依托智能管理技術(shù) 提高玉米生產(chǎn)能力

姚玉霞+張蕓+劉曉彥+隋慶茹+韓智慧

摘要：本文研究吉林玉米生產(chǎn)中需要的現(xiàn)代化信息技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)（Web GIS）技術(shù)和可數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，結(jié)合不確定性推理技術(shù)，針對(duì)吉林省玉米生產(chǎn)的情況，充分考慮引起玉米病蟲(chóng)害發(fā)生的因素及不確定性，將地理信息系統(tǒng)、專(zhuān)業(yè)知識(shí)、農(nóng)民經(jīng)驗(yàn)和可視化有機(jī)結(jié)合，研究玉米智能專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行推廣，在吉林省部分地區(qū)的應(yīng)用中取得了良好效果。

關(guān)鍵詞：玉米;WebGIS計(jì)算機(jī)技術(shù);智能系統(tǒng)

基金項(xiàng)目：吉林省教育廳，編號(hào)：吉教科驗(yàn)字〔2014〕 625 號(hào)

中圖分類(lèi)號(hào)： ?F323.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ?A ? ? ? ? ? ? ? DOI編號(hào)： ? 10.14025/j.cnki.jlny.2016.24.010

吉林省是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大省和重要的商品糧基地，開(kāi)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的研究是提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、適應(yīng)市場(chǎng)和提高農(nóng)產(chǎn)品國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)知識(shí)、信息和技術(shù)的傳播與控制的潛能，依托現(xiàn)有的信息基礎(chǔ)設(shè)施和工作基礎(chǔ)，依靠權(quán)威農(nóng)業(yè)專(zhuān)家和計(jì)算機(jī)專(zhuān)家的緊密結(jié)合，獲取權(quán)威領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí);利用專(zhuān)家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)和各種智能化信息服務(wù)工具，研制開(kāi)發(fā)吉林省玉米生產(chǎn)智能專(zhuān)家系統(tǒng);配合農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣部門(mén)，組織開(kāi)展智能系統(tǒng)的培訓(xùn)和示范推廣工作;促進(jìn)吉林省農(nóng)業(yè)信息化進(jìn)程，從根本上實(shí)現(xiàn)“智能吉林”的宏偉目標(biāo)。通過(guò)實(shí)施農(nóng)業(yè)信息化的工程，力爭(zhēng)使吉林省農(nóng)業(yè)科技的基礎(chǔ)設(shè)施得到進(jìn)一步加強(qiáng);農(nóng)業(yè)科技研究與推廣隊(duì)伍的力量得到充實(shí)，人員素質(zhì)得到進(jìn)一步提高;農(nóng)業(yè)技術(shù)、知識(shí)、信息、成果的傳播體系逐步建立;農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平得到全面提高，用農(nóng)業(yè)信息化帶動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。

1 研究技術(shù)內(nèi)容的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

智能農(nóng)業(yè)在國(guó)外始于20世紀(jì)80年代，國(guó)外的智能農(nóng)作在實(shí)踐過(guò)程中已經(jīng)獲得較好的效果，尤其是美國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)家智能農(nóng)作在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已得到較廣泛的應(yīng)用，并且許多成熟的技術(shù)已經(jīng)形成;智能農(nóng)業(yè)在歐洲同樣得到較好的發(fā)展，農(nóng)民采用全面基于空間技術(shù)和處理水平的精確農(nóng)作技術(shù)，包括自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和集成MIS/DSS技術(shù)。不僅西方國(guó)家對(duì)智能農(nóng)業(yè)的技術(shù)實(shí)踐引起重視，在日本、韓國(guó)、巴西、馬來(lái)西亞等國(guó)也開(kāi)始了實(shí)驗(yàn)示范研究[1]。

目前，農(nóng)業(yè)信息技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)已貫穿于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后全過(guò)程。積極發(fā)展農(nóng)業(yè)信息技術(shù)，是我國(guó)農(nóng)業(yè)迎接知識(shí)經(jīng)濟(jì)的挑戰(zhàn)和推動(dòng)新的農(nóng)業(yè)科技革命的重大舉措。研制相關(guān)的吉林玉米專(zhuān)家智能系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，向玉米的生產(chǎn)管理者、生產(chǎn)技術(shù)推廣人員、加工銷(xiāo)售企業(yè)、生產(chǎn)經(jīng)紀(jì)人和廣大農(nóng)民用戶(hù)提供玉米經(jīng)濟(jì)科技信息服務(wù)，為農(nóng)民的遠(yuǎn)程教育和大面積培訓(xùn)奠定基礎(chǔ)。

