基于GIS 技术的农作物估产面积测算方案
张元敏
（西安煤航信息产业有限公司测绘工程分公司 西安市长胜街78号 710054）
摘 要 本文以农作物估产为出发点，介绍了基于GIS 技术的农作物估产中面积测算方
案的特点、流程以及实现过程。
关键词 遥感；农作物估产；GIS; 导航
0引言
粮食是我国经济发展、社会稳定和国家自立的基础，长期以来，对农作物产量的预测就成为农业系统的一项重要工作。由于农作物的生长受气象、土壤、水分、生物以及社会经济等众多因子的影响, 使得估产的技术和理论十分复杂。伴随着GIS 技术、GPS 技术、RS 技术以及计算机技术的的快速发展，农作物估产的方法和手段逐步得到了完善和提高。特别是近年来集3S 技术于一体的遥感估产技术的诞生，为农作物估产带来了新的契机，深受广大估产者的青睐，许多国家在这方面作了深入的研究，并建立了实用性的农作物估产系统, 收到了明显的经济和社会效益。我国于“六五”期间开始试用卫星遥感技术进行农作物产量预报的研究, 并在局部地区开展产量估算试验。“七五”和“八五”期间已经对小麦、玉米、水稻进行了NOAA/ AVHRR 遥感估产研究, 有些成果已投入业务运行。“九五”以来, 中国科学院遥感应用研究所自行研制和开发的“中国农情遥感监测系统”，实现了农作物大范围、多品种、定期遥感估产监测与预报。
农作物估产的主要内容就是对农作物长势、种植面积、单产以及总产的测算，其中种植面积的提取是估测总产的重要环节。常用的农作物种植面积的遥感提取是在收集分析不同农作物光谱特征的基础上, 通过遥感影像记录的地表信息，识别农作物的类型, 统计农作物的种植面积。这种方法集RS 和GIS 两种技术于一体，虽然取得了较好的结果，但也有其粗糙的一面，受遥感影像质量、实相、光谱分析粗差、影像解译技术等种种不确定因素的影响，农作物种植面积的提取精度并不理想，从而也影响着估产的结果。
1. 方案制定的背景
2010年6月，国家统计局局长马建堂赴河南调研，实地考察了调查人员进行粮食单产实割实测的情况。当时表示，要进一步推进3S 技术在农作物播种面积和估产中的应用；充分利用卫星遥感影像和第二次土地调查耕地图斑有关资料，逐步建立以耕地为抽样框、以抽中的耕地地块为直接调查对象的农作物对地抽样调查体系；继续做好集导航、定位、测量、数据采集和通信传输为一体的智能PDA 研究工作。使得粮食估产更具权威性、科学性。在此背景下，结合目前的3S 技术，本文提出更为先进的农作物对地调查面积测算方案，即在充分利用现有标准电子数据（遥感影像和适量数据）的前提下，把精确的GPS 定位技术和GIS 数据处理技术结合起来，实地测出抽样地块的面积。
2. 方案的特点
为简化野外调查的程序，减轻因携带大量测量和记录工具带来的负担，真正实现无纸化作业，本方案巧妙地把数据采集软件镶嵌在手持GPS 中，无缝连接起来，实现定位的同时，实时、实地进行数据的采集和属性的录入，操作简单、智能化强、真实性和准确性高。
3. 技术流程
基于GIS 技术的农作物估产面积测算方案主要由手持GPS 和数据采集软件两部分组成，相当于一个小型的移动GIS 平台，可以实现影像和标准的GIS 矢量数据加载，方便野外测量时导航定位和数据采集。同时，这个平台支持主流的测量坐标系统，GIS 软件内置的数据字典可以提供面积属性的添加和描述。其主要流程如图1所示：
图1 农作物估产面积测量流程
1）数据加载
第二次土地调查结束后，现有的处理好的遥感正射影像和地形矢量数据是农作物估产的第一手资料，内业在GIS 软件上将二者套合，首先确定外业将要调查的目的村和该村的耕地地块，并作相应标记处理，然后加载进GPS 的数据采集软件中。当然在加载数据前，还要确定数据的坐标系统，预先对GPS 系统进行设置。数据处理情况如图2所示：
图2 数据处理、套合情况
2）智能沿路导航到目的村
利用GPS 免费标配的智能导航软件，沿路导航到目的村，并自动记录行进的航迹。
3）直线导航到地块
打开GPS 中内嵌的数据采集软件，选择目的村的目的地块，进行直线导航，并自动提示当前位置距目的地的方向和距离。此时的导航界面会有个明显的当前位置，且会实时更新当前位置，调查员可以根据这个位置，判断行走路径。如图3所示：
图3 导航界面
4）地块测量
当到达需要采集的地块后，找到地块中明显的特征点作为该地块的采集起点，然后进行数据采集。采集时有两种方式，一种是有规则折角的地块，只需要采集折角的特征点，点与点之间自动连接构面，并计算面积数据；另一种是不规则的地块，调查员手持GPS, 绕地一周，采集连续的独立点，软件自动计算面积。
5）属性的添加
