(nóng)產(chǎn)品供給和糧食安全，創(chuàng)造了巨大的社會經(jīng)濟效益。

　　2智慧農(nóng)業(yè)與關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1智慧農(nóng)業(yè)

　　智慧農(nóng)業(yè)由精準農(nóng)業(yè)發(fā)展而來，精準農(nóng)業(yè)首先出現(xiàn)在美國，隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，引入遙感影像和地理信息系統(tǒng)，對農(nóng)作物進行定量估產(chǎn)和病蟲害監(jiān)測，使用全球定位系統(tǒng)對農(nóng)作物進行，定量播種、施肥、灌溉和噴灑農(nóng)藥。歐美一些發(fā)達國家在精準農(nóng)業(yè)研究中，經(jīng)常進行數(shù)據(jù)交換、和合作研究，保證了精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展同步進行，為隨后智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的技術(shù)條件。物聯(lián)網(wǎng)、云計算、深度學習、電子商務(wù)模式和3S技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，涉及了農(nóng)用水污染處理、農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報、農(nóng)業(yè)病蟲害等各方面。引入新技術(shù)，減少了資源投入，也保證了農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化、規(guī)范化和效益化，有著重要意義，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，必將日新月異，取得驚人的進步。

　　2.2關(guān)鍵技術(shù)

　　物聯(lián)網(wǎng)涉及了GIS、GPS、RFID、無線通信技術(shù)、云計算、嵌入式技術(shù)等很多技術(shù)，利用物聯(lián)網(wǎng)的感知、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用三層結(jié)構(gòu)，把網(wǎng)絡(luò)傳輸、WEB服務(wù)、云計算、RS和GIS等技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)。云計算有數(shù)據(jù)高度共享、規(guī)模大等特點，采用數(shù)據(jù)即服務(wù)的模式，分布式存儲數(shù)據(jù)方式，保證存儲數(shù)據(jù)的可靠性，可以為用戶快速提供可靠、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)信息，同時結(jié)合各類數(shù)據(jù)信息，構(gòu)成一個龐大的分布式系統(tǒng)體系，分散了智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)的壓力，使用用戶可以進行多并發(fā)訪問，為智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和訪問，提供了一套完整的解決方案。在大互聯(lián)網(wǎng)+環(huán)境下的B2C等電子商務(wù)模式，為顧客和農(nóng)產(chǎn)品之間，農(nóng)戶和農(nóng)機之間，政府和農(nóng)戶之間，搭建了一座橋梁，解決了“提供服務(wù)”和“服務(wù)需求”這種關(guān)系，根據(jù)不同服務(wù)需求，在線查找和發(fā)布有關(guān)信息，快速為各類用戶提供所需服務(wù)，完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

　　地理信息系統(tǒng)(Geographic hfformation System，GIS)、遙感技術(shù)(Remote Sensing，RS)和全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)統(tǒng)稱為3S技術(shù)。GIS用于空間數(shù)據(jù)可視化的查詢、分析和綜合處理，RS能夠大范圍獲取地物信息的特征和變化，GPS能夠快速定位并獲取準確的位置信息，三者緊密結(jié)合為地學研究提供了新方法，為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了重要技術(shù)手段。3S技術(shù)已在智慧農(nóng)業(yè)中得到了廣泛使用，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)的精準生產(chǎn)與管理，國內(nèi)外智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗，證明了3S技術(shù)綜合集成應(yīng)用，將是發(fā)展趨勢，以3s和人工智能等技術(shù)為核心的現(xiàn)代化智慧農(nóng)業(yè)，將對我國農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。3S技術(shù)在土地利用調(diào)查、土壤侵蝕監(jiān)測、自然災(zāi)害預(yù)防與評估等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，近年來，3S技術(shù)在推動智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展方面，受到了社會各界的極大關(guān)注。

　　33S技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

　　3.1 3S技術(shù)集成模式

　　3S集成技術(shù)是將RS、GIS、GPS三種對地觀測新技術(shù)緊密結(jié)合在一起。就三者的作用和地位而言，GIS充當了大腦作用，對信息加以空間管理和快速分析，RS和GPS作為兩只眼睛，負責獲取大量的影像數(shù)據(jù)和空間定位信息，為科學研究、政府管理、社會生產(chǎn)提供了新一代的技術(shù)手段、描述語言和思維工具。3S不等于GPS、RS和GIS的相加，3S可以和其他技術(shù)、學科相結(jié)合構(gòu)成多“s”，如數(shù)字攝影測量系統(tǒng)DPS、專家系統(tǒng)Es等，都應(yīng)有計算機通信技術(shù)的參與。3s問的相互結(jié)合是集成的初級起步階段，集成方式可以在不同的技術(shù)層面上實現(xiàn)。低級層面表現(xiàn)在它們之間的一些功能相互調(diào)用功能，高級階段表現(xiàn)為三者之間直接共同作用，形成一個有機的統(tǒng)一系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行動態(tài)更新，快速準確地獲取定位信息，實現(xiàn)實時的現(xiàn)場查詢和分析判斷。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，3s集成系統(tǒng)有一個從低級到高級的發(fā)展和完善過程，目前尚屬起步階段。

