淺談農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警時(shí)的科學(xué)問(wèn)題

李 楊，張海峰，劉克寶，王曉楠，王紅蕾，張 宇

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)遙感與信息研究所，黑龍江 哈爾濱 150086）

中國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展水平深受農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警工作影響，二者相輔相成、相互影響。中國(guó)國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)通過(guò)數(shù)十年的發(fā)展、研究，在理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)應(yīng)用等各個(gè)方面均使中國(guó)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警科學(xué)發(fā)展獲得了全新突破，提高了中國(guó)農(nóng)業(yè)管理的科學(xué)性、可靠性，使農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警邁入了信息感知與智能分析的新階段，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)大助力。

1 國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警成果及應(yīng)用

1.1 農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域

由甘肅省氣象局組織開(kāi)展的“中國(guó)西北干旱氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警及減災(zāi)技術(shù)”科研項(xiàng)目，使西北干旱預(yù)測(cè)物理指標(biāo)及干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系得以健全的發(fā)展、完善，并通過(guò)科研攻關(guān)完成了用于農(nóng)田蒸散監(jiān)測(cè)的大型稱重式蒸滲計(jì)的研發(fā)工作，使西北地區(qū)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)干旱的精準(zhǔn)度得到了明顯提升。同時(shí)，該項(xiàng)目成果在國(guó)內(nèi)獲得了科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

1.2 農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域

由中國(guó)農(nóng)科院植保所牽頭組織的“棉鈴蟲區(qū)域性遷飛規(guī)律和監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的研究與應(yīng)用”及“主要農(nóng)業(yè)入侵生物的預(yù)警與監(jiān)控技術(shù)”科研項(xiàng)目，分別實(shí)現(xiàn)了覆蓋中國(guó)棉鈴蟲疫病區(qū)的國(guó)家棉鈴蟲區(qū)域性災(zāi)變預(yù)警技術(shù)體系的構(gòu)建及入侵生物定量風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)的創(chuàng)新。中國(guó)對(duì)棉鈴蟲災(zāi)害的預(yù)警及境外入侵生物的跟蹤監(jiān)控水平有了明顯提高，兩項(xiàng)項(xiàng)目成果在國(guó)內(nèi)均獲得了國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)[1]。

1.3 農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程的精細(xì)化管理領(lǐng)域

由上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院牽頭組織的“土壤作物信息采集與肥水精量實(shí)施關(guān)鍵技術(shù)及裝備”科研項(xiàng)目研究工作，以精準(zhǔn)施肥為研究中心，分別從獲取土壤作物信息、變量施肥耕作等諸多方面打破了西方核心技術(shù)封鎖，項(xiàng)目成果榮獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。由浙大牽頭組織的“植物- 環(huán)境信息快速感知和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)及裝備”項(xiàng)目科研活動(dòng)，分別將農(nóng)田信息快速感知、精準(zhǔn)管控、穩(wěn)定傳輸?shù)热齻€(gè)核心技術(shù)難題攻克，項(xiàng)目成果榮獲國(guó)家科學(xué)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

2 農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警時(shí)的科學(xué)問(wèn)題研究

農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、變化的過(guò)程，監(jiān)測(cè)時(shí)會(huì)受到各種要素的影響，監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中同時(shí)存在基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)與即時(shí)性數(shù)據(jù)，并且各種要素還會(huì)互相影響、彼此糾纏。所以，在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警時(shí)感知不確定狀態(tài)中農(nóng)業(yè)要素具備的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、研究不同數(shù)據(jù)源頭參數(shù)規(guī)律，做好復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)各要素間影響力的糾纏特性的研究及量化，可以為正確理解農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警過(guò)程提供指導(dǎo)和幫助。

2.1 在不確定狀態(tài)中的數(shù)據(jù)感知問(wèn)題研究

感知是獲取農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的主要有效路徑，和農(nóng)業(yè)有關(guān)的大多數(shù)要素信息均具備動(dòng)態(tài)變化的特征，因此，做好農(nóng)業(yè)要素動(dòng)態(tài)變化特征的實(shí)時(shí)感知，便可以將不確定狀態(tài)下農(nóng)業(yè)信息流特征掌握。比如，所謂農(nóng)業(yè)生命信息，即“描述農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)象本身數(shù)字化過(guò)程，屬于監(jiān)管生命個(gè)體的核心根據(jù)，存在典型時(shí)效性特征”。

