基于3S技術的智慧農業系統研究

　　該文以3s技術為核心，引人物聯網、云計算等新技術，利用Java相關技術，實現了智慧農業系統，為農業生產提供了快速有效的信息服務支持，使農業管理走向了可視化、精準化和智能化，幫助農業信息化開拓了更廣闊的發展空間。

　　《電子技術應用》(月刊)創刊于1975年，由信息產業部電子第六研究所主辦。是中國電子行業、IT領域的科學技術類權威期刊，發行到世界20多個國家和地區。《電子技術應用》始終堅持技術與應用、產品與研發、產業與市場相結合的辦刊宗旨，結合信息產業和信息化的發展重點、熱點、密切關注電子行業及信息技術發展勢態。

　　1背景

　　當今農業發展的重要方向是農業信息化，物聯網、云計算、人工智能、3s技術等現代信息技術，對我國傳統農業向現代農業轉變產生了重大影響，使農業信息化朝著智慧農業的方向蓬勃發展，顯著提高了農業生產的科學化和定量化水平，取得了較好的經濟效益。美國最早在收割機上安裝了全球定位系統，德國農業生產中計算機和網絡的使用已超過了90%，進入新世紀后，日本、澳大利等國也先后實施農業信息化戰略，建設農業數據庫，以信息化帶動農業發展。3s技術在農業生產中，精確定位土地，調動大型農業機械作業，定量播種施肥，得到了廣泛應用。發達國家大力把這些新興技術與農業生產深度融合，現代農業進入了一個智能發展時期。從國外發達國家學習引入先進機械和最新技術，為我國智慧農業的生產和發，提供重要的經驗借鑒和技術支持。3s技術的推廣應用，智慧農業系統的實施，提升了我國農業信息化、智能化和規模化的水平，保障了我國農產品供給和糧食安全，創造了巨大的社會經濟效益。

　　2智慧農業與關鍵技術

　　2.1智慧農業

　　智慧農業由精準農業發展而來，精準農業首先出現在美國，隨著信息化技術的不斷發展，引入遙感影像和地理信息系統，對農作物進行定量估產和病蟲害監測，使用全球定位系統對農作物進行，定量播種、施肥、灌溉和噴灑農藥。歐美一些發達國家在精準農業研究中，經常進行數據交換、和合作研究，保證了精準農業生產和技術發展同步進行，為隨后智慧農業的發展創造了良好的技術條件。物聯網、云計算、深度學習、電子商務模式和3S技術的快速發展和廣泛應用，涉及了農用水污染處理、農業氣象預報、農業病蟲害等各方面。引入新技術，減少了資源投入，也保證了農產品的產量和質量，對農業生產的智能化、規范化和效益化，有著重要意義，隨著科學技術的發展，現代化農業生產，必將日新月異，取得驚人的進步。

　　2.2關鍵技術

　　物聯網涉及了GIS、GPS、RFID、無線通信技術、云計算、嵌入式技術等很多技術，利用物聯網的感知、網絡和應用三層結構，把網絡傳輸、WEB服務、云計算、RS和GIS等技術應用到農業生產的各環節。云計算有數據高度共享、規模大等特點，采用數據即服務的模式，分布式存儲數據方式，保證存儲數據的可靠性，可以為用戶快速提供可靠、穩定的數據信息，同時結合各類數據信息，構成一個龐大的分布式系統體系，分散了智慧農業系統海量數據的壓力，使用用戶可以進行多并發訪問，為智慧農業系統的數據存儲和訪問，提供了一套完整的解決方案。在大互聯網+環境下的B2C等電子商務模式，為顧客和農產品之間，農戶和農機之間，政府和農戶之間，搭建了一座橋梁，解決了“提供服務”和“服務需求”這種關系，根據不同服務需求，在線查找和發布有關信息，快速為各類用戶提供所需服務，完成農業生產。

