全 文 ：中国生态农业学报 2011年 1月 第 19卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2011, 19(1): 205210 现代农业发展与国家粮食安全暨东北农业现代化战略高峰论坛成果


* 中国科学院绿色农业技术集成与发展中心“2010年院军合作专项”资助
梁启章(1940~), 研究员, 主要从事地图学、GIS与农业专家决策支持系统研究。E-mail: articlel@163.com
收稿日期: 2010-09-01 接受日期: 2010-11-22
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.00205
双山基地新型精准农业“可视化管理”初步实践与展望*
梁启章 1,2 齐清文 1,2 梁 迅 2
(1. 中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101;
2. 中国科学院中国新农村信息化研究中心 GIS与可视化实验室 北京 100101)
摘 要 “可视化管理”(VM)是一种现代化的企业管理方法, 本研究中首次将其应用于双山基地机械化作业
管理。本文基于大型拖拉机作业特点, 重点讨论了实施精准农业中的可视化管理方法。首先介绍了可视化管
理的功能, 并对双山基地的精准农业可视化管理平台构成进行了简要说明。该平台的核心功能是提供了卫星
与航空遥感、近地面视频监测、土壤测定、小型气象站等手段及时获取作物长势、肥力、水分、病虫害、草
害、成熟度以及天气等信息, 采用可视化管理方法支持施肥与其他田间管理的决策; 同时建设了综合性农业数
据库, 研发了可视化机械作业进程管理与计划自动编制软件。该平台集成了 3S、视频监测、互联网等软件技
术。已经完成的演示系统曾经在 2010年举办的“现代农业发展与国家粮食安全暨东北农业现代化高峰论坛”
上展示介绍, 获得了到会农业专家与领导的好评。
关键词 可视化管理 精准农业 机械化作业 科学种田
中图分类号: S14-33 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)01-0205-06
Preliminary practice and prospect of “Visual Management” of precision
farming with new patterns in Shuangshan Base
LIANG Qi-Zhang1,2, QI Qing-Wen1,2, LIANG Xun2
(1. Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
2. GIS & Visualization Lab, China New Country Informatics Research Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)
Abstract Visual Management (VM), an modern enterprise management method, was used for the first time to manage mechanized
production in precision farming at Shuangshan Base. This paper discussed the use of MV in precision farming system with large
tractors production. The paper first introduced the generalization functions of VM, and then illustrated the composition of VM plat-
form in precision farming at Shuangshan Base. The core functions of VM platform in precision farming included monitoring of
crop/grass growth and maturity, detection of soil fertility, moisture and insect pest, by video frequency of ground surface and remote
sensing (satellites & aeria), and mini-weather station, etc. In precision farming, VM platform adequately supported fertilization and
other field management decisions. This platform integrated high techniques such as GPS, GIS, RS, VISS, Internet and Intranet, with
comprehensive agro-database. This enhanced the realization of visual process control and automated planning of mechanized farm
production. The demonstration system platform was demonstrated to agricultural experts/officers in the 2010 Summit Forum for De-
veloping Modern Agriculture in Northeast China, favorable comments were raised from them.
