自動(dòng)化信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用

烏晨虎 郭佳妍 牛薌潔

（北京農(nóng)學(xué)院，北京 100096）

自動(dòng)化信息技術(shù)在我國經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展中得到了廣泛應(yīng)用，信息水平已成為衡量一個(gè)區(qū)域現(xiàn)代化水平的重要指標(biāo)。推動(dòng)自動(dòng)化信息技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的運(yùn)用，促使農(nóng)業(yè)走向精細(xì)化管理，有助于農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式以農(nóng)民為主體，農(nóng)民進(jìn)行手工勞動(dòng)以及利用牲畜耕作進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出。然而，隨著我國人口的大量增加，人們對(duì)糧食的需求量日益增加。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式不能滿足人們對(duì)糧食產(chǎn)量的需求。自動(dòng)化信息技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式創(chuàng)新提供了關(guān)鍵思路。農(nóng)業(yè)工程與自動(dòng)化信息技術(shù)的結(jié)合，可使設(shè)備通過自動(dòng)控制技術(shù)、運(yùn)用大量算法，幫助農(nóng)民進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。自動(dòng)控制設(shè)備有著人類所沒有的優(yōu)點(diǎn)[1]，運(yùn)用自動(dòng)控制設(shè)備可以使生產(chǎn)效率始終保持在同一水準(zhǔn)。應(yīng)用自動(dòng)控制設(shè)備，可以減少人力勞動(dòng)成本，提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展?，F(xiàn)總結(jié)一些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的自動(dòng)化信息技術(shù)，以期為自動(dòng)化信息技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 地理信息系統(tǒng)

任何農(nóng)業(yè)工程的實(shí)施都與地區(qū)地質(zhì)環(huán)境存在密切的關(guān)系。地理信息系統(tǒng)結(jié)合地域信息將空間范圍內(nèi)的情況進(jìn)行前期收集再集中到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)，依托大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)收集信息進(jìn)行分析和管理，并實(shí)現(xiàn)分類，形成數(shù)字化的地理信息。這項(xiàng)技術(shù)需將計(jì)算機(jī)、地理、信息數(shù)據(jù)、管理學(xué)、測(cè)繪學(xué)等學(xué)科進(jìn)行融合，從而真實(shí)地反映一個(gè)地區(qū)的地理信息。依托地理信息系統(tǒng)，可以對(duì)土地進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化作業(yè)，也可以收集土地種植管理、土壤情況、自然環(huán)境因素、病蟲害等信息并匯總到計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化管理[2]。通過地理信息系統(tǒng)，還可以收集各類農(nóng)業(yè)資源信息，通過其實(shí)時(shí)定位來收集影像資料，結(jié)合氣候圖和各類環(huán)境數(shù)據(jù)構(gòu)建完善的數(shù)據(jù)庫，將地圖和資源情況進(jìn)行詳細(xì)的匹配，為后續(xù)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化進(jìn)行服務(wù)。通過地理信息系統(tǒng)，收集土地資源使用情況，便于正確掌握土地形態(tài)和所屬種類，便于國土部門開展土地規(guī)劃利用。

2 衛(wèi)星遙感系統(tǒng)

衛(wèi)星遙感系統(tǒng)通過電磁波進(jìn)行物體的準(zhǔn)確識(shí)別，也可以通過電磁波反映環(huán)境情況。其通過遙感設(shè)備發(fā)射和接收信號(hào)，用于現(xiàn)實(shí)物體的識(shí)別過程，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離精細(xì)化作業(yè)。遙感技術(shù)目前大多用于農(nóng)作物種植過程的監(jiān)督，人們借助遙感技術(shù)可以清晰地識(shí)別農(nóng)作物生長情況，并預(yù)測(cè)當(dāng)年或季度產(chǎn)量。通過遙感技術(shù)，人們可以對(duì)土壤情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)化分析，這對(duì)自然災(zāi)害的預(yù)防有重大作用。針對(duì)不利于人工管理的種植區(qū)域，遙感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大面積管理，也可以在短期過程中實(shí)現(xiàn)全天候觀察，精準(zhǔn)度也較高，能夠動(dòng)態(tài)反映作物生長情況以及土壤成分變化情況等，并通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，便于種植戶及時(shí)預(yù)知風(fēng)險(xiǎn)[3]，及早采取預(yù)防措施，避免較大損失。工作流程如圖1所示。

