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摘要 地理信息系统（GIS）是现代烟草农业发展的技术保障。简介了GIS的基本原理及产生发展过程，综述了国内外学者利用GIS在土壤养分精准管理、植烟区气候与烟草种植区划及烤烟生产病虫害防治决策方向的研究进展，并探讨了GIS在现代烟草农业应用中的发展前景。
关键词 GIS；现代烟草农业；应用；研究进展
中图分类号 S572 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）21-0014-03
Abstract Geographic Information System（GIS）is the foundation of space technology with modern tobacco agriculture. The basic principle and development of GIS were brielly introduced. The research progress of GIS in soil nutrient precision management，climate and planting area of tobacco growing areas and decision making of tobacco production pest control were summarized，the prospects of the researching and application were discussed in developing the modernization tobacco agriculture with the GIS.
Key words GIS；modern tobacco agriculture；application；research progress
我國是烟草种植大国，烟草是我国重要的经济作物，随着生产力的发展和现代信息化技术的提高，传统模式的烟草种植已不能适应社会的发展。近年来，我国烟草生产部门坚持建设“规模化种植，集约化经营，专业化分工，信息化管理”的现代烟草农业，以进一步提升烟叶品质[1]。要加快实现我国烟草农业的现代化，必须综合利用现代信息技术，发展具有中国特色的烟草农业生产体系，实现我国烟草农业的可持续发展。随着现代农业数字化理念的提出，“数字烟草”的发展也成为必然趋势，“数字烟草”的核心技术之一便是“GIS技术”，即地理信息系统[2]。GIS与现代烟草农业的结合能够解决烟叶生产中产生的各种动态问题，为现代烟草农业的可持续发展提供了强有力的技术保障，加快推进我国现代烟草农业生产的自动化、精准化发展进程。
1 GIS的基本原理
地理信息系统（Geographical Information System，GIS）与许多学科都有密切联系，是多门学科交叉的具有空间专业形式的数据管理系统。地理信息系统是一个采集、存储、显示地理信息的计算机系统，能够综合分析各种图形及数据信息，具有多层次的数据结构和多功能的综合分析能力[3]。该系统包括了多种软件工具用于输入、编辑、管理空间型和非空间型的地理数据，采用数据库管理系统有效地存储和管理大量地理信息，并提供多种模型支持空间分析和决策制定，有管理空间资源不均匀分布的能力，能够把大区域范围内测定点的地理数据与属性数据结合起来，提高信息共享程度。目前，GIS技术已经得到了广泛应用，主要应用于资源开发、环境保护、城市规划、土地管理、农作物估产、交通运输、地图绘制等领域，并呈迅速发展的趋势[4]。
2 GIS的产生与发展
地理信息系统技术的建立与发展，与地理空间信息的表示、处理、分析和应用技术的不断发展紧密相连。地理信息系统的提出从20世纪60年代开始，发展成熟于70—80年代，由计算机辅助制图逐步发展起来，并得到了较快的发展，目前技术已日益成熟，被认为是系统有效地利用地理信息的基本工具与手段。
