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及時章 數字農業與應用

21世紀以來 ,數字農業已成為農業現代化最重要的發展領域之一 ,而如何實現農業產前?產中?產后全過程管理決策的信息化是實現數字農業亟待解決的問題 .綜合利用農業專家系統?作物模擬模型與決策支持系統?"3S "技術?虛擬農業技術等數字農業技術 ,開展不同時空條件下的農業資源環境監測?農業生產管理決策?優化肥水運籌?綜合病蟲害管理等農事活動 ,可以極大地提高區域農業系統動態預測和管理決策的科學性與定量化水平 ,對農業增產?農民增收和農業生態文明的發展具有重要意義 .本章在總結已有數字農業概念的基礎上 ,結合作者在數字農業方面所做的工作及其理解,對數字農業的概念進行了重新定義 ,概述了數字農業的主要內容及技術體系 ,并對數字農業涉及的關鍵技術及應用情況進行了分析和概述 .

及時節 數字農業的作用

一?數字農業的含義

(一)數字農業的概念

數字農業是繼數字地球概念以后 ,基于數字地球技術在農業上的應用而提出的技術思想 ,其概念的外延應涵蓋 "信息農業 "?"精準農業 "?"虛擬農業 "等概念的所有內容 .關于數字農業的概念 ,最早是由美國國家科學院?美國國家工程院兩院院士于1997年提出的 ,認為數字農業是指在地學空間和信息技術支撐下的集約化和信息化的農業技術.1998年,時任美國副總統戈爾再次將其定義為 ,數字地球與智能農機技術相結合產生的農業生產和管理技術 .隨著國內對農業信息技術研究的深入 ,越來越多的專家學者都紛紛給數字農業賦予各自的定義 .例如 ,唐世浩等 (2002 )認為 ,數字農業是以農業生產數字化為特色的農業 ,是數字驅動的農業 ,其主要目標是建成融數據采集?數字傳輸網絡?數據分析處理和數控農業機械為一體的數字驅動的農業生產管理體系 .陳立平等(2004 )認為 ,數字農業是以現代信息技術和農業工程技術為支撐 ,用數字化技術對農業所涉及的對象和全過程進行數字化和可視化的表達與設計?控制與管理的現代農業高新技術體系 ,是一種全新的農業生產方式 .梁勇和穆玉閣 (2005 )認為 ,數字農業是以計算機?多媒體技術和大規模存儲技術為基礎 ,以寬帶網絡為紐帶 ,以海量農業信息為對象,運用 "3S "技術對農業進行多分辨率?多尺度?多時空和多維空間的描述 ,使之較大限度地為人類的生存?可持續發展等服務 .李樹君 (2008 )則從數字地球的角度提出 ,數字農業是在數字地球技術的框架下 ,以有關標準和規范為指導 ,以各種信息獲取技術為支撐 ,運用計算機網絡技術和通信技術實現數據獲取的自動化 ,解決海量數據的存儲與分析問題 ,實現數據的網絡化?預測決策的智能化 ,最終實現農業的信息化 .農

業詞典中從理論上對數字農業的定義是 :將遙感?地理信息系統?全球定位系統?計算

機技術?通信和網絡技術?自動化技術等高新技術與地理學?農學?生態學?植物生理

學?土壤學等基礎學科有機地結合起來 ,實現在農業生產過程中對農作物?土壤從宏觀

到微觀的實時監測 ,以實現對農作物生長?發育狀況?病蟲害?水肥狀況以及相應的環

境進行定期獲取信息 ,生成動態空間信息系統 ,對農業生產中的現象?過程進行模擬 ,

達到合理利用農業資源?降低生產成本?改善生態環境?提高農作物產品和質量的

目的 .

結合以往圍繞數字農業所做的工作 ,我們認為數字農業是以大田耕作為基礎 ,應用 "3S "技術?農業模擬技術?決策支持技術?計算機技術等高新技術 ,對農業生產所涉及的對象和全過程進行數字化的表達?設計?控制和管理 ,進而實現對農業產前?產中?產后每個生產關鍵環節的數字化?智能化和信息化 .它可以定位到每一塊土地 ,使每一寸土地都得到化使用 ,可以對農作物?土壤狀況實現從宏觀到微觀的監測預測,是對農作物生長發育狀況以及環境要素的現狀和動態進行分析?診斷?預測以及對各類耕作措施和管理方案進行決策支持的農業技術系統 .