Key words Visual Management, Precision farming, Mechanized production, Scientific farming
(Received Sept. 1, 2010; accepted Nov. 22, 2010)
1 可视化管理与精准农业
1.1 可视化管理概述
现代化企业管理依靠建立一套决策程序和数
学模型以增加决策的科学性 , 各种可行的方案均
是以经济、社会和生态效果作为评价依据 , 并广泛
地使用计算机、网络、视频监测等高新技术 , 因而
能够有效地组织生产力要素, 充分合理地利用各种
资源, 提高各种经济和社会活动的效率, 从而成为
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推进现代化进程的强大动力。
可视化管理(Visual management)是集成了现代
管理科学中的各种方法, 利用形象直观而又色彩适
宜的各种视觉感知信息(产品)来组织现场生产活动,
达到提高劳动生产率的一种管理手段, 也是一种利
用视觉来进行管理的科学方法[1]。俗话说:“耳听为
虚, 眼见为实”, 只有看到的东西才是最真实的。例
如, 作战指挥的电子沙盘上插满了代表敌我双方的
蓝、红两色小旗, 军事指挥地图上采用对比极强色
彩鲜艳的动态符号标绘了敌我双方态势等; 又如机
场、旅游区等公共场所的标示牌、图表和地图, 涵
盖着指导游客的各种信息。总之, 恰当地利用可视
化产品能够大大提高整体管理或指挥效率。
“可视化管理”在日本被称为“可视力”, 并
把“可视力”看成一种竞争力[2]。现实世界里, 目视
能力十分有限, 很多场合下的很多问题是看不到的
或看不清的, 甚至还会产生错觉[3]。因此, 实现可视
化管理的关键在于管理者如何变看不见为看得见 ,
如何看到“全部与真实”？这既取决于管理者本身
能力(积极性和智慧), 更取决于管理者能否使用当
代最先进的科技成果以挖掘可视力。因此,“看到问
题”和“看到全面与真实”往往是相对的。“可视化
管理”充分利用各种可能的方法挖掘可视力并展示
在人们面前, 从而将成为衡量现代化科学管理和决
策水平的重要标志之一。
1.2 可视化管理的技术关键
可视化管理已经成为许多企业管理者所追求的
管理方法, 可视化管理平台也成为信息技术应用的
一个重要发展方向。它改变了管理的现有一般模式,
使管理者以直观的可视化方式, 方便、简捷、清楚
地把握管理过程, 并提供辅助决策支持, 使过程管
理、决策活动变得轻松方便。可视化信息管理具有
快捷的查询与浏览能力, 可实时显示信息、模拟实
际状态、提供决策分析工具、完善统计以及用户权
限管理等。
实现可视化管理的关键在于: (1)通过多种手段
实现现状的数字化和可视化; (2)公开“不想让人看到
的”东西, 即要敢于暴露自身的问题, 暴露所谓的秘
密, 这样才能看到自身的“全部和真实”; (3)确保可
视化的信息质量、时机和现实性, 如果信息和数据
量过大, 反而会影响可视化效果; (4)可视化产品必
须保证人们容易看清, 容易看懂; (5)由信息拥有者
直接发表, 保证信息的正确性和权威性; (6)关键在
于看见问题之后怎么办？必须及时召集有关人员讨
论、培训和教育 , 进而改变人们的认识和行动 ;
(7)共享可视化成果, 即可视化成果一定要让有关人
员共享, 成为员工的共同财产, 可以促进现场人员
相互鼓励和学习, 形成共同声音和一致的行动。
因此, 一个好的可视化管理系统, 不只是帮助
人们很容易地进入问题, 而且能够促进人们产生一
连串的认识变化, 成为改变人们思想和行动的一个
推动力[1]: (1)通过看到的可视化产品, 感受到新的东
西, 锻炼双眼能够“看见”更多东西的敏感性; (2)进
而可以产生联想, 触类旁通, 获得新的认识或疑问,
这种推理是符合实际的, 也是真实的; (3)进而通过
共同看见的东西, 使不同层次、不同部门的人员容
易获得共识, 推进沟通; (4)进而通过思考和对话影
