目前国际上把信息技术与农业的结合称之为农业信息技术(agricultural information technology),也可称之为信息农业。
它是高新技术应用于农业的一个重要发展方向。农业信息技术与农业生物技术是21世纪高新技术应用于农业的两大类关键技术。
农业信息技术
农业信息技术既包括空间技术、遥感技术等高技术支持下的信息采集,又包括计算机支持下的信息处理、加工交换技术,还包括智能化的“专家决策”和“预测、预报”等,从而克服农业的复杂性、变异性、难控性和风险性等弱质特点,并结合系统科学、经济学、管理学、资源环境科学的成果,支持优化农业生产要素的配置和产业部局,指导生产运筹和经济运行,实现农业的高效和持续发展。
在20世纪60年代至70年代中期,计算机在农业方面的应用主要是进行科学计算与数据处理;70年代后期至80年代着重于进行信息的采集,建造数据库和模型等;80年代至90年代是以智能技术、遥感技术、图像处理技术和决策支持系统技术等进行信息和知识的处理,对农业生产进行科学管理。近年来,发达国家的农业已全面采用电子信息技术以及各种高新技术的综合集成,取得了重大突破,大大提高了农业生产的效率,促进了农业生产和管理的科学化、现代化。90年代初网络技术的广泛应用和声图文并茂的多媒技术的发展,给计算机应用带来又一次革命。同样,它也直接影响到农业部门,给农业的发展和现代化进程带来巨大的变革。
信息技术在农业上的应用主要有两方面,既包括精确农业所采用的遥感技术(RS)、地理信息系统技术(GIS)和全球定位系统技术(GPS),此三项技术又称为3S技术;又包括帮助决策和技术咨询的专家系统(ES)或智能系统技术(IS)。
3S技术在农业的应用
遥感技术在农业生产中的应用是十分广泛的,有人估计有76个应用项目,可归纳为下列5类。
(1)农业资源调查:土地利用现状、土壤类型、草场资源、低产土地资源和水资源的调查等,并对调查结果进行评价,提供数据和图件。
(2)农业资源监测:农作物长势监测、土地沙化和盐渍化监测、鱼群监测、农业用地污染监测等。这种监测是持续进行的,在监测过程中不断提供农业资源动态变化数据和图件,提出应该采取的对策。
(3)生物量估产:结合农学和环境因素,预测小麦、水稻、玉米和棉花等大田农作物产量,预测淡水养殖的产量和草场的产草量等。
(4)农业灾害预报:农作物病虫害、草场雪灾和火灾的监测和预报,洪水预警、测定受灾面积和灾后评估等。
(5)特殊应用:农业人口分布和农村运输网调查、水土流失监测以及野生动植物调查等。
遥感技术在我国农业上的应用始于20世纪70年代末。
1979年在联合国相关机构的援助下,农业部建立了全国农业遥感应用与培训中心,并在成都、南京、哈尔滨等地建立了分中心,培养了一批农业遥感应用专业技术人才,1979~1985年间,有关部门利用遥感技术开展了全国土地利用遥感概查、全国土壤侵蚀遥感调查、全国分县土地利用现状详查等工作。
继1985年大规模的农业资源调查和农业区划基本完成后,农业部门又加强了农业资源和生态环境的动态监测工作。90年代初期的建设热潮和农业产业结构的调整,使我国耕地面积锐减。针对此趋势,从1993年到1996年,我国农业部门连续4年开展了全国耕地变化遥感监测,有关报告引起了中央领导的高度重视:1989~1993年,农业部利用遥感技术、地理信息系统建立了中国北方草原草畜动态平衡监测系统,目前已纳入运行体系;1997—1998年,农业部门又利用美国陆地卫星图像,对黑龙江、内蒙古、甘肃和新疆等4省(区)的土地利用状况进行监测,并结合有关资料给予了综合评估。
上述调查评估的结果显示,1997年之前的10年间我国北方地区土地利用类型变化较大,土地利用结构不尽合理,草地退化严重,土地荒漠化趋势加剧。农业生态环境日益恶化,耕地开垦有一定的盲目性,新开垦的耕地基础设施不足。这些研究成果为政府部门了解重要的决策依据。