一地块测算完毕后，通过软件提供的数据字典进行面积属性的添加和描述，同时还可以利用GPS 独特的拍照功能，对该地块的实际形态和农作物种植种类进行拍照，使其属性更加详细和具体。
6）内业数据下载
为了确认野外面积测算数据的精度以及检查遗漏，一天工作结束，可将数据导出，因为导出数据是标准的GIS 格式，可以很方便地导入到专门的GIS 数据软件进行检测或数据编辑、面积汇总。如图4所示，是采集数据加载到ArcGIS 中处理的界面。
图4 采集数据加载到ArcGIS 中显示
4. 小结
此解决方案吸收了外业实地调查的经验，充分考虑了国家统计局对农作物面积抽样的指 导方针，运用高科技手段，集3S 技术于一体，成功地实现了农作物耕地面积的精确量测，最大限度地保证了调查数据的客观性、真实性。其优势主要体现在以下几个方面：
1）专业的GPS 引擎，采集面积等属性更准确，从而得到更准确的统计数据，使得粮食估产更准确，更具权威性。
2）外业面积采集软件完全按照作业流程规范开发，界面简洁，操作简单，易于掌握和使用。
3）专门为调查员设计的导航组合方式，实现了沿路智能导航到目的村，直线实时导航到调查地块。
4）采集过程除了可以记录面积属性等特征外，同时可以对调查地块进行拍照，是信息记录耕详细、具体。
5）强大的地图处理和加载功能，可以方便的添加统计局所提供的栅格和矢量数据。
参考文献
[ 1] 阎雨, 陈胜波, 田静. 卫星遥感估产技术的发展与展望[J] . 吉林农业大学学报,2004,26(2) :187- 191 .
[2] 赵庚星, 余松烈. 冬小麦遥感估产研究进展[J].山东农业大学学报:自然科学版,2001,32(1):107 - 111.
[3] 千怀遂, 李明霞. 大面积农作物遥感估产区划的理论研究[J].河南大学学报:自然科版,1997,27(4):84
-91.
[4] 张建华. 作物估产的遥感——数值模拟方法[J].干旱区资源与环境,2000,14(2):82-86 .
[5] 陈沈斌. 种植业可持续发展的支持系统——农作物卫星遥感估产[J].地理科学进展,1998(6) :71 - 77 .
[6] 江东, 王乃斌, 杨小唤. 我国粮食作物卫星遥感估产的研究[J].自然杂志,1999 ,21(6):351-355.
[7] 李佛琳, 李本逊, 曹卫星. 作物遥感估产的现状及其展望[J].云南农业大学学报,2005,20(5):680- 684 .
[8] 李郁竹, 肖乾广, 刘国祥. 冬小麦气象卫星遥感综合测产技术研究与试验[ M] / / 中国遥感进展. 北京:
万国学术出版社,1992.
[9] 李郁竹. 北方冬小麦卫星遥感监测及估产系统[M].北京:气象出版社,1993 .
[10] 江南, 何隆华, 王廷颐. 江苏省水稻遥感估产研究[J].长江流域资源与环境,1996(2):160-165.
[11] 肖乾广, 周嗣松, 陈维英, 用气象卫星数据对冬小麦进行估产试验[J].环境遥感,1986,1(4):260-269.
基于GIS 技术的农作物估产面积测算方案
张元敏
（西安煤航信息产业有限公司测绘工程分公司 西安市长胜街78号 710054）
摘 要 本文以农作物估产为出发点，介绍了基于GIS 技术的农作物估产中面积测算方
案的特点、流程以及实现过程。
关键词 遥感；农作物估产；GIS; 导航
0引言
粮食是我国经济发展、社会稳定和国家自立的基础，长期以来，对农作物产量的预测就成为农业系统的一项重要工作。由于农作物的生长受气象、土壤、水分、生物以及社会经济等众多因子的影响, 使得估产的技术和理论十分复杂。伴随着GIS 技术、GPS 技术、RS 技术以及计算机技术的的快速发展，农作物估产的方法和手段逐步得到了完善和提高。特别是近年来集3S 技术于一体的遥感估产技术的诞生，为农作物估产带来了新的契机，深受广大估产者的青睐，许多国家在这方面作了深入的研究，并建立了实用性的农作物估产系统, 收到了明显的经济和社会效益。我国于“六五”期间开始试用卫星遥感技术进行农作物产量预报的研究, 并在局部地区开展产量估算试验。“七五”和“八五”期间已经对小麦、玉米、水稻进行了NOAA/ AVHRR 遥感估产研究, 有些成果已投入业务运行。“九五”以来, 中国科学院遥感应用研究所自行研制和开发的“中国农情遥感监测系统”，实现了农作物大范围、多品种、定期遥感估产监测与预报。