响到行动, 一致的认识就能促进一致的行动。
因此, 可视化管理有利于实现以下几点: (1)及
时发现问题, 帮助预见未来; (2)使人们不再局限于
面对大量数据, 而是通过视觉产品一目了然地看清
规律与特征; (2)信息共享, 利于各部门的协调组织;
(4)增加问题透明度, 有助于智能决策; (5)源数据的
科学分析, 分析结果清晰地呈现给用户, 提高了决
策支持力度。
1.3 可视化管理对管理者的基本要求
一般来说, 图表化的信息组织和表现形式更符
合中国人的思维与行为方式, 信息表现直观、形象,
而且使用简捷, 没有技能门槛, 不需要了解太多计
算机知识, 减少了相当一部分使用者对使用计算机
技术的恐惧心理与障碍, 有利于管理与决策水平的
提高。但是, 为了提高生产效率, 较好地实施管理可
视化, 管理者应当能够做到: 虚怀若谷、谦虚谨慎;
出现错误、坦诚承认; 眼见为实、避免错觉; 依靠科
技、提高可视力。
1.4 精准农业中的可视化管理
美国明尼苏达大学土壤、水和气候系(美国精准
农业发源地)主任、美籍华人陈惠贤先生在接待中国
上海考察团时特别强调: “……精准农业的核心思
想是管理, 是提高农业田间管理水平, 使农业生产
从定性农业向定量农业方向发展。在空间上, 把农
田细化为每一个尽可能小的田块; 在时间上, 分析
农田每一田块的各种因素随季、年变化的规律, 在
此基础上, 按照每一田块的具体条件, 合理施肥和
耕作”。
具有可视化管理功能的新型精准农业技术体系
保证了人眼不能直观看到的对象可以通过采用多种
监测、检测或测量设备获得真实的数据, 或者获得
模拟量再经过数模转换装置转换为数字形式, 进而
实现计算机存储和管理, 并通过智能化方法或模型
第 1期 梁启章等: 双山基地新型精准农业“可视化管理”初步实践与展望 207


提炼出有用的信息, 而后使用可视化手段转换为各
种形式的可视化产品, 例如运用二/三维定位、标注、
挂标示牌、制表、制图等方法, 生产出“文字的、数
字的、图表或图形、图像或组合形式的”各种可视
化产品, 还可通过互联网(包括虚拟局域网)或无线
网实现远距离传输或共享, 从而为实施精准化管理
提供了精确的信息基础和可视化管理平台。
2 双山基地新型精准农业可视化管理平台
构成
为了做好位于东北双山基地的新型精准农业技
术集成与示范工作, 实施可视化管理显得十分重要,
其核心目标是要利用高新技术的集成来挖掘可视力,
实现既定性又定量、定位地可视化, 一目了然地看
清作物生长过程中所出现的各种问题 , 例如出苗
率、土壤水分、病虫害、长势、肥力、成熟度等, 就
有可能及时地采取精确措施, 实施变量作业, 达到提
高作物产量和品质, 降低成本和保护环境的目标。
双山基地的“新型精准农业技术集成与示范”
项目的可视化管理平台建立在数字化、智能化、信
息化及其可视化基础上, 充分利用了 GIS、RS、GPS、
VISS(智能视频监控系统)等信息获取技术(变看不见
为看得见 ), 以及 Wire(有线 )、Wireless(无线 )、
TOIS(物联网)等信息传输和共享技术 , 以及 MIS、
IS(智能系统)、DSS等可视化管理技术。与传统的管
理方法比较, 可视化管理的内涵和功能已经发生了
深刻变化和巨大进步。
双山基地的“新型精准农业技术集成与示范”
项目的可视化管理平台预计可建成卫星遥感数据作
物识别系统、航空农用遥感实验系统、近地面农田
视频监测系统(固定和移动云台)、农田信息采集系
统、小型气象站观测系统, 从而首次完成了服务于
新型精准农业技术体系的天、空、地农田监测体系。
同时通过农田视频人工解译、可视化机械作业进程
管理、可视化种植规划与年度计划自动化编制、近
地面农田视频监测的精确定位与可视化、卫星数据
解译结果的可视化等, 可为今后实现智能化决策、
变量作业和进一步完善可视化管理提供了可靠的数
据基础(图 1)。
现已建成的双山基地可视化管理演示平台运行
在统一的软硬件环境下, 初步实现了以下功能: (1)
