农业信息技术基础

第九章农业信息技术基础刘连忠信息与计算机学院9.1农业信息技术及其发展概念：农业信息技术（AIT），现代信息科学技术和农业相结合的产物，是指利用信息技术对农业生产、经营管理、战略决策过程的信息进行采集、存储、处理分析，为农业生产者、经营者、管理者提供资料查询、技术咨询、辅助决策和自动调控等多项服务的技术9.1.1农业信息技术的发展阶段第一个阶段，大约在二十世纪的50～60年代，农业信息技术主要用于解决农业中的科学计算问题，比如饲料的配比、农业数据的统计分析以及农业经济的运筹与规划等。第二个阶段，大约在二十世纪的70～80年代，由于计算机存储设备和数据库技术的发展，农业数据库技术和农业知识处理得到应用，出现了农业生长模型和农业专家系统，同时农业自动控制技术也大量出现。第三个阶段，从二十世纪90年代开始，人类进入网络化时代，同时，人工智能、3S（GIS、RS、GPS）技术以及智能化农业控制机械技术大量应用到农业领域，出现了虚拟农业、精准农业。9.1.2农业信息技术的发展现状国外：完成农业工业化和农业机械化后，已经进入农业信息化时代，通过计算机与农机的结合，逐步实现农业耕作的自动指挥和控制(定位、定量和定时)，即现代化的精准农业，以指导和帮助农业生产与经营管理。我国：1997年农业部开始组建农业信息网络“金农工程”以来，初步建立和完善了国家级农业基本数据库，农业监测、预测与预警等宏观调控与决策服务应用系统9.1.3数字农业与智慧农业以地理信息系统、全球卫星定位系统、遥感技术、自动化技术、计算机技术、通讯和网络技术等数字化技术逐步与农业专业学科知识进一步有机结合。实现在数字水平上对农业生产、管理、经营、流通、服务等领域进行数字化设计、可视化表达、智能化控制和系统化管理；这是“数字地球”在农业上的引申，称为“数字农业”。9.1.3数字农业与智慧农业物联网、云计算、移动计算等新技术的出现以及逐步应用到农业领域。以云计算的方法、以农业物联网、智能专家系统为基础，集农业信息的智能感知、智能预警、智能分析、智能决策为一体的智慧农业是当前农业信息技术研究和应用的热点领域。9.2农业信息采集对农业生物和环境信息的采集，是了解农业生物生活状态和环境变化情况并实施人工调控和管理决策的基础，传统的人工手动观测方法难以满足现代农业对信息的大量、及时、准确的需求，以计算机为中心的自动信息采集方法正在逐步成为农业信息采集的主要手段。9.2.1数据采集系统数据采集系统就是利用传感器从外界获取数据信息，并将其转化为可用信息的系统。数据采集系统包含的主要元素有传感器、线路、信号调解器、数据采集器、计算机主机及系统软件等。9.2.1数据采集系统9.2.2数据采集技术1、传感器技术在农业中常用的传感器有温度传感器、风速传感器、风向传感器、光照传感器、PH值传感器、生物传感器等。9.2.2数据采集技术一些传感器9.2.3无线传感器网络由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络体系结构图9.33S技术与精准农业“3S”技术是：遥感技术(RemoteSensing，RS)、地理信息系统(Geography、InformationSystems，GIS)、全球定位系统(GlobalPositioningSystems，GPS)的统称，是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。9.3.1农业“3S”技术1、遥感技术遥感技术是指从高空或外层空间接收来自地球表层各类地物的电磁波信息，并通过对这些信息进行扫描、摄影、传输和处理，从而对地表各类地物和现象进行远距离控测和识别的现代综合技术。森林火灾区域遥感图中国植被分布图9.3.1农业“3S”技术2、地理信息系统地理信息系统就是一个专门管理地理信息的计算机软件系统，它不但能分门别类、分级分层地去管理各种地理信息；而且还能将它们进行各种组合、分析、再组合、再分析等；还能查询、检索、修改、输出、更新等。1991年稻纵卷叶螟发生情况三维GIS地图9.3.1农业“3S”技术3、全球定位系统GPS是由空间星座、地面控制和用户设备等三部分构成的。GPS测量技术能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精确三维坐标以及其他相关信息。