加拿大地理信息系统在农业生产管理中的应用


作者简介：陈剑辉，目前是约克地区地理信息技术专家（GIS Technologist atYork Region），2001年移民加拿大。1993年本科毕业于浙江大学光电科仪系生物医学工程专业，2007年研究生毕业于加拿大女皇大学（Queen’s University）遥感和地理信息方向（属于地理系和计算机系联合方向）。论文题目为“小波变换在IKONOS高清卫星影像自动识别的比较研究”。成果发表于2007年加拿大环境信息学期刊（Journalof Environmental Informatics）。2008年至今，在加拿大公用事业部门（先后在多伦多电力局、安大略省交通部、安大略省政府服务处以及安大略省农业部下属的农业补贴办公室）从事地理信息和卫星影像在管理决策、农业产量预测评估、投资信息决策系统和城市规划市政管理等领域的应用工作。

加拿大是世界上地理信息系统（GIS）应用最全面和广泛的国家之一。广阔的领土和相对稀少的人口是应用地理信息系统最好的动力。早在1962年，Tomlinson就提出利用计算机处理和分析大量的土地利用地图数据，并建议加拿大土地调查局建立加拿大地理信息系统，以实现专题地图的叠加、面积测量等。1972年，加拿大地理信息系统全面投入运行与使用，成为世界上第一个运行型的地理信息系统。随着全球定位系统（GPS）的不断发展、测绘工具的小型化与高精度化、地理信息软件的不断推陈出新（如Google地图的出现），以及自动导航的日新月异， 地理信息系统越来越深入人们的日常生活中，成为不可或缺的工具。

地理信息和卫星图像在加拿大各行各业中有着广泛的应用。无论是在土地管理、交通管理、产权管理，还是在各级政府选举（选区管理）、市政规划、市政设施维护更新以及农业管理方面，都得到了大面积的应用。加拿大各级政府（联邦、省、市政府）都建立了地理信息系统基础设施，包括硬件（地理服务器、数据中心等）和软件（GIS服务器端和客户端软件、地理信息数据库），并和北美的地理信息系统龙头公司合作，其中包括世界上最大的地理信息系统公司ESRI（美国环境技术研究所）、电力地理信息和网络地理信息的主要提供商Intergraph、GE Smallworld ，以及众多的地理系统咨询公司，最终为政府用户和公众用户提供高质量的地理信息服务。

本人在加拿大GIS领域中工作过10余多年，主要工作领域是GIS在交通、农业、市政规划管理等公有事业单位中的应用。早期在ESRI工作过两年，积累了不少GIS系统平台方面的知识，对日后在公有事业单位中的工作很有帮助。以下结合我的工作经验，向大家概括性的介绍一下GIS在安大略省农业管理中的应用。

安大略省占地107.6万平方公里，人口1441万，农户有5万户，农业人口占总人口比例只有1-2%。在广阔的土地上，种植着大量的玉米、大豆作物和冬小麦，只有依靠大型机械化设备才可能完成大面积的农作物的耕种。安大略省的玉米产量大致占全国总产的3/4；全国的大豆种植也几乎都集中在这里。另外，安大略省也是西洋参的主要产地，主要种植区域在在安大略湖和休伦湖之间的狭长地带。

图1 大型农业机械1
陈剑辉2015年９月摄于Woodstock举办的安大略省农业博览会



图2 大型农业机械2
陈剑辉2015年９月摄于Woodstock举办的安大略省农业博览会



图3 大型农业机械3
陈剑辉2015年９月摄于Woodstock举办的安大略省农业博览会
 


图4 大型农业机械4
陈剑辉2015年９月摄于Woodstock举办的安大略省农业博览会
 
图5 无人奶牛场
陈剑辉2015年９月摄于Woodstock举办的安大略省农业博览会
 
安大略省政府采取多种措施支持农业的发展，其中很有特色的措施之一是由联邦政府和省政府共同投入资金，成立对农作物生产进行补贴的机构。操作的方式是以类似保险的形式来进行的。即要求农业工作者根据农业产品的种类（如大宗农产品、家禽、水果等）缴纳一定量的保险金，并向政府提供以往年度的农作物产量，作为日后补贴理赔的依据。当农作物因为极端天气和病虫害的影响而大幅减产时，政府就会补贴当年产量与往年产量平均值的一定比例（如75%，由精算结果决定）之间的差额。这个措施保证了农业工作者生活水准不至于因为各种外界变化因素而大幅下跌，进而影响到生产的积极性，因此在一定程度上稳定了农业生产的队伍。