世界第一个GIS系统是加拿大测量学家R F. Tomlinson于1963年提出的，并建立了加拿大地理信息系统，用于自然资源的规划管理[5]。1987年美国成立了国家地理信息与分析中心，英国也成立了地理信息协会，加之此阶段计算机技术的迅速发展，对GIS技术的传播和发展起至关重要的作用，并由商业化实用系统进入市场[6]。随着计算机技术的迅猛发展和专业化人才的飛速增加，GIS已经成为许多机构尤其是政府决策部门必备的工作系统，社会对GIS的认识普遍提高，这也使得GIS的应用更加扩大和系统化。随着地理信息系统功能的不断完善，越来越显示出广阔的应用前景，并成为地理学的“第三代语言”。
中国对地理信息系统的研究起步稍晚，1980年中国成立了地理信息系统研究室，标志着中国全面展开了对地理信息系统的研究，虽然较欧美一些发达国家起步晚，但发展极迅速[7]。1986年国家“七五”计划中，GIS研究列入了国家科技攻关计划，GIS在我国进入了初步发展阶段。1996年国家“九五”计划将“遥感、地理信息系统和全球定位系统的综合应用”列入国家重中之重科技攻关项目，GIS进入了快速发展阶段，强调GIS的集成化、实用化和工程化[8]。经过多年的努力，我国对地理信息系统的研究已跻身于国际领先水平，GIS技术及产品取得了长足进步，已广泛应用于多个学科领域，成为精准农业研究中的热点方向，因此深入开展地理信息系统（GIS）在烟草精准农业上的应用研究也是必然趋势。20世纪90年代，我国将 GIS 应用于烟草农业领域，主要用于植烟土壤适宜性评价和施肥、农业气候与烟草种植区划、烟草病虫害预测评估等方面，并取得了较大的成就，一些研究成果直接应用于烟草农业生产中，取得了很好的经济和社会效益[9]。
3 GIS在现代烟草农业中的应用
3.1 GIS在土壤养分精准管理中的应用 土壤在时空变化上具有连续性和不均一性。传统农业生产由于对土壤养分的描述和定量调查存在困难，在施肥过程中缺少针对性，造成土壤养分供给失去平衡、肥料利用率低等问题，甚至施肥过多破坏了土壤肥力，加重了大气环境负担。与传统农业相比，许多国内外学者高度重视土壤空间变异性，利用GPS、地统计学分析结合GIS分析土壤养分的空间分布状况及其变异特征，在精准农业研究中初有成效。其中，GIS可以处理烟区气候、地形地貌特征、土壤类型、烟草产量、烟草轮作制度、烟农施肥状况及肥料施用等信息，并综合起来录入到GIS信息系统中[10]。将这些空间属性描述归类形成土壤养分分布图，能指导各分区植煙土壤的肥料施用，这样不仅可以整体调控肥料用量避免浪费，又能实现分区管理体制。
自20世纪60年代初国外学者开始尝试应用GIS和地统计学结合的方法研究土壤空间变异情况之后，Yost等人最早研究了夏威夷岛上土壤养分的空间关联，并得到了可靠结论[11]。之后Goovaerts P[12]通过田块型取样模式，分析了不同单元格的土壤理化性状，促进了GIS的发展。随后人们利用GIS在农作物上取得了越来越多的科研成就，Masvaya等[13]研究了津巴布韦农业产业生态区农业管理对土壤养分的影响，并研究了作物吸收规律的空間变异性。Shi等[14]利用GIS研究了太湖土壤养分丰缺特性。
相比于国外，国内GIS发展较晚，但成果丰硕。在土壤养分及元素分布特性上方向，秦钟立等[15]利用GIS和地统计法建立了贵州植烟土壤养分的理论模型；李 强等[16]则通过GIS技术综合评价了曲靖烟区马龙县植烟土壤的速效养分状况。在土壤施肥决策方向，王新忠等[17]利用GIS和GPS定位相结合的方法，通过控制播种机控制变量施肥，研究出了精准农业用肥体制，不仅达到了“用肥有效，绿色环保”的时代要求，更明显提高了作物产量；陈伟强[18]通过在平顶山、洛阳、南阳三地烤烟区进行模型参数试验，确立了区域施肥体制；张鑫[4]通过对烟区单元适应性的综合评价结合GIS模型，设计了目标产量的精准施肥推荐系统。在土壤分区管理方向，郭治兴等[19]通过网格化评价广东烤烟的土壤生态适宜性，指导了烟草区化种植；宋艳春[20]也根据此方法将赣县植烟土壤划分为3类适宜区，促进了土壤养分的精准管理模式。
3.2 GIS在植烟区气候与烟草种植区划中的应用