近地面高架云台实现了可见光条件下的连续监测 ,
大屏幕地图上可以看到云台运行轨迹, 实时传回作
物视频及其云台参数(经纬度、水平角、倾角、焦距);
操作人员通过特制的界面可以任意指定监测位置、
调整焦距、放大或缩小视频范围, 保证屏幕上的作
物视频清晰度; 该系统接收每一帧视频后, 连同参
数一起存入预先设计的数据库中, 留待随时查询和
视频识别研究。(2)移动车载云台监测系统, 实际上
是一个应急反映系统, 指挥员或助手可以应急外出
到制定地点 , 实时传回车辆运行轨迹和周边视频 ,
指挥中心与前方车辆始终保持视频与语音联系, 实
现了前后台互动。(3)卫星数据分析系统可以定期从
卫星数据中提取作物长势、水分、肥力、成熟度等
空间分布信息。(4)低空视频监测系统实现了无人遥
控、按指定路线飞行或指挥中心遥控飞行路径, 超
越障碍物, 实时传回农田视频等功能。(5)小型气象
站实现了连续自动地观测近地面的风力、风向、雨
量、气压等数据, 经过存储后的数据可以用来研究
作物长势和产量的气象因子影响。(6)综合性农业数
据库已经拥有 GPS精准定位的田块数据与基础地理
数据, 从而提供了监测结果的精确匹配。(7)年度计
划编制系统实现了自动编制与交互修改相结合的可
视化方式, 极大地提高了工作效率。(8)拖拉机作业
进程管理系统实现了作业进程轨迹与作业量监管 ,
只要拖拉机进入田块内部, 拖拉机手的手机上立即
显示作业指令, 例如田块号、播种密度或施肥量等。
总之, 上述系统的正常运行可为实施精准化管理提
供了实时、精准的各种参数, 同时, 初步实现了全程
可视化管理, 确保指挥中心与拖拉机作业现场始终
保持实时视频联系, 充分显示了机械化作业时可视
化管理模式的巨大潜力。
3 “管理可视化”应用的其他案例
3.1 可视化农业专家咨询系统(服务于作物栽培)[4]
服务于作物栽培的可视化农业专家咨询系统拥
有丰富的农业专家知识和知识推理模型, 同时充分
采集并利用每一生长阶段的作物视频作为参照物 ,
提供图文并茂的咨询方法, 十分适合于向普通农民
提供咨询服务。但是, 该系统的建设是一个非常复
杂的智能化过程, 首先需通过与当地农业专家合作,
搜集、分析、消化、总结现有的成熟农业知识和新
近急需推广的农业新技术, 建立当地要求的主要作
物品种的有关良种选择、施肥方案、病虫草害综合
防治、栽培管理等专家知识库, 并不断加以修改和
完善。在此基础上, 应用专家系统开发工具(拥有自
主知识产权的“雄风 3.2”和“雄风 4.0”), 开发成多
种作物的生产管理专家咨询系统。此开发工具采用了
“知识架+对象块”的知识表示技术, 集成多种知识
的表示方法为一体, 如规则型、运算型、描述型、不
确定型、多媒体型知识以及 CBR、神经网络等多种
知识的表达; 采用了面向对象等的多种技术, 很好地
解决了在集成知识环境中多种知识的表示问题。
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图 1 双山基地精准农业可视化管理平台构成
Fig. 1 Composition of Visual Management platform for precision farming in Shuangshan Base

3.2 可视化多目标决策支持系统(服务于农业结构
优化和规划/计划编制)[4]
种植业结构优化是区域种植业发展规划 /计划
编制中的首要问题。通常情况下, 首先要确保粮食
生产发展计划指标, 同时要大力发展经济作物, 才
能达到增加经济收益, 提高人民生活水平的目标。
因此, 种植面积结构优化(变量)的评估方法是一个
多目标问题, 首先提出了确保粮食产量, 提高经济
收益, 力争总收入、产投比、人均收入最大化等多
个目标, 同时受到资源、投入和价格等多个条件的
限制 , 包括不同作物单产模型(投入 /产出)的制约 ,
以及不同耕地类型及其复种指数等限制, 还要考虑
当地居民的风俗习惯对粮食品种的爱好等。通过种