农作物估产的主要内容就是对农作物长势、种植面积、单产以及总产的测算，其中种植面积的提取是估测总产的重要环节。常用的农作物种植面积的遥感提取是在收集分析不同农作物光谱特征的基础上, 通过遥感影像记录的地表信息，识别农作物的类型, 统计农作物的种植面积。这种方法集RS 和GIS 两种技术于一体，虽然取得了较好的结果，但也有其粗糙的一面，受遥感影像质量、实相、光谱分析粗差、影像解译技术等种种不确定因素的影响，农作物种植面积的提取精度并不理想，从而也影响着估产的结果。
1. 方案制定的背景
2010年6月，国家统计局局长马建堂赴河南调研，实地考察了调查人员进行粮食单产实割实测的情况。当时表示，要进一步推进3S 技术在农作物播种面积和估产中的应用；充分利用卫星遥感影像和第二次土地调查耕地图斑有关资料，逐步建立以耕地为抽样框、以抽中的耕地地块为直接调查对象的农作物对地抽样调查体系；继续做好集导航、定位、测量、数据采集和通信传输为一体的智能PDA 研究工作。使得粮食估产更具权威性、科学性。在此背景下，结合目前的3S 技术，本文提出更为先进的农作物对地调查面积测算方案，即在充分利用现有标准电子数据（遥感影像和适量数据）的前提下，把精确的GPS 定位技术和GIS 数据处理技术结合起来，实地测出抽样地块的面积。
2. 方案的特点
为简化野外调查的程序，减轻因携带大量测量和记录工具带来的负担，真正实现无纸化作业，本方案巧妙地把数据采集软件镶嵌在手持GPS 中，无缝连接起来，实现定位的同时，实时、实地进行数据的采集和属性的录入，操作简单、智能化强、真实性和准确性高。
3. 技术流程
基于GIS 技术的农作物估产面积测算方案主要由手持GPS 和数据采集软件两部分组成，相当于一个小型的移动GIS 平台，可以实现影像和标准的GIS 矢量数据加载，方便野外测量时导航定位和数据采集。同时，这个平台支持主流的测量坐标系统，GIS 软件内置的数据字典可以提供面积属性的添加和描述。其主要流程如图1所示：
图1 农作物估产面积测量流程
1）数据加载
第二次土地调查结束后，现有的处理好的遥感正射影像和地形矢量数据是农作物估产的第一手资料，内业在GIS 软件上将二者套合，首先确定外业将要调查的目的村和该村的耕地地块，并作相应标记处理，然后加载进GPS 的数据采集软件中。当然在加载数据前，还要确定数据的坐标系统，预先对GPS 系统进行设置。数据处理情况如图2所示：
图2 数据处理、套合情况
2）智能沿路导航到目的村
利用GPS 免费标配的智能导航软件，沿路导航到目的村，并自动记录行进的航迹。
3）直线导航到地块
打开GPS 中内嵌的数据采集软件，选择目的村的目的地块，进行直线导航，并自动提示当前位置距目的地的方向和距离。此时的导航界面会有个明显的当前位置，且会实时更新当前位置，调查员可以根据这个位置，判断行走路径。如图3所示：
图3 导航界面
4）地块测量
当到达需要采集的地块后，找到地块中明显的特征点作为该地块的采集起点，然后进行数据采集。采集时有两种方式，一种是有规则折角的地块，只需要采集折角的特征点，点与点之间自动连接构面，并计算面积数据；另一种是不规则的地块，调查员手持GPS, 绕地一周，采集连续的独立点，软件自动计算面积。
5）属性的添加
一地块测算完毕后，通过软件提供的数据字典进行面积属性的添加和描述，同时还可以利用GPS 独特的拍照功能，对该地块的实际形态和农作物种植种类进行拍照，使其属性更加详细和具体。
6）内业数据下载
为了确认野外面积测算数据的精度以及检查遗漏，一天工作结束，可将数据导出，因为导出数据是标准的GIS 格式，可以很方便地导入到专门的GIS 数据软件进行检测或数据编辑、面积汇总。如图4所示，是采集数据加载到ArcGIS 中处理的界面。
图4 采集数据加载到ArcGIS 中显示
4. 小结
此解决方案吸收了外业实地调查的经验，充分考虑了国家统计局对农作物面积抽样的指 导方针，运用高科技手段，集3S 技术于一体，成功地实现了农作物耕地面积的精确量测，最大限度地保证了调查数据的客观性、真实性。其优势主要体现在以下几个方面：
1）专业的GPS 引擎，采集面积等属性更准确，从而得到更准确的统计数据，使得粮食估产更准确，更具权威性。
2）外业面积采集软件完全按照作业流程规范开发，界面简洁，操作简单，易于掌握和使用。
3）专门为调查员设计的导航组合方式，实现了沿路智能导航到目的村，直线实时导航到调查地块。
4）采集过程除了可以记录面积属性等特征外，同时可以对调查地块进行拍照，是信息记录耕详细、具体。
5）强大的地图处理和加载功能，可以方便的添加统计局所提供的栅格和矢量数据。
参考文献
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[11] 肖乾广, 周嗣松, 陈维英, 用气象卫星数据对冬小麦进行估产试验[J].环境遥感,1986,1(4):260-269.