　　3S集成中遙感與地理信息系統(tǒng)的集成是最重要的核心內(nèi)容，遙感為地理信息系統(tǒng)提供了穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)源，而GIS可以為遙感影像提供區(qū)域背景信息，提高影像的解譯精度。GPS和GIS集成是GIS中的電子地圖需要GPS提供實時的定位信息，給用戶提供一種空間組合信息服務(wù)，GPS給出了動態(tài)絕對位置，GIS提供了地物的靜態(tài)相對位置，二者在一個相同的坐標系統(tǒng)下建立聯(lián)系，在電子地圖上實時、準確、形象的展示和查詢。GPS的精確定位功能幫助RS解決了定位困難的問題，可以在同步方式或非同步方式下調(diào)用。三者集成可以實現(xiàn)一個高度的自動化、實時化和智能化的GIS系統(tǒng)，能為各種應(yīng)用、復雜問題提供科學依據(jù)和解決方法，為動態(tài)管理、實時決策提供在線支持服務(wù)。盡管3S集成獲得了廣泛的應(yīng)用，但仍有許多尚未徹底解決的問題，如空間坐標不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)的時間性不一致，沒有獨立的方法和技術(shù)，受制于計算機軟硬件和多學科技術(shù)發(fā)展等問題，所以把3s更好的集成在一起非常迫切。隨著科學技術(shù)的進步，一定會為3s深入集成，提供更好的方法。

　　3.2 3S技術(shù)與智慧農(nóng)業(yè)

　　3s技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，加快了農(nóng)業(yè)信息化的步伐，3s技術(shù)在農(nóng)作物估產(chǎn)、動植物長勢檢測、病蟲害預(yù)報、定量施肥與灌溉、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模型仿真、農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)資源調(diào)查與利用監(jiān)測、土地資源退化監(jiān)測、土壤適宜性評價等方面有著廣闊的發(fā)展前景。特別是智慧農(nóng)業(yè)代表了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，也是農(nóng)業(yè)信息化革命的核心，3S和計算機等技術(shù)對我國農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。GIS能夠生成不同要素圖層，儲管理農(nóng)田參數(shù)、土壤養(yǎng)分含量和施肥量等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息、農(nóng)業(yè)資源的多要素農(nóng)業(yè)信息管理系統(tǒng)。動態(tài)完成農(nóng)田網(wǎng)格劃分、生成施肥處方圖，綜合管理分析土壤PH值、土壤養(yǎng)分分布與變異等數(shù)據(jù)，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展提供決策支持。RS在智慧農(nóng)業(yè)中，用于作物病蟲害防治、植被生長監(jiān)測和精細施肥等方面。農(nóng)業(yè)遙感圖像解譯技術(shù)也是智慧農(nóng)業(yè)重要的研究對象，根據(jù)作物長勢、葉色等來判斷作物營養(yǎng)狀況，結(jié)合土壤養(yǎng)分的測定，用于施肥決策。利用遙感數(shù)據(jù)還可以對農(nóng)作物進行分類，估算作物播種面積和產(chǎn)量，評估災(zāi)害損失。GPS廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，GPS與農(nóng)業(yè)機械結(jié)合，在收獲機等各種農(nóng)具上安裝GPS終端，可以精確顯示農(nóng)機所在位置的坐標信息，對農(nóng)機作業(yè)進行導航管理。GPS的精確定位功能，可以對作物精確施肥和噴藥，降低了肥料和農(nóng)藥的消耗。

　　如圖1所示，3S技術(shù)與智慧農(nóng)業(yè)集成的使用者以農(nóng)戶為主，也包含其他用戶。整個體系以地理信息技術(shù)(GIS)、遙感技術(shù)(RS)和全球定位技術(shù)(GPS)為核心，通過無線和有線網(wǎng)路傳輸，獲取與農(nóng)業(yè)相關(guān)的地面數(shù)據(jù)，實時、快速、有效的監(jiān)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況。Rs獲取農(nóng)田信息，GPS檢測農(nóng)田病蟲害、旱澇、農(nóng)機作業(yè)等信息，GIS對作物長勢、產(chǎn)量、災(zāi)害等內(nèi)容進行評估，給出相關(guān)參考數(shù)據(jù)，滿足各類用戶的需求。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，將3s技術(shù)引入智慧農(nóng)業(yè)中，可有效地管理各種農(nóng)業(yè)資源信息，使農(nóng)業(yè)管理逐步走向可視化、精準化和智能化。