(二)數字農業的主要內容

數字農業是農業信息化的核心 ,也是農業信息化的較高表現形式 ,重點是對農業生產對象進行全過程數字化的表達與設計?控制與管理 .因此 ,數字農業的內容應包括產前?產中和產后等各個農業生產環節的關鍵技術的數字化 .

1..產前決策的數字化

主要包括農業生產產前生產資料的購置?產前基礎農情信息的獲取?農作物種子與化肥的定制?優化種植方案 (適宜播種期?播種量的確定等 )的推薦等 .

2..產中管理的數字化

主要包括農作物生長發育狀況的預測?土壤水分狀況與農田環境因素的實時監測?農作物長勢與營養的實時診斷?農田肥水運籌與調控?農作物病蟲為害的發生與綜合防治的實時決策等 .

3..產后服務的數字化

主要包括農作物收獲期的確定?作物產量的實時測報?農業機械的跨區調度?農副產品供求信息的和交易等 .

(三)數字農業的技術體系

數字農業是一門集農業科學?地球科學?信息科學?計算機科學?數字通信和環境科學等多學科理論于一體的現代科學體系 .自20世紀70年代中后期發展至今 ,數字農業的技術體系已基本形成 .主要包括農業專家系統?農業模擬模型及決策支持系統?地理信息系統?遙感技術?全球定位系統?虛擬農業技術和物聯網技術等 .其中 ,農業模擬模型是數字農業的核心技術 ,它將各種農業過程的內在規律與外在關系用數學模型表達出來 ,對農業生產中的現象和過程進行模擬 ,是實現不同農業階段數字技術連接的紐帶;決策支持與專家系統是數字農業的基礎技術 ,為農業生產管理提供決策方案和支持;"3S "技術是數字農業的重要技術 ,通過對各類空間信息進行定位?收集?存儲?統計分析和管理 ,為農業生產各個環節提供服務 ,也是數字農業的基礎和核心 ;虛擬農業技術是虛擬現實技術向農業領域的延伸和發展 ,體現了可視化技術與數字模型的高度集成 ,具有滿足對農業進行多方位數字化設計與調控需求的潛力 .上述技術的不斷發展與完善 ,推動著數字農業向前發展 .圖1G1為數字農業主要技術支撐與應用 .

圖1G1 數字農業主要技術支撐與應用

二?數字農業的作用

數字農業作為國民經濟和社會信息化以及 "數字地球 "的重要內容 ,已成為我國實現農業現代化的重要支撐性技術 ,對于提升農業管理決策?提高農業現代化水平以及實現農業的可持續發展具有重要的作用和意義 .

(一)為農業生產管理提供信息支撐 ,提高決策支持水平

數字農業是基于農業專家系統?農業模擬模型與決策支持技術?"3S "技術?虛擬現實技術等先進科學技術 ,通過建立農業信息資源數據庫 ,研發農業信息服務系統?農業決策支持系統等信息服務系統 ,可以對農業生產提供輔助決策支持 .例如 ,農業資源與環境的綜合評價分析?農業信息的綜合分析?農業生產中的災害風險評估等 ,在調用數據庫中的基礎信息和動態監測信息前提下 ,利用信息系統的分析?優化?模擬?預測和評價等功能 ,可以為農業生產管理者提供快速便捷的分析手段和優化方案 ,提高管理部門的決策支持水平 ,加速農業信息化進程 .

(二)促進傳統農業向現代農業的轉變 ,提高農業現代化水平

數字農業可以有效促進現代信息技術與傳統農業的有機融合 ,對我國農業生產?信息服務以及農業資源環境等整個領域進行重新設計和改造 ,將極大地加速我國農業現代化的進程 ,促進農業信息化的跨越式發展 ,實現由傳統?粗放和經驗性的產業向智能?精準和數字化方向的現代農業轉變 ,使傳統農業發生革命性的變化 .數字農業保持了與我國精耕細作傳統的親和性 ,其本質也是一種精耕細作型農業 ,但又與傳統的精耕細作農業不同 ,傳統的精耕細作農業是建立在世代相傳的經驗基礎之上 ,是一種在經驗指導下的精耕細作型農業 .而數字農業是建立在現代科學技術基礎之上 ,是在一系列近期科技成果指導下更高層次的精耕細作型農業 ,它能有效緩解我國人多地少的矛盾 ,較大限度地節約資源 ,提高資源利用效率 ,對實現農業增產和生態文明具有重要的現實意義 .