1989~1995年间农业部门还利用美国的陆地卫星和诺阿气象卫星开展了北方7省冬小麦长势、旱情、单产以及总产的监测预报研究工作。自1996年开始,冬小麦长势监测和旱情评估转入实际运行系统。国家科委实施的1998~2000年棉花估产也已取得喜人的成果。
总之,经过近20年的农业遥感技术应用实践,遥感技术已成为农业资源和生态环境监测不可缺少的重要手段,并在农作物估产、长势和灾害监测等方面取得了成功的经验。
早在1977年美国国家统计局、大面积作物估产合作单位同时发布小麦估产数字,二者相差不到2%;同时,对其他国家的农作物估产也相差不到10%,例如,估测前苏联的小麦总产量跟苏联官方统计数仅相差6%,而且比前苏联政府提前6个月。
美国利用卫星遥感技术估测本国和世界主要产区小麦产量,目的是制定国内粮食储藏调运、食品加工等各项计划,确定对外贸易策略和制定价格政策,在国际贸易谈判中占据主导地位。美国利用遥感资料监测前苏联、澳大利亚、阿根廷、印度、加拿大、中国等产粮大国的农作物产量,每年耗资1 500万美元,所得经济效益高达数亿美元。
欧盟国家发扬其进行高技术合作的优良传统,利用法国斯波特卫星等技术资源,积极推进遥感技术在农业领域的应用,早在1987年就制定了欧盟遥感技术应用农业统计的十年研究项目,该项目的研究目的是利用遥感技术开发出一些能够改善欧洲共同体内部农业统计体系的新方法,开发出能够实际应用的运行体系。该项目用于农作物种植面积清查,农作物的总产量清查,农作物总产量预报。研究内容主要包括区域面积清查、植被状况监测和单产参数确定、单产预报模型、欧洲农作物种植面积和潜力单产快速估测、高级农业信息系统的建立、面积抽样及其测量、制定长期研究计划。
21世纪人类将全面进入信息时代,农业也不例外,土地、土壤、气候、水、农业生物品种均为农业资源和环境,要及时准确掌握农业资源和环境的变化,必须使用遥感、地理信息系统、GPS等先进技术。
专家系统在农业上的应用
专家系统,具体地说,就是知识工程师通过获取手段,将领域专家解决特定问题的知识,采用某种知识表示技术编辑成或自动生成某种特定表示形式,存放在知识库中,然后,用户通过人机交互接口输入信息、数据与命令,并借助于数据库等,运用推理机构控制知识库和整个系统工作,得到问题的求解结果。
在专家系统结构中,知识库就像人的大脑,存储着指定的全部知识;而推理机、人机接口、解释机构等其他各部分组合成一个结构框架,就像人的身体,因此人们常称之为“外壳”。
这种外壳只要配上包含有特定领域中某方面知识的知识库,就组成一个可以运行的专家系统。
农业专家系统,也可以叫作农业智能系统,是农业信息技术中的一项重要技术。它是运用人工智能的专家系统技术,结合农业特点发展起来的一门高新技术。
国际上农业专家系统和研究是在20世纪70年代末期开始的,以美国发展得最早。也许是受了专家系统最初应用于医疗诊断的启迪,当时开发的系统主要是面向农作物的病虫害诊断。该系统在当时并未受到人们普遍重视。到了80年代中期,随着专家系统技术的迅速发展,农业专家系统在国际上有了相当的发展,在数量和水平上均有了较大的提高,已从单一的病虫害诊断转向生产管理、经济分析与决策、生态环境等,尤其以美国、中国、日本和欧洲国家最为突出。
美国农业专家系统这些年发展迅速,不论在广度和深度方面均有了较大进展。
COMAX/GOSSYM是美国最为成功的一个农业专家系统,由美国农业部和全国棉花委员会于1986年10月研制成功,用于向棉花种植者推荐棉田管理措施。它是一个基于模型的专家系统,有一个模拟棉花生长发育过程和水分、营养在土壤中传递过程的模型。它给出施肥、灌溉的日程表和落叶剂的合理施用方法,给出棉花生产最佳管理方案,已在密西西比河三角洲和南卡罗林纳海滨等棉产区应用。这些地区在棉花收获时节正当雨季,准确告知棉花成熟日期,使棉户在雨季到来之前收获完毕,以获得最高的产量。1988年在美国主要植棉州使用这一系统,获得了相当的成功。近年来COMAX又做了进一步的改进。