在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中運(yùn)用時(shí)間較長的是GPS，其主要由衛(wèi)星和地面信號(hào)接收系統(tǒng)等多個(gè)部分組成。在精細(xì)農(nóng)業(yè)管理中，通過GPS可以有效監(jiān)控農(nóng)業(yè)作業(yè)者的區(qū)域位置。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用GPS，可以輔助其信息化系統(tǒng)進(jìn)行工作，從而使作業(yè)過程更準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代精細(xì)化農(nóng)業(yè)管理要求。

3 虛擬儀器技術(shù)

在科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)的新儀器和設(shè)備被稱為虛擬儀器。虛擬儀器技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)90年代，其將多個(gè)技術(shù)進(jìn)行綜合運(yùn)用，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將儀器儀表技術(shù)和傳感器技術(shù)等融為一體，依托計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的軟件來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程的模擬。通過虛擬儀器技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化跟蹤，將收集的信息最終匯總到計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，便于隨時(shí)使用。虛擬儀器技術(shù)將虛擬技術(shù)與智能化管理充分結(jié)合，產(chǎn)生新的資源應(yīng)用效應(yīng)。在播種過程中運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程，獲取各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如種植間距、顆粒數(shù)量、播種精度等，并可使生產(chǎn)畫面可視。針對(duì)種子成長的虛擬系統(tǒng)可以更加直觀反映種子生長需要的條件，模擬種植生長過程。種子成長虛擬系統(tǒng)的出現(xiàn)突破了環(huán)境對(duì)農(nóng)作物的制約，農(nóng)戶可以根據(jù)不同區(qū)域的環(huán)境來設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，從而輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程。其工作過程如圖2所示。

從技術(shù)構(gòu)成來看，虛擬儀器技術(shù)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合傳感器技術(shù)而產(chǎn)生的一種新技術(shù)。虛擬儀器技術(shù)也可以說是新時(shí)代背景下計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)的一次創(chuàng)新。從實(shí)際應(yīng)用角度來看，這類技術(shù)的硬件平臺(tái)主要由計(jì)算機(jī)組成，充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的特定智能功能，如操作、存儲(chǔ)和回放。為了保證傳統(tǒng)儀器的正常使用，軟件發(fā)揮控制作用，使傳統(tǒng)儀器與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合，形成一個(gè)外部條件與傳統(tǒng)機(jī)器相同而內(nèi)部功能獨(dú)特的儀器設(shè)備系統(tǒng)。

4 機(jī)器視覺技術(shù)及圖像處理技術(shù)

所謂圖像處理技術(shù)就是賦予計(jì)算機(jī)人類視覺功能，即讓計(jì)算機(jī)理解和感知客觀事物所處的三維環(huán)境。圖像處理技術(shù)的發(fā)展時(shí)間并不短，它可以追溯到20世紀(jì)50年代。通過不斷創(chuàng)新和應(yīng)用，這類技術(shù)已在現(xiàn)階段應(yīng)用于不同行業(yè)，常見的有工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部視覺系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)的電子眼和CT技術(shù)。

從農(nóng)業(yè)發(fā)展角度來看，成像技術(shù)最早應(yīng)用于農(nóng)業(yè)是在20世紀(jì)70年代。當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)主要用于水果和蔬菜行業(yè)。進(jìn)入新時(shí)代后，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和人工智能技術(shù)的共同作用下，成像技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，在技術(shù)實(shí)踐和理論上都取得了新的突破。關(guān)于成像技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，現(xiàn)階段可大致概括如下。一是農(nóng)業(yè)機(jī)器人。農(nóng)業(yè)機(jī)器人是信息技術(shù)的自動(dòng)化產(chǎn)品，現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。機(jī)器視覺技術(shù)的作用是收獲具有正常視覺功能的機(jī)器人[4]。例如，日本北海道大學(xué)的農(nóng)業(yè)機(jī)械利用地磁定向傳感器和圖像傳感器，可以實(shí)現(xiàn)田間自動(dòng)收獲和運(yùn)輸。二是農(nóng)產(chǎn)品收割與分揀包裝。圖像處理技術(shù)的出現(xiàn)為自動(dòng)化機(jī)器提供了光學(xué)和定位基礎(chǔ)。整合遷移組織后，自動(dòng)收割機(jī)可自行執(zhí)行大規(guī)模收割作業(yè)。隨著數(shù)字技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段圖像處理技術(shù)已應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的收獲、加工、智能識(shí)別、分類等環(huán)節(jié)。三是農(nóng)作物生長狀態(tài)監(jiān)控。機(jī)器視覺技術(shù)可以應(yīng)用于作物管理。人們借助機(jī)器視覺技術(shù)，可以收集和分析溫室或溫室中的植物圖像，結(jié)合不同時(shí)期的植物圖像識(shí)別封閉系統(tǒng)的內(nèi)部環(huán)境，并提出環(huán)境溫度控制策略。與以往僅控制溫度變化相比，這種基于工廠控制的溫度控制更加合理。