植业用地结构优化可以获得不同作物的最佳种植面
积, 从而可以编制种植业长远发展规划或年度生产
计划, 产生不同目标权重条件下的多个规划/计划方
案, 并采取综合评估指标体系来评价其逼近期望目
标的程度, 供管理者选择决策。上述系统采用对弈
式可视化方法和交互决策技术, 完全保证了具有较
少计算机知识的管理者需求。
3.3 可视化生态安全调控系统
生态安全调控与优化涉及农业系统、环境系统
和社会经济系统的各个方面, 是一个多层次复杂系
统, 必须用系统的思想和方法纵观全局, 统筹兼顾,
以保持各系统、子系统的协调发展, 促进生态环境
良性循环和实现总体效益最佳。
第 1期 梁启章等: 双山基地新型精准农业“可视化管理”初步实践与展望 209


以西双版纳的生态安全可视化调控为例, 首先
建立系统动力学(SD)模型, 确定系统的边界; 进而
确立由人口、资源开发、经济发展、生态环境等组
成的模型子系统; 第三步是进行系统的因果关系分
析, 形成一系列正/负反馈的“反馈环”; 第四步建
立多层次、多节点、多回路的网络图, 展现 SD模型
调控各种实物流和信息流的过程; 第五步进行模型
验证分析; 最后进行能够可视化的西双版纳生态经
济系统模拟, 确立西双版纳生态调控方案设计。生
态安全调控方案有 3个, 分别是:
方案 1: 经济模式, 以经济效益为主, 生态效益
和社会效益为辅, 属于经济高效型方案。它充分考
虑了西双版纳未来市场经济发展较快、人口增长的
社会经济条件。按目前自然演化的方向发展, 人口
增长率基本保持不变, 通过历史拟合, 耕地、草地、
橡胶园面积分别以 0.9%、1.0%、1.4%的年平均率增
加, 林地以 2%的平均速度减少。作物单产量以 2000
年平均产量为标准, 人口增长率取 1.46%。仿真模拟
2030年西双版纳各社会经济指标和生态指标。
方案 2: 协调模式。以人类对生态的需求为出发
点, 适当放慢经济的发展速度。在现有人口生育政
策条件下, 将人口增长率控制在 1.13%, 根据西双
版纳经济发展速度逐步控制占用林地的比例, 林地
年平均减少率控制 1.0%, 耕地、草地、橡胶园地的
增长率分别控制在 0.6%、0.9%、0.9%。模拟得出经
济与生态协调发展情况下的各指标值。
方案 3: 生态模式。以生态环境效益为主, 其
他效益为辅, 此方案属于生态优先型方案。加大进
行退耕还林、还草的比例, 控制人口发展和橡胶加
工业, 相对放慢经济发展速度。在模拟过程中人口
增长率取 1.0%, 林地、耕地、草地、橡胶园面积分
别以 0.1%、0.9%、1.0%、1.4%的年平均率增加, 模
拟得出在生态模式下西双版纳社会、经济与生态指
标值。
研究分析表明, 按照方案 1, 维持现状进行发展,
到 2030 年西双版纳人口总数为 132.76 万人, 人均
GDP为 3.5万元, 森林覆盖率达到 28.4%, 农药施用
量为 0.4 t。在取得经济效益的同时生态环境将受到
严重地破坏, 按照这样的方式发展将威胁到区域的
生态安全, 是不可取的方案。
按照方案 2, 在发展经济的同时, 兼顾生态环境
的保护, 到 2030年西双版纳人口总数为 113.29万人,
人均 GDP 为 1.38 万元, 森林覆盖率达到 67.3%, 农
药施用量为 0.35 t。既取得经济效益又保护了生态环
境, 可实现生态效益与经济效益统一的目标。
按照方案 3, 以保护生态环境为主要目标, 将经
济发展作为第二发展目标。到 2030年西双版纳人口
总数为 108.35万人, 人均 GDP为 0.62万元, 森林覆
盖率达到 80.6%, 农药施用量为 0.29 t。从生态安全
角度讲, 方案 3优于上面 2种方案, 方案 3为西双版
纳生态环境建设发展规划的最佳可选方案。
因此, 西双版纳生态安全的调控可采取以下措
施: 继续天然林资源保护工程, 加大坡耕地治理和
退耕还林工程实施力度, 控制经济林比重, 提高森
林生态效能, 积极发展生态农业。
3.4 可视化林火识别报警系统