　　地理信息系統(Geographic hfformation System，GIS)、遙感技術(Remote Sensing，RS)和全球定位系統(Global Positioning System，GPS)統稱為3S技術。GIS用于空間數據可視化的查詢、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，三者緊密結合為地學研究提供了新方法，為智慧農業的發展提供了重要技術手段。3S技術已在智慧農業中得到了廣泛使用，實現了農業的精準生產與管理，國內外智慧農業的發展經驗，證明了3S技術綜合集成應用，將是發展趨勢，以3s和人工智能等技術為核心的現代化智慧農業，將對我國農業技術的發展產生重大影響。3S技術在土地利用調查、土壤侵蝕監測、自然災害預防與評估等農業領域也得到了廣泛應用，近年來，3S技術在推動智慧農業發展方面，受到了社會各界的極大關注。

　　33S技術在智慧農業中的應用

　　3.1 3S技術集成模式

　　3S集成技術是將RS、GIS、GPS三種對地觀測新技術緊密結合在一起。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據和空間定位信息，為科學研究、政府管理、社會生產提供了新一代的技術手段、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、學科相結合構成多“s”，如數字攝影測量系統DPS、專家系統Es等，都應有計算機通信技術的參與。3s問的相互結合是集成的初級起步階段，集成方式可以在不同的技術層面上實現。低級層面表現在它們之間的一些功能相互調用功能，高級階段表現為三者之間直接共同作用，形成一個有機的統一系統，對數據進行動態更新，快速準確地獲取定位信息，實現實時的現場查詢和分析判斷。隨著信息技術的飛速發展，3s集成系統有一個從低級到高級的發展和完善過程，目前尚屬起步階段。

　　3S集成中遙感與地理信息系統的集成是最重要的核心內容，遙感為地理信息系統提供了穩定、可靠的數據源，而GIS可以為遙感影像提供區域背景信息，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，GPS給出了動態絕對位置，GIS提供了地物的靜態相對位置，二者在一個相同的坐標系統下建立聯系，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用。三者集成可以實現一個高度的自動化、實時化和智能化的GIS系統，能為各種應用、復雜問題提供科學依據和解決方法，為動態管理、實時決策提供在線支持服務。盡管3S集成獲得了廣泛的應用，但仍有許多尚未徹底解決的問題，如空間坐標不統一，數據的時間性不一致，沒有獨立的方法和技術，受制于計算機軟硬件和多學科技術發展等問題，所以把3s更好的集成在一起非常迫切。隨著科學技術的進步，一定會為3s深入集成，提供更好的方法。

　　3.2 3S技術與智慧農業

　　3s技術在現代農業中的廣泛應用，加快了農業信息化的步伐，3s技術在農作物估產、動植物長勢檢測、病蟲害預報、定量施肥與灌溉、農業生產模型仿真、農業自然災害監測、農業生態環境監測、農業資源調查與利用監測、土地資源退化監測、土壤適宜性評價等方面有著廣闊的發展前景。特別是智慧農業代表了現代農業的發展方向，也是農業信息化革命的核心，3S和計算機等技術對我國農業技術的發展產生重大影響。GIS能夠生成不同要素圖層，儲管理農田參數、土壤養分含量和施肥量等數據，實現農業信息、農業資源的多要素農業信息管理系統。動態完成農田網格劃分、生成施肥處方圖，綜合管理分析土壤PH值、土壤養分分布與變異等數據，為現代化農業發展提供決策支持。RS在智慧農業中，用于作物病蟲害防治、植被生長監測和精細施肥等方面。農業遙感圖像解譯技術也是智慧農業重要的研究對象，根據作物長勢、葉色等來判斷作物營養狀況，結合土壤養分的測定，用于施肥決策。利用遙感數據還可以對農作物進行分類，估算作物播種面積和產量，評估災害損失。GPS廣泛應用于現代農業中，GPS與農業機械結合，在收獲機等各種農具上安裝GPS終端，可以精確顯示農機所在位置的坐標信息，對農機作業進行導航管理。GPS的精確定位功能，可以對作物精確施肥和噴藥，降低了肥料和農藥的消耗。

　　如圖1所示，3S技術與智慧農業集成的使用者以農戶為主，也包含其他用戶。整個體系以地理信息技術(GIS)、遙感技術(RS)和全球定位技術(GPS)為核心，通過無線和有線網路傳輸，獲取與農業相關的地面數據，實時、快速、有效的監控農業生產狀況。Rs獲取農田信息，GPS檢測農田病蟲害、旱澇、農機作業等信息，GIS對作物長勢、產量、災害等內容進行評估，給出相關參考數據，滿足各類用戶的需求。隨著信息技術的發展，將3s技術引入智慧農業中，可有效地管理各種農業資源信息，使農業管理逐步走向可視化、精準化和智能化。