所謂生命信息智能感知，即“在實(shí)時(shí)感知、記錄動(dòng)植物生長(zhǎng)時(shí)生理、發(fā)育、活動(dòng)等的生物生理數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)光譜技術(shù)、人工嗅覺(jué)技術(shù)等完成預(yù)期目標(biāo)，如對(duì)植物內(nèi)氮元素含量、生理信息指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，或?qū)?dòng)物活動(dòng)軌跡等進(jìn)行測(cè)量?！蓖ㄟ^(guò)實(shí)現(xiàn)生命信息智能感知，使得傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)的人工檢測(cè)模式得到根本上的改變，有助于提高生命信號(hào)感知的科學(xué)性、有效性、實(shí)效性、智能性。

2.2 在大數(shù)據(jù)及微數(shù)據(jù)條件中的參數(shù)規(guī)律分析

現(xiàn)如今，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)技術(shù)手段正在和新時(shí)期物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)等全新的獲取信息的技術(shù)手段進(jìn)行深度結(jié)合，這導(dǎo)致收集農(nóng)業(yè)信息的形式朝多樣化、系統(tǒng)化方向發(fā)展，并致使農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，還使傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)類型從“圍繞結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為中心”朝“半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主”轉(zhuǎn)變，其數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間多被文本、視頻、圖像、音頻等信息占據(jù)，呈現(xiàn)出系統(tǒng)性數(shù)據(jù)和零散性數(shù)據(jù)同時(shí)存在的特點(diǎn)。此外，源頭不一的數(shù)據(jù)明顯具有雜亂、質(zhì)量低、數(shù)據(jù)架構(gòu)不規(guī)則、存儲(chǔ)不規(guī)范等問(wèn)題，給特定農(nóng)業(yè)信息參數(shù)規(guī)律在不同條件下的分析工作造成了困難[2-3]。

一旦農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的全面感知產(chǎn)生了大量農(nóng)業(yè)感知數(shù)據(jù)，受各類智能感知技術(shù)及裝備間差異的影響，就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議出現(xiàn)不一致現(xiàn)象，從而引發(fā)各類感知數(shù)據(jù)間表現(xiàn)出明顯的多源異構(gòu)性問(wèn)題，進(jìn)而影響各類數(shù)據(jù)來(lái)源與各類數(shù)據(jù)類型的相互轉(zhuǎn)換及對(duì)比效果，這會(huì)讓大數(shù)據(jù)平臺(tái)無(wú)法有效分析、運(yùn)用收集得到的農(nóng)業(yè)信息。所以，怎樣整合處理龐大的多源異構(gòu)感知數(shù)據(jù)是未來(lái)發(fā)展的主要研究議題。

2.3 復(fù)雜系統(tǒng)下的影響力糾纏分析

實(shí)際上，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)十分繁雜，涉及大量影響因素。同時(shí)，組成農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的種植業(yè)、林業(yè)、草業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)等亞系統(tǒng)還可以細(xì)化成許多子系統(tǒng)。另一方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程除了是一種形成人類社會(huì)產(chǎn)品價(jià)值及使用價(jià)值的過(guò)程外，更是一種生物學(xué)過(guò)程，換言之就是生物生長(zhǎng)過(guò)程，例如糧食生產(chǎn)可以看作是小麥、大豆、玉米、稻谷等的生長(zhǎng)過(guò)程，畜牧業(yè)生產(chǎn)則可以看成是所有牲畜繁衍、發(fā)育、成長(zhǎng)的過(guò)程。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和自然環(huán)境系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生物學(xué)特性影響下，使得雙方具備了相當(dāng)復(fù)雜的關(guān)聯(lián)特性。

比如，對(duì)國(guó)內(nèi)糧食產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，一定要系統(tǒng)性、全面性的對(duì)所有影響因素進(jìn)行充分考慮。要想保證預(yù)測(cè)精度，除了應(yīng)該對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素、自然因素、生產(chǎn)技術(shù)因素、隨機(jī)因素進(jìn)行考慮外，也應(yīng)該充分研究各因素間的相互影響關(guān)系。由此可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)各要素間與各影響因素間相互影響力的糾纏關(guān)系進(jìn)行全面、合理、充分的理解、解釋，才能對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的繁雜性有一個(gè)充分、深刻的認(rèn)知與理解，才能對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的復(fù)雜演變趨勢(shì)做出深刻判斷。