基于 GIS 的森林防扑火系统, 以实现森林火灾
的动态监测、快速定位和及时扑救为目标。该系统
采用卫星遥感、航空遥感和近地面云台观测 3 种技
术, 组成了大、中、小 3 个尺度的立体监测体系。
其中卫星遥感采用 MODIS 影像的热红外光谱识别
火点, 近地面监测采用可见光视频的识别报警技术
和空间定位技术。该系统在井冈山重点林区的森林
火灾自动监测和报警中发挥了重要作用(图 2)。


图 2 井冈山林火自动监控系统功能结构
Fig. 2 Function structure of forest fires monitoring system in Jinggangshan Area
210 中国生态农业学报 2011 第 19卷


林火识别报警系统是林业防扑火信息系统的一
个子系统。目标是自动接收来自林火监测子系统的
图片(图像), 进而根据图像上的信息自动判断是否
起火 , 并向监测人员首次报警; 之后 , 锁定图像扫
描目标和范围, 利用 GIS 和网络技术实现林火信息
的浏览、交互识别、跟踪漫游、搜索、匹配定位、
智能判断、信息传输等一系列操作, 最后做出确定
的林火报警(有或无)。另外, 还能够对支撑监控 CCD
摄像机的云台运行姿态进行定期校正(即归位校正),
以保持系统的监控精度。
4 展望
4.1 可视化管理的能力分析
如果企业的可视化管理实现了以下目标: (1)让
企业存在的问题显示出来; (2)管理人员能够直接接
触到现场的事实; (3)保持现场整洁有序; (4)作业标
准张贴在需要的地方; (5)期望目标清晰化。那么, 就
能够显著提高企业管理效率, 包括: 提高监控能力,
确保想看到的对象能够定质、定量、定位等可视化;
提高可视能力, 通过适当的可视化方法提高可视能
力; 提高合力 , 大家同时看到可视产品 , 就能加速
提高整体战斗力; 提高调度能力, 管理者依靠可视
化系统可以提高调度能力; 提高应急能力, 指挥者
依靠可视化系统可以提高应急反映能力; 提高运行
能力, 依靠完整有序的可视化系统, 一定能够提高
企业的运行能力。从而可以全面提高企业的科学管
理和指挥决策水平。
4.2 可视化管理应用于精准农业的展望
双山基地将逐步实施完整的可视化管理方法 ,
以促进已有的机械化作业和信息农业、智能农业、
绿色农业以及农业物联网的有机结合。这种新型精
准农业模式首先着眼于改变目前的粗放种植为精细
变量作业, 并在变量作业实施同时采用缓释或控释
肥料以及生物农药等绿色农业技术, 不仅可减少化
肥和农药用量, 而且有可能逐步过渡到完全使用无
害肥料和农药来替代化肥和农药; 同时还逐步采用
节水农业技术、推广优良品种, 实施农业生态环境
调控措施, 从而可逐步摆脱大田作物“靠天吃饭”的
脆弱状态; 还将创造条件发展农业物联网以促进品
牌效益和市场交易; 研究可视化物流优化方案, 以
增加对国家粮食安全的直接贡献; 以及推广农业信
息可视化服务, 以起到富国安民的效果等。总之, 新
型精准农业模式通过全程可视化管理, 可以加速大
马力机械+科学种田的期望目标的实现 , 促进大田
作物的产量翻番和品质改进及其可持续发展, 同时,
将充分展示出现代化大农业中的可视化管理的优越
性和效率。可以预见, 未来的“双山模式”将可以
逐步推广到其他类似地区, 产生更多的经济、 社会
与生态综合效益。
参考文献
[1] 郭丽莎. 可视化管理在全面管理中的应用[EB/OLJ]. 20080925.
http://www.tobaccochina.com/management/epmanage/produce/
20089/200892381315_324559.shtml
[2] 远藤功. 可视力——实现可视化管理的 5 种方法[M]. 林琳,
译. 北京: 中信出版社, 2007
[3] 大野耐一 . 大野耐一的现场管理[M]. 崔柳 , 译 . 北京: 机
械工业出版社, 2006
[4] 梁启章. 农业专家决策支持系统[M]. 北京: 中国科技出版
社, 2000