5 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)主要是通過獲取農(nóng)業(yè)工程師的知識(shí)，以一定的知識(shí)表達(dá)形式進(jìn)行處理，然后轉(zhuǎn)移到知識(shí)庫中備用。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可以在知識(shí)庫中調(diào)動(dòng)知識(shí)，并通過人機(jī)交互解決問題。專家系統(tǒng)中的知識(shí)庫是領(lǐng)域知識(shí)的存儲(chǔ)介質(zhì)。與其他組件相比，它具有一定的獨(dú)立性，也是整個(gè)系統(tǒng)解決問題的核心。論證機(jī)制的重要性在于控制整個(gè)專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)問題解決控制。在實(shí)際應(yīng)用過程中，主要是解決用戶“為什么”等問題。人機(jī)界面實(shí)際上是一個(gè)用戶界面，主要用于輸出檢測(cè)結(jié)果等信息內(nèi)容。在國內(nèi)外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，專家系統(tǒng)越來越受到重視，是農(nóng)業(yè)自動(dòng)化信息技術(shù)應(yīng)用熱點(diǎn)之一。

農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的理論和實(shí)踐知識(shí)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)，使用者只需要借助數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱。一般通過搜索關(guān)鍵詞來進(jìn)行查找，可以找到很多關(guān)于類似問題的互動(dòng)信息。但是，這個(gè)系統(tǒng)的形成需要大量數(shù)據(jù)參與，前期基本會(huì)出現(xiàn)很多的重復(fù)性工作，而中期階段需要農(nóng)業(yè)專家收集信息并進(jìn)行梳理和問題解答，從而構(gòu)建農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)。不同的種植者都可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行訪問，并了解到相應(yīng)的知識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學(xué)化。

6 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

農(nóng)業(yè)不僅包括生產(chǎn)，還包括其他方面，過程比較復(fù)雜。在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中，人們可以借助信息化系統(tǒng)、智能化系統(tǒng)來獲得生產(chǎn)數(shù)據(jù)。在這些信息收集之后，對(duì)各類信息進(jìn)行分析和整合，并將其劃分到不同類別中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合和智能化入庫，并構(gòu)建深挖途徑，是當(dāng)前數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域中的研究重點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)涉及諸多學(xué)科，其中，計(jì)算機(jī)學(xué)科是基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)據(jù)學(xué)以及人工智能。在獲取數(shù)據(jù)的階段，可以采用收集模式，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和加工，但是這樣獲取的數(shù)據(jù)僅僅是一部分，無法找出數(shù)據(jù)中的深層聯(lián)系。深層次的信息對(duì)現(xiàn)實(shí)決策有重大意義。農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的構(gòu)建，各地區(qū)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的迅速增長，促使人工獲取信息的難度增加，對(duì)其分析也變得更加困難。因此，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和分析，并發(fā)現(xiàn)內(nèi)在聯(lián)系。在日常生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控中，人們需要對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化分析，結(jié)合其中特征進(jìn)行系統(tǒng)整合，最終發(fā)現(xiàn)深層次的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響因素，從而對(duì)各項(xiàng)因素實(shí)現(xiàn)有效管理。因此，建立更加適合農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)收集和查詢的渠道，對(duì)當(dāng)前農(nóng)業(yè)資源整合具有重要意義。

7 結(jié)語

基于當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)情況，自動(dòng)化信息技術(shù)是適合農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的有效途徑之一，對(duì)保障國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定有重要作用。自動(dòng)化信息技術(shù)為確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了很多便利條件，也讓農(nóng)業(yè)有了新的發(fā)展方向，促使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)力得到解放，也讓生產(chǎn)效率得以提升，為我國現(xiàn)代化發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。