生态条件决定烤烟的区域特色，不同生态区的烤烟在化学成分、物理特性评吸等指标上有很大差异，其受制于土壤，但受气候因素影响最大。可利用GIS的空间分析功能，并结合多年的气候资源，确定烟草适宜性气候生态指标和种植区划，为烟草种植区域的划分和合理利用气候资源提供依据。董谢琼等[21]利用气候、土壤等数据，在GIS平台下，研究了云南省烟草种植适宜区划，研究结果与云南省优质烟叶分布地区一致。方 红等[22]利用等级划分法和GIS小网格技术，综合分析了湘西烟草生长期内的气候数据和气象灾害指标，结合湘西的土地资源信息，对植烟区烟草气候进行了区划，与实际植烟区域基本吻合。操筠[23]统计分析了烟草不同生育期遭受的主要气象灾害，利用GIS技术进行了恩施植烟区烟草气候灾害风险区划，为烟草种植合理布局及防灾减灾提供依据。杨扬[24]利用GIS技术，将河南省烟草种植区的气候、土壤等信息以空间和属性数据相结合的形式组织起来，综合评价了河南省烟草生态适宜性，科学合理的区划了河南省烟草种植区域。杨鹏武等[25]通过收集云南省昭通市多年的气候资料，运用GIS 技术，研究了昭通市烟草种植的动态气候区划，提高了作物气候区划的生产指导性，得出烤烟生态适宜性综合评价图，建立了河南省烟草生态适宜性评价指标体系。谢华东等[26]用模糊综合评价的方法，根据烟叶生长的特性，在GIS平台下，筛选出影响黔江烟草种植区的气候指标，定量评价了黔江烤烟种植气候的适宜性。李蒙等[27]收集了云南省普洱市气候资料，运用GIS技术，分析了普洱市的气候特征，并构建了烟草种植气候适宜性评价系统，精细区划了烤烟种植气候的适宜性。莫建国等[28]通过GIS平台，运用相关分析法分析了气候因素对烟叶品质的影响，并将贵州省烟区划分了5个气候类型区。
3.3 GIS在烤烟生产病虫害防治决策中的应用
随着烤烟生产病虫害防治工作的长期进展，植物保护方向已取得了巨大进展，但重“治”的过程中科研工作者却忽视了“防”的重要性。近年来，学者将病虫害防治工作中积累的大量年际数据通过综合分析年际间和区域间的烤烟品种、病虫害发生时期及特点、田间管理、气象条件等因素，运用GIS制图的方式来呈现，可以直观有效地预测经济损失及提供病害防治决策[29]。林惠彬[30]将互联网、数据库及GIS相结合，不仅构建了烟蚜监测模型，并通过整合病虫害的年际变化完善了烟草病虫害管理系统。赵鑫[31]利用GIS技术分析得出了烟草害虫及天敌的种群分布特征，对烟田害虫的综合治理提供了参考依据。姜红花等[32]的研究与此相似，通过及时有效地发布病虫害信息，实现了动态的实用功能。
4 展望
4.1 利用GIS技术为烟叶基地单元选址
在卷烟工业原料烟叶基地选址方面，可以利用GIS技术，将当地烟草种植生产气候相关因子及烤后烟叶内在品质与企业品牌原料烟叶需求有机结合，借助GIS二次开发数学模型对其综合评价，并通过决策分功能确定对应品牌烟叶原料基地单元选址最适宜区。
4.2 建立烟草农业种植的资源共享平台
烟草农业与生态环境之间的关系复杂，需要的数据量大且要求精度高。但因为仪器设备和人力、物力的限制，许多数据难以获取，且测量时误差较大，数据精度不高，现有的数据来源不一且年代不同，导致数据质量难以保证，并且数据格式不一，导致各地区数据难以共享，影响了GIS的资源共享。在未来的发展中，应把先进的技术手段融入烟草产业结构中，集中人力和物力，建立完善的烟草农业信息数据库，按照“统一平台、统一数据、统一网络”的原则，实现信息资源共享，启动数字化的烟草建设，为烟草农业现代化的开发提供帮助。 4.3 建立以GIS、RS、GPS技术为核心的“3S”空间决策支持系统
RS能准确地提供监测物的信息，发现其各种变化，GPS能够快速地提供监测物的空间位置，GIS能够对多种来源的大量信息进行快速处理，提出决策方案。因此，建立基于烟草“3S”技术的空间决策支持系统，可为烟草种植管理提供精确的操作，通过数字管理、动态监测和系统决策，实现烟草生产的数字化、智能化和信息化。随着信息化的迅速发展，“3S”技术将成为今后现代烟草农业的研究热点。
4.4 GIS 和专家系统（ES）高度集成
现阶段GIS主要应用于烟田土壤养分数据库的建立、精准施肥、植烟区气候与烟草种植区划、病虫害的监测等方面，但烟草生长过程是动态的，与当地生态环境、种植制度等相关密切，单纯的GIS研究，不能解决现代烟草农业生产中复杂的空间问题，还需要大量的专家知识经验。因此，GIS与专家系统结合，可有效解决烟草生产过程的问题。
5 参考文献
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[3] 卢瑛，龚子同.土地资源持续利用与信息技术[M].北京：中国大地出版社，1998：63-66.