(三)促進我國農業的可持續發展

近年來 ,隨著我國經濟的不斷發展 ,農業環境資源污染與破壞也越來越嚴重 ,給我國經濟和農業的持續發展帶來不利影響 .數字農業的實施 ,實現了農業生產的定量化?區域化和時效化 ,使農業生產過程的管理更具有針對性 ,實現作物技術經濟環境的有機統一 ,使農業發展與農業環境資源治理得到更合理的協調 .農業遙感?地理信息系統與農業模型技術的結合 ,將使我國對農業環境資源的動態監測工作更為完善 ,各種環境污染與破壞的情況將能得到更及時的發現與制止 .依靠物聯網?互聯網與數據庫等信息化技術 ,各級農業行政部門對農業環境資源數據?農產品生產數據和市場價格數據等更及時地掌控和了解 ,從而及時地制定或調整政策與對策 ,使我國農業沿著最合理的方向可持續發展 .

第二節 數字農業關鍵技術與應用

現代科學技術的發展 ,尤其是農業專家系統?農業模擬模型?農業決策支持系統?地理信息系統?遙感?虛擬農業等技術的快速發展為數字農業的實現提供強有力的技術支撐 .本節主要介紹數字農業各項技術的相關概念及應用領域 ,旨在使讀者對這些技術的基礎概念及應用發展情況有所了解和掌握 .

一?農業專家系統

(一)農業專家系統概念

專家系統是一個運用知識進行推理的計算機程序 .推理就是使用某種符號邏輯 ,從一些事實得到結論的過程 ;從功能上講 ,可以把專家系統定義為 "一個智能程序 ,它能對那些需要專家才能解決的應用難題提供專家水平的答案 ";從結構上講 ,可以把專家系統定義為 "由一個專門領域的知識庫 ,以及一個能獲取和運用知識的機構構成的一個問題求解系統 ".總之 ,專家系統是一個智能程序系統 ,在這個系統中有大量?高水平領域專家的知識 ,有領域專家解決問題的思維方法 .專家系統所處理的問題是依據已積累的知識來求得問題解答 ,一般沒有的數學公式來表達 ,這就是專家系統與 "一般問題求解 "方法的不同之處 .

農業是一個極其復雜的系統 ,在作物生產中存在大量隨機的?模糊的不確定因素 ,同時各因素對農業生產的作用是復雜的?耦合的 ,很難用傳統的數學模型來表示 .農業專家系統是一個具有大量農業專家知識與經驗的計算機程序系統 ,它應用人工智能技術,根據一個或多個農業專家提供的特殊領域知識?經驗進行推理和判斷 ,像人類專家一樣解決農業中的復雜問題并進行決策 .

(二)農業專家系統應用

農業專家系統從產生到現在已有40余年的歷史 ,其應用涉及不同的領域和方面 .

1..作物育種與知識管理

中國農業科學院作物科學研究所趙雙寧等 (1992 )研制開發了 "冬小麥新品種選育專家系統 ",應用20世紀70年代親本材料進行測試 ,其結果表明 ,測試結果與當年實際組配的雜交組合極為相似 ,"冬小麥新品種選育專家系統 "具有再現著名育種家經驗的功能.自此以后 ,該系統被廣泛應用于地區級以上小麥育種單位的工作和農業大專院校的育種教學之中 ,成為育種工作者和育種教學者的好幫手 .它可協助育種工作者更合理地進行親本選配 ,組織配置 ,后代處理和選擇 ,減少了育種過程的盲目性 ,減輕浩繁的事務,提高了工作效率和育種效果 ;同時應用該系統可對青年育種工作者進行知識培訓 ,對繼承?傳播?發展著名育種家經驗 ,提高作物育種水平具有一定的推動作用 .

2..作物灌溉與水分管理

作物灌溉與管理主要是對作物進行合理灌排 ,優化水分管理與作物產量的關系 .中國科學院?水利部水土保持研究所于2001年研制開發了旱地作物需水量預報決策輔助系統 .汪志農等 (2001 )在節水灌溉管理決策專家系統研究中 ,采用雄風3..1專家系統開發工具結合生產實際 ,分別建立了灌溉預報與節水灌溉決策?灌溉管理體制改革和山西旱情決策3個專家系統 ,取得良好的社會效益 .這些灌溉管理專家系統的研發對作物高產和農田水分管理發揮著積極作用 .

3..作物施肥與養分管理

作物施肥與養分管理主要是指優化農田肥料用量?使用時期與作物產量和品質的關系.1985年,中國科學院合肥智能機械研究所與安徽農業科學院土壤肥料研究所合作開發了 "砂姜黑