中国北斗导航卫星北斗卫星定位导航示意图9.3.23S技术在农业上的应用移动机械的GPS定位9.3.9数字农业与精准农作数字农业（DigitalAgriculture,DA）是基于信息化条件而产生的一种新型农业模式，简单地讲，就是农业生产的数字化、网络化、信息化。2、精准农业又称精确农业或精细农业，是信息和人工智能等技术在农业中的微观运用，它是在时空差异的数据采集和处理的基础上，实时感知作物（畜禽）个体或小群体生长，及时确定投入（肥、水、药、饲料等）的数量，质量和时机，以最小代价获取最佳效果。智能化农机农机运行路线设计图9.3.9数字农业与精准农作1、精准播种2、精准施肥3、精准施药4、精准灌溉5、精准收获机械化6、精准养殖7、精准加工智能农机的工作场面智能奶牛养殖系统9.4智能农业系统与虚拟农业将现代决策支持系统和专家系统引入农业领域，形成了一个新的农业信息技术领域。目前，人工智能、模糊理论等智能技术的发展为解决农业智能系统中许多决策问题提供了新的方法。作物模拟模型着重利用系统分析方法和计算机模拟技术，对作物生长发育过程及其与环境和技术的动态关系进行定量描述和预测。9.4智能农业系统与虚拟农业因此作物模型以作物生育的内在规律为基础，综合作物遗传潜力、环境效应、技术调控之间的因果关系，是一种面向作物生育过程的生长模型或过程模型。作物模型通常分为两类，一类是基于作物生理生态过程分析过程的数值模拟模型，称为作物生长模型；另一类是基于作物形态结构再现的虚拟作物模型，称为虚拟作物模型。9.4智能农业系统1、农业决策支持系统辅助决策者通过数据、模型和知识，以人机交互方式进行半结构化或非结构化决策的计算机应用系统。农业决策支持系统为决策者提供分析农业问题、建立模型、模拟农业管理和决策过程和方案的环境，调用各种信息资源和分析工具，帮助决策者提高决策水平和质量。9.4智能农业系统2、农业专家系统专家系统ES(Expertsystem)也称为基于知识的系统，是人工智能的一个最为重要的应用领域。所谓的农业专家系统就是一个具有大量专门农业知识与经验的计算机信息系统，应用人工智能技术，根据一个或多个农业专家提供的特殊领域知识、经验进行推理和判断，模拟农业专家做出决定，解决需要专家决定的复杂问题。9.4.2作物生长模型作物生长模型是指能定量地和动态地描述作物生长、发育和产量形成的过程及其对环境反应的计算机模拟程序。作物生长模拟模型土壤肥料子模型田间管理子模型温度、水分、光照等子模型作物品种子模型环境因子控制模块光合作用呼吸作用营养吸收产量形成器官发育…作物生长模型功能结构图9.3.2虚拟作物模型虚拟作物模型就是利用虚拟现实技术模拟作物在三维空间生长发育过程，它是由计算机生成的高级人机交互系统，利用三维数字化技术和可视化技术对植物生长过程中形态结构的连续、精确的表示。9.3.2虚拟作物模型虚拟的灌浆期玉米群体虚拟的大豆根系9.5农业物联网技术物联网(InternetofThings)这个概念的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。9.5农业物联网技术从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。它是以感知为前提，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成。应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与所应用的行业的需求结合，实现物联网的智能应用。9.5.2农业物联网技术农业物联网是物联网技术在农业领域的应用，包括农业土地与水资源管理，农业土、水、光、热环境监测，大田种植、设施园艺、健康养殖生产过程精细化管理，农产品与食品加工、贮运、物流过程与产品品质可追溯系统和现代农业装备控制等方面。9.6农业信息服务和农业信息化农业信息服务在农业领域中的应用目前集中与三个方面：市场活动、生产活动和管理决策活动。农业信息技术对市场活动的支持主要表现在利用通讯技术有效控制食品质量、食品安全、可溯源性、有效的客户反馈、农产品高效交易、消费信用以及供应链协作上；农业信息技术在生产活动中的支持是对农业生产过程进行全程控制；对管理决策的支持是通过各种应用系统如管理信息系统、决策支持系统、专家系统等来实现。本章小结介绍了农业信息技术的发展、信息采集、信息处理以及各种信息技术在农业上的集成应用和信息服务等方面内容。重点阐述了3S技术在农业上的应用、现代农业决策支持系统、农业专家系统等。介绍了精准农业以及农业物联网技术的基本内容。