　　4智慧農業系統的實現

　　4.1智慧農業一體化框架

　　如圖2所示，智慧農業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，為不同用戶提供農業生產相關信息;第二次為應用層，是智慧農業系統提供的各類功能模塊，支撐用戶層的使用;第三層為技術層，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，為應用層提供技術支撐，對數據層進行有效輸送、管理和分析;第四層為數據層，各類數據入庫、管理、為上一層提供數據源;最后一層為軟硬件設施層，是整個體系的骨骼，起著重要的支撐作用。

　　圖2中，應用層由農戶、管理者和其他用戶構成，用戶涵蓋面廣泛，對智慧農業的各類需求，促使整個系統不斷發展完善，實時更新;應用層里有著智慧農業系統豐富的功能，可以細化為很多模塊，一個模塊就是一個子系統，可以有各部門研發，最后整合，形成一個龐大的系統體系;技術層以3S技術為核心，利用物聯網、云計算和電子商務等新技術，相互結合，深入融合到農業信息化中，使農業生產智能化、可視化和數字化;數據層中，包含了空間數據、業務數據和文件數據，空間數據是智慧農業的基礎數據，依靠3s技術來獲取、存儲和加工處理，為智慧農業系統提供可視化專題成果，動態展現;軟硬件層由網絡設施、硬件配置和軟件環境構成，是智慧農業系統的載體，只有保證這些設施的安全可靠，才能讓智慧農業系統穩定運行。

　　4.2智慧農業可視化系統

　　如圖3所示，智慧農業系統使用B/S設計模式，采用了J2EE的三層(表現層、中間層和數據服務層)架構體系，系統結構由用戶層、應用層和數據層構成。用戶層是通過瀏覽器進行功能操作，使用了Jquery、Ajax、OpenLayers等Web開發技術和Web—GIS技術，為用戶層提供技術服務支持。應用層部署在WEB服務器上，利用Java相關技術(如Struts,Spring等)進行軟件研發，又結合3S技術、物聯網、云計算和電子商務模式等新技術特點，完善了系統各類功能。數據層由各類數據庫和WEB服務組成，為應用層提供了充足的數據支撐。

　　如圖4所示，展現了整個智慧農業系統的實現過程和工作流程，智慧農業系統由兩大部分構成;一是以用戶和軟件系統構成的在線服務系統，軟件系統為用戶提供操作功能和數據服務，滿足不同類型用戶的各種服務需求，實現智慧農業系統的可視化、數字化和智能化;二是以3s技術為主，實現實時監測、數據獲取、加工處理、快速制圖的空間管理分析系統，與農業生產緊密結合，對農業生產的各個環節進行監控把關，提供有效數據，幫助農戶進行智能化農業生產，如精確播種、施肥、噴藥、鋤草等，以最快最有效的方式完成農田耕作;智慧農業系統是計算機軟硬件有效結合的產物，也是新技術在農業信息化中深度融合的杰作，必將為農業生產和農業信息化的發展，注入源源不斷的活力。

　　4.3智慧農業系統的優勢

　　智慧農業系統有著強大的可視化功能，能夠處理海量數據。在3S技術的支持下，獲取的數據全面、精準，空間查詢和分析能力突出。系統基于云計算和分布式，數據能夠快速傳輸，才能保證用戶獲得快速、有效的響應結果。智慧農業系統改變了分散落后的人工管理方式，實現了農業生產的科學化、規范化、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業信息數據。在安全上，系統采用了有效的加密算法，用戶以不用權限級別來進行操作訪問，通過虛擬網絡、防火墻來阻擋惡意攻擊和病毒，以最大安全化來保證系統的快速可靠運行。

　　5結束語

　　智慧農業是農業現代化發展的重要標志，充分利用新技術，在互聯網時代，快速提高了我國農業信息化的水平，促進了我國農業信息化的全面發展，是農業生產與信息化技術深度融合的重要特征。智慧農業系統是農業信息化發展的一個突出代表，實現了農業生產的智能化、數字化和可視化，基于3S技術的智慧農業系統在農業生產過程中，定會有著廣泛的應用空間。