2 研究的主要內(nèi)容與方法

對(duì)農(nóng)業(yè)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集和整理，針對(duì)示范基地實(shí)際情況，進(jìn)行必要的玉米知識(shí)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取、整理。從深度和廣度上補(bǔ)充和建立專(zhuān)家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和模型庫(kù)，重點(diǎn)研究示范吉林玉米規(guī)范化栽培技術(shù)，從效益出發(fā)研究示范大面積玉米優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)品種選擇、合理施肥、適宜密度等栽培技術(shù)體系;積極與示范區(qū)當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門(mén)協(xié)作，開(kāi)展培訓(xùn)工作。重點(diǎn)培養(yǎng)示范基地農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣人員和微機(jī)操作員，積極幫助示范區(qū)建立一支應(yīng)用智能化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的骨干隊(duì)伍。

主要內(nèi)容：首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)庫(kù)的完善。玉米生產(chǎn)數(shù)據(jù)存在著復(fù)雜而多變的情況。一是數(shù)據(jù)來(lái)源存在多樣性。從來(lái)源手段上來(lái)看，有調(diào)查數(shù)據(jù)，有化驗(yàn)數(shù)據(jù)，有檢測(cè)數(shù)據(jù);從來(lái)源種類(lèi)上來(lái)看，有田間生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，有土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，有病蟲(chóng)草害數(shù)據(jù)等;二是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)存在異構(gòu)性，大部分?jǐn)?shù)據(jù)都存儲(chǔ)在Excel表格中、word文檔中，不便于建立聯(lián)系和進(jìn)行深層次的分析[2];三是已經(jīng)建立的部分玉米數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)由于建立時(shí)沒(méi)有遵循軟件工程和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)原理，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)中存在大量的冗余及不一致現(xiàn)象。為了解決以上問(wèn)題，我們提出按軟件工程方法建立一個(gè)規(guī)范化的數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)玉米蟲(chóng)害、草害與產(chǎn)量關(guān)系的試驗(yàn)，收集整理玉米苗期和成熟期等玉米生長(zhǎng)性狀指標(biāo)的數(shù)據(jù)、玉米病蟲(chóng)草害發(fā)生程度的數(shù)據(jù)，完善了玉米病蟲(chóng)草害診治的數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)，建立了基于框架表示的玉米病蟲(chóng)草害診治模型;利用ArcGIS軟件繪制了玉米作物精準(zhǔn)作業(yè)系統(tǒng)中核心技術(shù)示范區(qū)和輻射推廣區(qū)的土壤養(yǎng)分空間變異圖，并分析了土壤分異規(guī)律及其影響因素，通過(guò)黑土區(qū)大量田間試驗(yàn)，應(yīng)用肥料效應(yīng)函數(shù)法，在明確土壤肥力基礎(chǔ)上，采用智能技術(shù)進(jìn)行施肥，節(jié)省肥料用量，降低玉米生產(chǎn)成本，提高化肥利用率，減少過(guò)量施肥對(duì)環(huán)境造成的污染，經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益都十分顯著。

研究方法：首先進(jìn)行知識(shí)獲取、知識(shí)表示與知識(shí)庫(kù)的建立。以農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)成果整理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、實(shí)用性為基礎(chǔ)，是建立合理、豐富的知識(shí)庫(kù)。采用產(chǎn)生式規(guī)則、案例表示、框架表示和面向?qū)ο笙嘟Y(jié)合的知識(shí)表示方法，以提高系統(tǒng)的智能化程度[3]。作物生產(chǎn)中涉及品種、土壤、環(huán)境、氣象等諸多因素的影響，不確定因素較多，各種生長(zhǎng)因素間的相互作用、相互制約的關(guān)系用數(shù)學(xué)模型加以抽象描述較難，且需要大量實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)積累，建立適宜的模型庫(kù)，進(jìn)行上述模型與不確定性推理技術(shù)相結(jié)合的研究，以提高系統(tǒng)的推理質(zhì)量和推理效率;智能系統(tǒng)采用信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)集成，重點(diǎn)突出系統(tǒng)的智能化和決策化功能，集成ES技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、軟構(gòu)件技術(shù)、超文本技術(shù)、不確定性推理方法和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研制智能化程度高、推理準(zhǔn)確，人機(jī)界面友好、適用性強(qiáng)，易于廣大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理者、農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣人員和廣大農(nóng)民用戶(hù)使用的智能系統(tǒng)和信息系統(tǒng)。