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关键词 GIS；现代烟草农业；应用；研究进展
中图分类号 S572 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）21-0014-03
Abstract Geographic Information System（GIS）is the foundation of space technology with modern tobacco agriculture. The basic principle and development of GIS were brielly introduced. The research progress of GIS in soil nutrient precision management，climate and planting area of tobacco growing areas and decision making of tobacco production pest control were summarized，the prospects of the researching and application were discussed in developing the modernization tobacco agriculture with the GIS.
Key words GIS；modern tobacco agriculture；application；research progress
我國是烟草种植大国，烟草是我国重要的经济作物，随着生产力的发展和现代信息化技术的提高，传统模式的烟草种植已不能适应社会的发展。近年来，我国烟草生产部门坚持建设“规模化种植，集约化经营，专业化分工，信息化管理”的现代烟草农业，以进一步提升烟叶品质[1]。要加快实现我国烟草农业的现代化，必须综合利用现代信息技术，发展具有中国特色的烟草农业生产体系，实现我国烟草农业的可持续发展。随着现代农业数字化理念的提出，“数字烟草”的发展也成为必然趋势，“数字烟草”的核心技术之一便是“GIS技术”，即地理信息系统[2]。GIS与现代烟草农业的结合能够解决烟叶生产中产生的各种动态问题，为现代烟草农业的可持续发展提供了强有力的技术保障，加快推进我国现代烟草农业生产的自动化、精准化发展进程。
1 GIS的基本原理
地理信息系统（Geographical Information System，GIS）与许多学科都有密切联系，是多门学科交叉的具有空间专业形式的数据管理系统。地理信息系统是一个采集、存储、显示地理信息的计算机系统，能够综合分析各种图形及数据信息，具有多层次的数据结构和多功能的综合分析能力[3]。该系统包括了多种软件工具用于输入、编辑、管理空间型和非空间型的地理数据，采用数据库管理系统有效地存储和管理大量地理信息，并提供多种模型支持空间分析和决策制定，有管理空间资源不均匀分布的能力，能够把大区域范围内测定点的地理数据与属性数据结合起来，提高信息共享程度。目前，GIS技术已经得到了广泛应用，主要应用于资源开发、环境保护、城市规划、土地管理、农作物估产、交通运输、地图绘制等领域，并呈迅速发展的趋势[4]。
2 GIS的产生与发展
地理信息系统技术的建立与发展，与地理空间信息的表示、处理、分析和应用技术的不断发展紧密相连。地理信息系统的提出从20世纪60年代开始，发展成熟于70—80年代，由计算机辅助制图逐步发展起来，并得到了较快的发展，目前技术已日益成熟，被认为是系统有效地利用地理信息的基本工具与手段。
世界第一个GIS系统是加拿大测量学家R F. Tomlinson于1963年提出的，并建立了加拿大地理信息系统，用于自然资源的规划管理[5]。1987年美国成立了国家地理信息与分析中心，英国也成立了地理信息协会，加之此阶段计算机技术的迅速发展，对GIS技术的传播和发展起至关重要的作用，并由商业化实用系统进入市场[6]。随着计算机技术的迅猛发展和专业化人才的飛速增加，GIS已经成为许多机构尤其是政府决策部门必备的工作系统，社会对GIS的认识普遍提高，这也使得GIS的应用更加扩大和系统化。随着地理信息系统功能的不断完善，越来越显示出广阔的应用前景，并成为地理学的“第三代语言”。