　　4智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　4.1智慧農(nóng)業(yè)一體化框架

　　如圖2所示，智慧農(nóng)業(yè)一體化框架包含了五個層次，每個層次負責不同的功能，最上層為用戶層，為不同用戶提供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)信息;第二次為應(yīng)用層，是智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)提供的各類功能模塊，支撐用戶層的使用;第三層為技術(shù)層，是整個框架的核心，起到了承上啟下的作用，是一個重要的紐帶，為應(yīng)用層提供技術(shù)支撐，對數(shù)據(jù)層進行有效輸送、管理和分析;第四層為數(shù)據(jù)層，各類數(shù)據(jù)入庫、管理、為上一層提供數(shù)據(jù)源;最后一層為軟硬件設(shè)施層，是整個體系的骨骼，起著重要的支撐作用。

　　圖2中，應(yīng)用層由農(nóng)戶、管理者和其他用戶構(gòu)成，用戶涵蓋面廣泛，對智慧農(nóng)業(yè)的各類需求，促使整個系統(tǒng)不斷發(fā)展完善，實時更新;應(yīng)用層里有著智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)豐富的功能，可以細化為很多模塊，一個模塊就是一個子系統(tǒng)，可以有各部門研發(fā)，最后整合，形成一個龐大的系統(tǒng)體系;技術(shù)層以3S技術(shù)為核心，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算和電子商務(wù)等新技術(shù)，相互結(jié)合，深入融合到農(nóng)業(yè)信息化中，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化、可視化和數(shù)字化;數(shù)據(jù)層中，包含了空間數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和文件數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)是智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，依靠3s技術(shù)來獲取、存儲和加工處理，為智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)提供可視化專題成果，動態(tài)展現(xiàn);軟硬件層由網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、硬件配置和軟件環(huán)境構(gòu)成，是智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的載體，只有保證這些設(shè)施的安全可靠，才能讓智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

　　4.2智慧農(nóng)業(yè)可視化系統(tǒng)

　　如圖3所示，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)使用B/S設(shè)計模式，采用了J2EE的三層(表現(xiàn)層、中間層和數(shù)據(jù)服務(wù)層)架構(gòu)體系，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由用戶層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層構(gòu)成。用戶層是通過瀏覽器進行功能操作，使用了Jquery、Ajax、OpenLayers等Web開發(fā)技術(shù)和Web—GIS技術(shù)，為用戶層提供技術(shù)服務(wù)支持。應(yīng)用層部署在WEB服務(wù)器上，利用Java相關(guān)技術(shù)(如Struts,Spring等)進行軟件研發(fā)，又結(jié)合3S技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和電子商務(wù)模式等新技術(shù)特點，完善了系統(tǒng)各類功能。數(shù)據(jù)層由各類數(shù)據(jù)庫和WEB服務(wù)組成，為應(yīng)用層提供了充足的數(shù)據(jù)支撐。

　　如圖4所示，展現(xiàn)了整個智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的實現(xiàn)過程和工作流程，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成;一是以用戶和軟件系統(tǒng)構(gòu)成的在線服務(wù)系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)為用戶提供操作功能和數(shù)據(jù)服務(wù)，滿足不同類型用戶的各種服務(wù)需求，實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可視化、數(shù)字化和智能化;二是以3s技術(shù)為主，實現(xiàn)實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)獲取、加工處理、快速制圖的空間管理分析系統(tǒng)，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)緊密結(jié)合，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)進行監(jiān)控把關(guān)，提供有效數(shù)據(jù)，幫助農(nóng)戶進行智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如精確播種、施肥、噴藥、鋤草等，以最快最有效的方式完成農(nóng)田耕作;智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是計算機軟硬件有效結(jié)合的產(chǎn)物，也是新技術(shù)在農(nóng)業(yè)信息化中深度融合的杰作，必將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展，注入源源不斷的活力。

　　4.3智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)勢

　　智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)有著強大的可視化功能，能夠處理海量數(shù)據(jù)。在3S技術(shù)的支持下，獲取的數(shù)據(jù)全面、精準，空間查詢和分析能力突出。系統(tǒng)基于云計算和分布式，數(shù)據(jù)能夠快速傳輸，才能保證用戶獲得快速、有效的響應(yīng)結(jié)果。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)改變了分散落后的人工管理方式，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學化、規(guī)范化、自動化，減低了龐大的人工成本，提高了工作效率，可以快速地為各類用戶提供任何所需的農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)。在安全上，系統(tǒng)采用了有效的加密算法，用戶以不用權(quán)限級別來進行操作訪問，通過虛擬網(wǎng)絡(luò)、防火墻來阻擋惡意攻擊和病毒，以最大安全化來保證系統(tǒng)的快速可靠運行。

　　5結(jié)束語

　　智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要標志，充分利用新技術(shù)，在互聯(lián)網(wǎng)時代，快速提高了我國農(nóng)業(yè)信息化的水平，促進了我國農(nóng)業(yè)信息化的全面發(fā)展，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與信息化技術(shù)深度融合的重要特征。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展的一個突出代表，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化、數(shù)字化和可視化，基于3S技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，定會有著廣泛的應(yīng)用空間。