烏晨虎 郭佳妍 牛薌潔

（北京農(nóng)學院，北京 100096）

自動化信息技術(shù)在我國經(jīng)濟與社會發(fā)展中得到了廣泛應(yīng)用，信息水平已成為衡量一個區(qū)域現(xiàn)代化水平的重要指標。推動自動化信息技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的運用，促使農(nóng)業(yè)走向精細化管理，有助于農(nóng)業(yè)實現(xiàn)更高的經(jīng)濟效益。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式以農(nóng)民為主體，農(nóng)民進行手工勞動以及利用牲畜耕作進行農(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糧食產(chǎn)量的需求。自動化信息技術(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)工程與自動化信息技術(shù)的結(jié)合，可使設(shè)備通過自動控制技術(shù)、運用大量算法，幫助農(nóng)民進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。自動控制設(shè)備有著人類所沒有的優(yōu)點[1]，運用自動控制設(shè)備可以使生產(chǎn)效率始終保持在同一水準。應(yīng)用自動控制設(shè)備，可以減少人力勞動成本，提高生產(chǎn)效率，促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。現(xiàn)總結(jié)一些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的自動化信息技術(shù)，以期為自動化信息技術(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)的情況進行前期收集再集中到計算機中進行存儲，依托大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對收集信息進行分析和管理，并實現(xiàn)分類，形成數(shù)字化的地理信息。這項技術(shù)需將計算機、地理、信息數(shù)據(jù)、管理學、測繪學等學科進行融合，從而真實地反映一個地區(qū)的地理信息。依托地理信息系統(tǒng)，可以對土地進行分析，實現(xiàn)精細化作業(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算機中，實現(xiàn)動態(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，通過其實時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行詳細的匹配，為后續(xù)農(nóng)業(yè)自動化進行服務(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)通過電磁波進行物體的準確識別，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，用于現(xiàn)實物體的識別過程，可以進行遠距離精細化作業(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)可以清晰地識別農(nóng)作物生長情況，并預(yù)測當年或季度產(chǎn)量。通過遙感技術(shù)，人們可以對土壤情況進行動態(tài)化分析，這對自然災(zāi)害的預(yù)防有重大作用。針對不利于人工管理的種植區(qū)域，遙感技術(shù)可以實現(xiàn)大面積管理，也可以在短期過程中實現(xiàn)全天候觀察，精準度也較高，能夠動態(tài)反映作物生長情況以及土壤成分變化情況等，并通過計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，便于種植戶及時預(yù)知風險[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)展中運用時間較長的是GPS，其主要由衛(wèi)星和地面信號接收系統(tǒng)等多個部分組成。在精細農(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)進行工作，從而使作業(yè)過程更準確，實現(xiàn)現(xiàn)代精細化農(nóng)業(yè)管理要求。

3 虛擬儀器技術(shù)

在科學和技術(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90年代，其將多個技術(shù)進行綜合運用，通過計算機系統(tǒng)將儀器儀表技術(shù)和傳感器技術(shù)等融為一體，依托計算機系統(tǒng)提供的軟件來實現(xiàn)現(xiàn)實生產(chǎn)過程的模擬。通過虛擬儀器技術(shù)，可以實現(xiàn)動態(tài)化跟蹤，將收集的信息最終匯總到計算機進行存儲，便于隨時使用。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)。在播種過程中運用虛擬儀器技術(shù)，可以自動監(jiān)測試驗過程，獲取各項生產(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)，進行反復(fù)驗證，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)是在計算機技術(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)也可以說是新時代背景下計算機技術(shù)和儀器技術(shù)的一次創(chuàng)新。從實際應(yīng)用角度來看，這類技術(shù)的硬件平臺主要由計算機組成，充分發(fā)揮了計算機的特定智能功能，如操作、存儲和回放。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)儀器與計算機緊密結(jié)合，形成一個外部條件與傳統(tǒng)機器相同而內(nèi)部功能獨特的儀器設(shè)備系統(tǒng)。

4 機器視覺技術(shù)及圖像處理技術(shù)

所謂圖像處理技術(shù)就是賦予計算機人類視覺功能，即讓計算機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)展時間并不短，它可以追溯到20世紀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70年代。當時，這項技術(shù)主要用于水果和蔬菜行業(yè)。進入新時代后，在計算機技術(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)進入了快速發(fā)展階段，在技術(shù)實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)機器人。農(nóng)業(yè)機器人是信息技術(shù)的自動化產(chǎn)品，現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。機器視覺技術(shù)的作用是收獲具有正常視覺功能的機器人[4]。例如，日本北海道大學的農(nóng)業(yè)機械利用地磁定向傳感器和圖像傳感器，可以實現(xiàn)田間自動收獲和運輸。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)為自動化機器提供了光學和定位基礎(chǔ)。整合遷移組織后，自動收割機可自行執(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、智能識別、分類等環(huán)節(jié)。三是農(nóng)作物生長狀態(tài)監(jiān)控。機器視覺技術(shù)可以應(yīng)用于作物管理。人們借助機器視覺技術(shù)，可以收集和分析溫室或溫室中的植物圖像，結(jié)合不同時期的植物圖像識別封閉系統(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，以一定的知識表達形式進行處理，然后轉(zhuǎn)移到知識庫中備用。在實際生產(chǎn)過程中，可以在知識庫中調(diào)動知識，并通過人機交互解決問題。專家系統(tǒng)中的知識庫是領(lǐng)域知識的存儲介質(zhì)。與其他組件相比，它具有一定的獨立性，也是整個系統(tǒng)解決問題的核心。論證機制的重要性在于控制整個專家系統(tǒng)，實現(xiàn)問題解決控制。在實際應(yīng)用過程中，主要是解決用戶“為什么”等問題。人機界面實際上是一個用戶界面，主要用于輸出檢測結(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)自動化信息技術(shù)應(yīng)用熱點之一。

農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的理論和實踐知識在計算機中進行存儲，使用者只需要借助數(shù)據(jù)進行查閱。一般通過搜索關(guān)鍵詞來進行查找，可以找到很多關(guān)于類似問題的互動信息。但是，這個系統(tǒng)的形成需要大量數(shù)據(jù)參與，前期基本會出現(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算機進行訪問，并了解到相應(yīng)的知識，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學化。

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，對各類信息進行分析和整合，并將其劃分到不同類別中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合和智能化入庫，并構(gòu)建深挖途徑，是當前數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域中的研究重點。這項技術(shù)涉及諸多學科，其中，計算機學科是基礎(chǔ)，同時結(jié)合統(tǒng)計學、數(shù)據(jù)學以及人工智能。在獲取數(shù)據(jù)的階段，可以采用收集模式，對數(shù)據(jù)實現(xiàn)存儲和加工，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。深層次的信息對現(xiàn)實決策有重大意義。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，對其分析也變得更加困難。因此，需要對數(shù)據(jù)進行整合和分析，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，人們需要對各類數(shù)據(jù)進行維護，并實現(xiàn)動態(tài)化分析，結(jié)合其中特征進行系統(tǒng)整合，最終發(fā)現(xiàn)深層次的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響因素，從而對各項因素實現(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，對當前農(nóng)業(yè)資源整合具有重要意義。

7 結(jié)語

基于當前我國農(nóng)業(yè)情況，自動化信息技術(shù)是適合農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢的，也是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的有效途徑之一，對保障國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展和社會穩(wěn)定有重要作用。自動化信息技術(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。