中国对地理信息系统的研究起步稍晚，1980年中国成立了地理信息系统研究室，标志着中国全面展开了对地理信息系统的研究，虽然较欧美一些发达国家起步晚，但发展极迅速[7]。1986年国家“七五”计划中，GIS研究列入了国家科技攻关计划，GIS在我国进入了初步发展阶段。1996年国家“九五”计划将“遥感、地理信息系统和全球定位系统的综合应用”列入国家重中之重科技攻关项目，GIS进入了快速发展阶段，强调GIS的集成化、实用化和工程化[8]。经过多年的努力，我国对地理信息系统的研究已跻身于国际领先水平，GIS技术及产品取得了长足进步，已广泛应用于多个学科领域，成为精准农业研究中的热点方向，因此深入开展地理信息系统（GIS）在烟草精准农业上的应用研究也是必然趋势。20世纪90年代，我国将 GIS 应用于烟草农业领域，主要用于植烟土壤适宜性评价和施肥、农业气候与烟草种植区划、烟草病虫害预测评估等方面，并取得了较大的成就，一些研究成果直接应用于烟草农业生产中，取得了很好的经济和社会效益[9]。
3 GIS在现代烟草农业中的应用
3.1 GIS在土壤养分精准管理中的应用 土壤在时空变化上具有连续性和不均一性。传统农业生产由于对土壤养分的描述和定量调查存在困难，在施肥过程中缺少针对性，造成土壤养分供给失去平衡、肥料利用率低等问题，甚至施肥过多破坏了土壤肥力，加重了大气环境负担。与传统农业相比，许多国内外学者高度重视土壤空间变异性，利用GPS、地统计学分析结合GIS分析土壤养分的空间分布状况及其变异特征，在精准农业研究中初有成效。其中，GIS可以处理烟区气候、地形地貌特征、土壤类型、烟草产量、烟草轮作制度、烟农施肥状况及肥料施用等信息，并综合起来录入到GIS信息系统中[10]。将这些空间属性描述归类形成土壤养分分布图，能指导各分区植煙土壤的肥料施用，这样不仅可以整体调控肥料用量避免浪费，又能实现分区管理体制。
自20世纪60年代初国外学者开始尝试应用GIS和地统计学结合的方法研究土壤空间变异情况之后，Yost等人最早研究了夏威夷岛上土壤养分的空间关联，并得到了可靠结论[11]。之后Goovaerts P[12]通过田块型取样模式，分析了不同单元格的土壤理化性状，促进了GIS的发展。随后人们利用GIS在农作物上取得了越来越多的科研成就，Masvaya等[13]研究了津巴布韦农业产业生态区农业管理对土壤养分的影响，并研究了作物吸收规律的空間变异性。Shi等[14]利用GIS研究了太湖土壤养分丰缺特性。
相比于国外，国内GIS发展较晚，但成果丰硕。在土壤养分及元素分布特性上方向，秦钟立等[15]利用GIS和地统计法建立了贵州植烟土壤养分的理论模型；李 强等[16]则通过GIS技术综合评价了曲靖烟区马龙县植烟土壤的速效养分状况。在土壤施肥决策方向，王新忠等[17]利用GIS和GPS定位相结合的方法，通过控制播种机控制变量施肥，研究出了精准农业用肥体制，不仅达到了“用肥有效，绿色环保”的时代要求，更明显提高了作物产量；陈伟强[18]通过在平顶山、洛阳、南阳三地烤烟区进行模型参数试验，确立了区域施肥体制；张鑫[4]通过对烟区单元适应性的综合评价结合GIS模型，设计了目标产量的精准施肥推荐系统。在土壤分区管理方向，郭治兴等[19]通过网格化评价广东烤烟的土壤生态适宜性，指导了烟草区化种植；宋艳春[20]也根据此方法将赣县植烟土壤划分为3类适宜区，促进了土壤养分的精准管理模式。
3.2 GIS在植烟区气候与烟草种植区划中的应用