图6所示的是2015年安大略省玉米产量基准图。这个农作物产量和基准图是我在2015年制作的，并可以在公开的网站上查到。产量基准图根据分布于各地的农业基站的采点数据（大约3000个点的数据），利用ESRI的地理数据迭代算法产生覆盖南安省所有地块的连续的农作物产量数据。政府农业评估机构用这个图来对安大略省（主要是南安省）的补贴申请案例按地区进行预评估。在评估期间，会重点评估图中红色或者黄色的区域（产量低或变化大的区域）。大多数的案例可以通过这个产量图来进行快速筛选，对于有些难以做出判断的案例，需要通过农业基站的人员进行实际测算来做进一步的决定。可以发现，2015年的产量图大部分地区为绿色或深绿色，黄色区域和红色区域极少，说明基于算法的产量值较高，几乎没有受灾地区。实际上，当年递交的补贴申请的数量也确实很少，且集中于少数的黄色和红色区域，这也验证了产量图在很大程度上反映了当地的真实产量。同理，图7反映了2015年安大略省大豆产量的状况。
 


图6 安大略省玉米产量基准图



 
图7 安大略省大豆产量基准图
 
这个保险补贴的政策不仅应用于大面积种植的大豆和小麦等作物，也适用于苹果和葡萄等水果、菜籽油、蔬菜、大棚作物、烟草作物，甚至是家禽。在实际应用中，也可以通过历年的农业产量图的比较，得出产量变化的趋势，从而为管理层提供决策依据，如图8（两幅图中，南安省的地理形状并不一致，这是因为2016年和2017年采用了不同的地理投影标准，可以通过地理投影标准的重设来校正）。
 

图8  2016年和2017年的冬小麦产量对比图
 
GIS在农业领域里的应用非常广泛，上文仅列举了GIS在农作物产量分析中的应用，此外，GIS还在精准农业方面有广泛的应用。精准农业发源于美国，能够根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作与管理。GIS能够全面结合信息技术与农业生产，建立用于大面积农作物种植的综合集成的高科技农业应用系统。该系统包含了实时的农业数据收集与精确的定位信息，应用于耕种规划、耕地绘图、土壤取样、拖拉机导航和庄稼监测等方面。GIS还广泛应用于果园管理，利用GPS设备记录果园的边界线后进行地块管理，并向小型化、轻量化方向转变。以前野外工作人员会随身携带精度高但较为沉重的GPS设备，现在则已经采用轻型的手提设备甚至手机。同时，还出现了适合野外工作的GIS软件，比如Collector for ArcGIS。它可以依托于Esri 提供的云端ArcGIS Online服务，通过云服务随时更新地理信息数据库，极好地支撑了野外工作；在没有通讯信号的场所，它也可以脱机工作，待回到有通讯信号的办公室之后再与主GIS数据库进行同步更新。  
 

 

加拿大地理信息系统在农业生产管理中的应用


作者简介：陈剑辉，目前是约克地区地理信息技术专家（GIS Technologist atYork Region），2001年移民加拿大。1993年本科毕业于浙江大学光电科仪系生物医学工程专业，2007年研究生毕业于加拿大女皇大学（Queen’s University）遥感和地理信息方向（属于地理系和计算机系联合方向）。论文题目为“小波变换在IKONOS高清卫星影像自动识别的比较研究”。成果发表于2007年加拿大环境信息学期刊（Journalof Environmental Informatics）。2008年至今，在加拿大公用事业部门（先后在多伦多电力局、安大略省交通部、安大略省政府服务处以及安大略省农业部下属的农业补贴办公室）从事地理信息和卫星影像在管理决策、农业产量预测评估、投资信息决策系统和城市规划市政管理等领域的应用工作。

加拿大是世界上地理信息系统（GIS）应用最全面和广泛的国家之一。广阔的领土和相对稀少的人口是应用地理信息系统最好的动力。早在1962年，Tomlinson就提出利用计算机处理和分析大量的土地利用地图数据，并建议加拿大土地调查局建立加拿大地理信息系统，以实现专题地图的叠加、面积测量等。1972年，加拿大地理信息系统全面投入运行与使用，成为世界上第一个运行型的地理信息系统。随着全球定位系统（GPS）的不断发展、测绘工具的小型化与高精度化、地理信息软件的不断推陈出新（如Google地图的出现），以及自动导航的日新月异， 地理信息系统越来越深入人们的日常生活中，成为不可或缺的工具。

地理信息和卫星图像在加拿大各行各业中有着广泛的应用。无论是在土地管理、交通管理、产权管理，还是在各级政府选举（选区管理）、市政规划、市政设施维护更新以及农业管理方面，都得到了大面积的应用。加拿大各级政府（联邦、省、市政府）都建立了地理信息系统基础设施，包括硬件（地理服务器、数据中心等）和软件（GIS服务器端和客户端软件、地理信息数据库），并和北美的地理信息系统龙头公司合作，其中包括世界上最大的地理信息系统公司ESRI（美国环境技术研究所）、电力地理信息和网络地理信息的主要提供商Intergraph、GE Smallworld ，以及众多的地理系统咨询公司，最终为政府用户和公众用户提供高质量的地理信息服务。