加里福尼亚大学戴斯分校研制的CALEX系统是又一个著名的例子。它开始也是应用于棉花的生产管理,已在加州450个农场应用,称为CALEX/COTTON,已应用于加州的圣·乔亚齐因流域棉区。后又建造了CALEX/PEACHES用于桃树园林管理,它是专用于农业生产管理的专家系统工具软件。近年来,又建造了CALEX/RICE,用于水稻生产管理。它可以通过因特网从气象数据库和加州的农药数据库中检索数据。
日本非常重视农业专家系统,例如东京大学的西红柿栽培管理专家系统咨询系统、培养液管理专家系统;千叶大学的病害诊断专家系统、花卉栽培管理支持系统、庭院景观评价系统;农业研究中心的耕作方式计划支持系统、大豆栽培作业规划管理系统、拖拉机选用决策支持系统、联合收割机故障诊断系统等;近些年来又将专家系统应用于蔬菜温室、牛奶生产等农业工业,或称为“植物工厂”中。以上这些专家系统不少已投入实际应用。如放在农民协会、普及所供农户咨询,取得了良好效果。近年来又将信息网络与专家系统结合,应用于农业生产管理。
我国最早建立的农业专家系统是1984年中国科学院人工智能所和安徽省农科院联合研制的“淮北沙姜黑土小麦施肥”
的专家咨询系统,接着浙江大学与中国科学院畜牧研究所将基于案例推理和面向对象技术应用于饲料配方,河北农业大学等应用面向对象技术设计土坝事故诊断专家系统,中国科学院沈阳计算研究所运用神经网络在水稻育种专家系统中进行知识获取等,均在技术水平上有了明显的提高。江苏省农科院、中国农业大学、南京农业大学、新疆农业大学等许多单位将作物生态生理过程模拟与农业专家系统技术相结合,取得了可喜进展。近年来,随着信息技术的飞速发展,农业信息技术正受到国家有关部门以及各省领导的重视。
综上所述,世界范围内的农业专家系统正在广泛应用于作物生产管理、灌溉、施肥、品种选择、病虫害控制、温室管理、牛奶生产管理、牧畜环境控制、土壤保持、食品加工、粮食储存、环境污染控制、森林火灾控制、经济分析、财务分析、市场分析、农业机械选择、农业机械故障检测等诸多方面。许多系统已经得到应用,一部分已成为商品进入市场。用户是农民、农业技术人员和农业顾问。
我国广大农村文化相对落后,土地分散,农民科学种田的水平较低。我国农业专家和技术人员奇缺,先进的农业生产技术很难深入农村。我国广大农业科技工作者,辛勤工作,取得了许多成功的研究成果,积累了大量宝贵的经验,农业专家系统为广大的基层农业技术人员、干部以及农民掌握和应用这些成果和经验,提供了一个十分有效的先进手段。它来自专家,又高于专家,可以代替专家群体深入农村,进入农家。它将促进我国农业技术推广体制发生重大的变革,对我国农村科技普及将产生重大的影响。
目前我国研制的几个农业关键技术的专家系统都是农业专家理论和实践的总结。施肥推荐专家咨询系统是根据实测的土壤理化参数或土壤肥力参数的地理分布图,评估肥力水平;利用施肥量与作物产量的关系和土壤区划、土壤类型、作物品种、播期、密度、灌水与施肥的关系,在作物不同生态条件下,推荐肥料运筹与施肥方法;在非正常情况下提出补救措施;以及计算化肥产投比与施肥效益等。施肥推荐专家系统可发挥肥料的增产潜力,提高肥料利用效率。
病、虫、草害防治专家系统是针对作物不同时期出现的各种症状和不同环境条件,诊断可能出现的病、虫、草灾害,提出有效的防治方法。
栽培管理专家系统是在作物的不同生育期,根据不同的生态条件,进行科学的农事安排。它包括栽培、施肥、水管理、植保等。栽培部分包括品种选择、种子处理、整地、播种、田间管理与收获,优化它们与产量之间的关系。施肥部分主要是优化肥料与产量的关系;水管理部分主要是合理灌排,优化水分与产量的关系;植保部分主要是病、虫、草害的控制。通过推理模拟优化生态系统,达到优质、高产、高效。
畜禽水产养殖专家系统则具体指导品种选择、饲料配方、科学饲养、防治疾病等。
这些专家系统的应用,已经在农业生产中发挥指导、咨询、技术解疑和预测、预报作用,正在创造巨大的社会效益和经济效益。