生态条件决定烤烟的区域特色，不同生态区的烤烟在化学成分、物理特性评吸等指标上有很大差异，其受制于土壤，但受气候因素影响最大。可利用GIS的空间分析功能，并结合多年的气候资源，确定烟草适宜性气候生态指标和种植区划，为烟草种植区域的划分和合理利用气候资源提供依据。董谢琼等[21]利用气候、土壤等数据，在GIS平台下，研究了云南省烟草种植适宜区划，研究结果与云南省优质烟叶分布地区一致。方 红等[22]利用等级划分法和GIS小网格技术，综合分析了湘西烟草生长期内的气候数据和气象灾害指标，结合湘西的土地资源信息，对植烟区烟草气候进行了区划，与实际植烟区域基本吻合。操筠[23]统计分析了烟草不同生育期遭受的主要气象灾害，利用GIS技术进行了恩施植烟区烟草气候灾害风险区划，为烟草种植合理布局及防灾减灾提供依据。杨扬[24]利用GIS技术，将河南省烟草种植区的气候、土壤等信息以空间和属性数据相结合的形式组织起来，综合评价了河南省烟草生态适宜性，科学合理的区划了河南省烟草种植区域。杨鹏武等[25]通过收集云南省昭通市多年的气候资料，运用GIS 技术，研究了昭通市烟草种植的动态气候区划，提高了作物气候区划的生产指导性，得出烤烟生态适宜性综合评价图，建立了河南省烟草生态适宜性评价指标体系。谢华东等[26]用模糊综合评价的方法，根据烟叶生长的特性，在GIS平台下，筛选出影响黔江烟草种植区的气候指标，定量评价了黔江烤烟种植气候的适宜性。李蒙等[27]收集了云南省普洱市气候资料，运用GIS技术，分析了普洱市的气候特征，并构建了烟草种植气候适宜性评价系统，精细区划了烤烟种植气候的适宜性。莫建国等[28]通过GIS平台，运用相关分析法分析了气候因素对烟叶品质的影响，并将贵州省烟区划分了5个气候类型区。
3.3 GIS在烤烟生产病虫害防治决策中的应用
随着烤烟生产病虫害防治工作的长期进展，植物保护方向已取得了巨大进展，但重“治”的过程中科研工作者却忽视了“防”的重要性。近年来，学者将病虫害防治工作中积累的大量年际数据通过综合分析年际间和区域间的烤烟品种、病虫害发生时期及特点、田间管理、气象条件等因素，运用GIS制图的方式来呈现，可以直观有效地预测经济损失及提供病害防治决策[29]。林惠彬[30]将互联网、数据库及GIS相结合，不仅构建了烟蚜监测模型，并通过整合病虫害的年际变化完善了烟草病虫害管理系统。赵鑫[31]利用GIS技术分析得出了烟草害虫及天敌的种群分布特征，对烟田害虫的综合治理提供了参考依据。姜红花等[32]的研究与此相似，通过及时有效地发布病虫害信息，实现了动态的实用功能。
4 展望
4.1 利用GIS技术为烟叶基地单元选址
在卷烟工业原料烟叶基地选址方面，可以利用GIS技术，将当地烟草种植生产气候相关因子及烤后烟叶内在品质与企业品牌原料烟叶需求有机结合，借助GIS二次开发数学模型对其综合评价，并通过决策分功能确定对应品牌烟叶原料基地单元选址最适宜区。
4.2 建立烟草农业种植的资源共享平台
烟草农业与生态环境之间的关系复杂，需要的数据量大且要求精度高。但因为仪器设备和人力、物力的限制，许多数据难以获取，且测量时误差较大，数据精度不高，现有的数据来源不一且年代不同，导致数据质量难以保证，并且数据格式不一，导致各地区数据难以共享，影响了GIS的资源共享。在未来的发展中，应把先进的技术手段融入烟草产业结构中，集中人力和物力，建立完善的烟草农业信息数据库，按照“统一平台、统一数据、统一网络”的原则，实现信息资源共享，启动数字化的烟草建设，为烟草农业现代化的开发提供帮助。 4.3 建立以GIS、RS、GPS技术为核心的“3S”空间决策支持系统
RS能准确地提供监测物的信息，发现其各种变化，GPS能够快速地提供监测物的空间位置，GIS能够对多种来源的大量信息进行快速处理，提出决策方案。因此，建立基于烟草“3S”技术的空间决策支持系统，可为烟草种植管理提供精确的操作，通过数字管理、动态监测和系统决策，实现烟草生产的数字化、智能化和信息化。随着信息化的迅速发展，“3S”技术将成为今后现代烟草农业的研究热点。
4.4 GIS 和专家系统（ES）高度集成
现阶段GIS主要应用于烟田土壤养分数据库的建立、精准施肥、植烟区气候与烟草种植区划、病虫害的监测等方面，但烟草生长过程是动态的，与当地生态环境、种植制度等相关密切，单纯的GIS研究，不能解决现代烟草农业生产中复杂的空间问题，还需要大量的专家知识经验。因此，GIS与专家系统结合，可有效解决烟草生产过程的问题。
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