本人在加拿大GIS领域中工作过10余多年，主要工作领域是GIS在交通、农业、市政规划管理等公有事业单位中的应用。早期在ESRI工作过两年，积累了不少GIS系统平台方面的知识，对日后在公有事业单位中的工作很有帮助。以下结合我的工作经验，向大家概括性的介绍一下GIS在安大略省农业管理中的应用。

安大略省占地107.6万平方公里，人口1441万，农户有5万户，农业人口占总人口比例只有1-2%。在广阔的土地上，种植着大量的玉米、大豆作物和冬小麦，只有依靠大型机械化设备才可能完成大面积的农作物的耕种。安大略省的玉米产量大致占全国总产的3/4；全国的大豆种植也几乎都集中在这里。另外，安大略省也是西洋参的主要产地，主要种植区域在在安大略湖和休伦湖之间的狭长地带。


图1 大型农业机械1
陈剑辉2015年９月摄于Woodstock举办的安大略省农业博览会



图2 大型农业机械2
陈剑辉2015年９月摄于Woodstock举办的安大略省农业博览会



图3 大型农业机械3
陈剑辉2015年９月摄于Woodstock举办的安大略省农业博览会
 


图4 大型农业机械4
陈剑辉2015年９月摄于Woodstock举办的安大略省农业博览会
 
图5 无人奶牛场
陈剑辉2015年９月摄于Woodstock举办的安大略省农业博览会
 
安大略省政府采取多种措施支持农业的发展，其中很有特色的措施之一是由联邦政府和省政府共同投入资金，成立对农作物生产进行补贴的机构。操作的方式是以类似保险的形式来进行的。即要求农业工作者根据农业产品的种类（如大宗农产品、家禽、水果等）缴纳一定量的保险金，并向政府提供以往年度的农作物产量，作为日后补贴理赔的依据。当农作物因为极端天气和病虫害的影响而大幅减产时，政府就会补贴当年产量与往年产量平均值的一定比例（如75%，由精算结果决定）之间的差额。这个措施保证了农业工作者生活水准不至于因为各种外界变化因素而大幅下跌，进而影响到生产的积极性，因此在一定程度上稳定了农业生产的队伍。

图6所示的是2015年安大略省玉米产量基准图。这个农作物产量和基准图是我在2015年制作的，并可以在公开的网站上查到。产量基准图根据分布于各地的农业基站的采点数据（大约3000个点的数据），利用ESRI的地理数据迭代算法产生覆盖南安省所有地块的连续的农作物产量数据。政府农业评估机构用这个图来对安大略省（主要是南安省）的补贴申请案例按地区进行预评估。在评估期间，会重点评估图中红色或者黄色的区域（产量低或变化大的区域）。大多数的案例可以通过这个产量图来进行快速筛选，对于有些难以做出判断的案例，需要通过农业基站的人员进行实际测算来做进一步的决定。可以发现，2015年的产量图大部分地区为绿色或深绿色，黄色区域和红色区域极少，说明基于算法的产量值较高，几乎没有受灾地区。实际上，当年递交的补贴申请的数量也确实很少，且集中于少数的黄色和红色区域，这也验证了产量图在很大程度上反映了当地的真实产量。同理，图7反映了2015年安大略省大豆产量的状况。
 


图6 安大略省玉米产量基准图



图7 安大略省大豆产量基准图
 
这个保险补贴的政策不仅应用于大面积种植的大豆和小麦等作物，也适用于苹果和葡萄等水果、菜籽油、蔬菜、大棚作物、烟草作物，甚至是家禽。在实际应用中，也可以通过历年的农业产量图的比较，得出产量变化的趋势，从而为管理层提供决策依据，如图8（两幅图中，南安省的地理形状并不一致，这是因为2016年和2017年采用了不同的地理投影标准，可以通过地理投影标准的重设来校正）。
 

图8  2016年和2017年的冬小麦产量对比图
 
GIS在农业领域里的应用非常广泛，上文仅列举了GIS在农作物产量分析中的应用，此外，GIS还在精准农业方面有广泛的应用。精准农业发源于美国，能够根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作与管理。GIS能够全面结合信息技术与农业生产，建立用于大面积农作物种植的综合集成的高科技农业应用系统。该系统包含了实时的农业数据收集与精确的定位信息，应用于耕种规划、耕地绘图、土壤取样、拖拉机导航和庄稼监测等方面。GIS还广泛应用于果园管理，利用GPS设备记录果园的边界线后进行地块管理，并向小型化、轻量化方向转变。以前野外工作人员会随身携带精度高但较为沉重的GPS设备，现在则已经采用轻型的手提设备甚至手机。同时，还出现了适合野外工作的GIS软件，比如Collector for ArcGIS。它可以依托于Esri 提供的云端ArcGIS Online服务，通过云服务随时更新地理信息数据库，极好地支撑了野外工作；在没有通讯信号的场所，它也可以脱机工作，待回到有通讯信号的办公室之后再与主GIS数据库进行同步更新。