3 關(guān)鍵技術(shù)采用與技術(shù)路線實(shí)施

3.1關(guān)鍵技術(shù)思維采用

在專(zhuān)家系統(tǒng)研制工作中，進(jìn)行了GIS技術(shù)、GPS技術(shù)、專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、多媒體技術(shù)、軟構(gòu)件技術(shù)和平臺(tái)技術(shù)等技術(shù)應(yīng)用。在玉米生產(chǎn)智能系統(tǒng)中采用了軟構(gòu)件技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)操作技術(shù)，成功地解決了與其他系統(tǒng)的鏈接，同時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的多媒體課件的制作，作為專(zhuān)家系統(tǒng)軟件推廣應(yīng)用的輔助。

3.2 技術(shù)路線實(shí)施

依托現(xiàn)有的信息基礎(chǔ)設(shè)施和工作基礎(chǔ)，依靠權(quán)威計(jì)算機(jī)專(zhuān)家和農(nóng)業(yè)專(zhuān)家的相互配合，嚴(yán)格按照計(jì)劃進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)主題制定的系統(tǒng)規(guī)范，在已取得的相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，分析國(guó)內(nèi)外有關(guān)的最新研究成果，以提高專(zhuān)家系統(tǒng)的智能化、適用化為核心，以服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后為基礎(chǔ)，以專(zhuān)家系統(tǒng)的規(guī)范化、產(chǎn)品化和商品化為目標(biāo)，研制出適宜吉林省種植區(qū)的專(zhuān)家系統(tǒng)，以加速科技成果轉(zhuǎn)化，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率、增加農(nóng)民收入和實(shí)現(xiàn)軟件的產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)。探索了農(nóng)業(yè)專(zhuān)家知識(shí)獲取的新途徑，在開(kāi)發(fā)專(zhuān)家系統(tǒng)中，知識(shí)獲取是至關(guān)重要的，成功的知識(shí)獲取能夠保證專(zhuān)家系統(tǒng)的推理精度。反之，專(zhuān)家系統(tǒng)可能起不到應(yīng)有的作用。在具體實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)不同的知識(shí)表示形式制定不同的知識(shí)表示模板，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)＜铱梢圆扇?duì)號(hào)入座的方式填入相關(guān)的知識(shí)或數(shù)據(jù)，這就減少了知識(shí)獲取的盲目性，提高了知識(shí)獲取的效率[4]。

4 智能專(zhuān)家系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用

我國(guó)農(nóng)業(yè)目前總體上正處于由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的方向轉(zhuǎn)變的歷史時(shí)期，利用信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)知識(shí)、信息傳播與控制的潛能來(lái)促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，大力發(fā)展實(shí)用和易用的智能化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)，對(duì)提高農(nóng)業(yè)、農(nóng)村和農(nóng)民的現(xiàn)代化水平將起到支撐、引領(lǐng)、先導(dǎo)和決定性作用。吉林省玉米智能專(zhuān)家系統(tǒng)作為一種現(xiàn)代化的載體，對(duì)提高科技成果轉(zhuǎn)化率、提高科學(xué)種田管理水平和廣大農(nóng)民的素質(zhì)所起的作用更是不可低估的。根據(jù)玉米生產(chǎn)的時(shí)空性特點(diǎn)及處理時(shí)空信息的需要，開(kāi)發(fā)了基于WebGIS的玉米智能決策支持系統(tǒng)。以地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把不同空間尺度資料，不同時(shí)段資料和不同格式的資料在統(tǒng)一的坐標(biāo)體系下進(jìn)行高效、有序和集中統(tǒng)一的管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)玉米生產(chǎn)過(guò)程中施肥和噴藥的決策及其他的分析功能。本軟件可以在互聯(lián)網(wǎng)的任意客戶(hù)端查詢(xún)采樣點(diǎn)信息并進(jìn)行決策和分析，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的各個(gè)部門(mén)提供決策的參考信息，為用戶(hù)有針對(duì)性的科學(xué)施肥和合理施藥提供指導(dǎo)[5]。針對(duì)吉林省玉米產(chǎn)區(qū)施肥中存在的主要問(wèn)題，以玉米按品種喜肥特性為核心技術(shù)，示范內(nèi)容包括調(diào)控玉米高產(chǎn)養(yǎng)分限制因子，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分平衡供應(yīng)、劃分玉米吸肥能力等級(jí)，實(shí)現(xiàn)玉米按級(jí)施肥、掌握磷肥后效生統(tǒng)顯著時(shí)期，進(jìn)行減磷肥或隔年減半施磷，合理施用鉀肥技術(shù)。通過(guò)以上技術(shù)的單項(xiàng)與多項(xiàng)集成示范，顯著提高了玉米的化肥利用效率，降低了玉米生產(chǎn)成本，提高了玉米產(chǎn)量和品質(zhì)，減少了過(guò)量施用化肥對(duì)環(huán)境造成的污染。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：姚玉霞，長(zhǎng)春科技學(xué)院，教授，研究方向：計(jì)算機(jī)與應(yīng)用。