3 農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警的主要技術(shù)及展望

3.1 識(shí)別作物病蟲害信息早期癥狀

盡早發(fā)現(xiàn)作物病蟲害，將使防治工作更加及時(shí)、有效。病蟲害侵害作物后，作物不僅在形態(tài)、生理上出現(xiàn)變化，且光譜特征隨之也會(huì)改變。所以，在快速監(jiān)測(cè)作物病蟲害工作中可以使用圖像處理、高光譜成像等技術(shù)?，F(xiàn)如今，以上述機(jī)理為基礎(chǔ)的研究成果正被廣泛運(yùn)用在采集作物病蟲害信息中。比如，可基于作物病害反射光譜信息組織搜集、研究小麥銹病等特征信息工作，同時(shí)搭配圖形處理技術(shù)識(shí)別作物病害，如廣泛運(yùn)用高光譜成像技術(shù)就能將早期識(shí)別作物發(fā)生的病害程度變成現(xiàn)實(shí)。對(duì)于快速采集作物蟲害信息問(wèn)題，現(xiàn)如今主要以光譜分析、聲音特性檢測(cè)等技術(shù)方法為主，且技術(shù)之間優(yōu)缺點(diǎn)并存，要酌情選用。

3.2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)展及未來(lái)分析

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)影響下被改變，推動(dòng)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)了智能化、精細(xì)化轉(zhuǎn)型發(fā)展。目前，感知層、傳輸層、應(yīng)用層共同組成了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重點(diǎn)是感知技術(shù)，感知技術(shù)的核心由傳感器組成。國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)環(huán)境及動(dòng)植物生命本體傳感器研究成果顯著，相關(guān)的光、溫、水、土壤等環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器技術(shù)發(fā)展十分成熟。實(shí)際使用時(shí)可基于光學(xué)及電磁學(xué)等原理，結(jié)合被測(cè)對(duì)象性質(zhì)等完成科研工作。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳遞信息的媒介層即網(wǎng)絡(luò)傳輸層，其主要負(fù)責(zé)將感知層識(shí)別的數(shù)據(jù)傳送至互聯(lián)網(wǎng)，方便應(yīng)用層服務(wù)使用。物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的核心技術(shù)以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為主，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)的邊緣技術(shù)由GPRS/3G/4G、WiFi 等組成。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外正重點(diǎn)研究無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，涉及傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等多學(xué)科交叉特征，可以感知、采集多種傳感器節(jié)點(diǎn)信息，并上傳至用戶終端。

把模式識(shí)別、智能處理等技術(shù)引入農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)運(yùn)用即是“農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息處理及應(yīng)用”的準(zhǔn)確含義，這樣可以做到農(nóng)業(yè)信息預(yù)測(cè)預(yù)警。處理層充分融合了信息技術(shù)及行業(yè)特征，可以實(shí)現(xiàn)信息的搜集、共享、決策等。而大田種植系統(tǒng)、禽畜養(yǎng)殖系統(tǒng)等不同類型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)共同組成了應(yīng)用層應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。

3.3 智能分析系統(tǒng)的進(jìn)展及未來(lái)分析

我國(guó)在開(kāi)發(fā)、研究農(nóng)業(yè)智能分析系統(tǒng)方面雖已經(jīng)起步，但起步時(shí)間太晚。目前，國(guó)內(nèi)諸多部門都組織了農(nóng)業(yè)農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)警活動(dòng)。例如，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院農(nóng)業(yè)信息研究所圍繞國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目，將農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量安全智能分析及預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)支撐系統(tǒng)成功研發(fā)，從而掌握了一直被國(guó)外封鎖的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)因子早期識(shí)別、農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格短期預(yù)測(cè)等七項(xiàng)智能分析及預(yù)警技術(shù)。同時(shí)，還攻克了早期識(shí)別預(yù)警農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)、市場(chǎng)價(jià)格短期預(yù)警、農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)需求量預(yù)測(cè)三項(xiàng)智能分析及預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)難題，完成了農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量安全智能分析及預(yù)警平臺(tái)的自主化、國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)、構(gòu)建，使影響農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量安全的關(guān)鍵核心技術(shù)難題被徹底攻克。在國(guó)內(nèi)推廣使用后，獲得的社會(huì)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較好[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警的科學(xué)問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了探究。農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警工作在未來(lái)必然會(huì)大量引用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，向智能化、自動(dòng)化方向快速發(fā)展。