农业专家体系发展趋势

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1专家系统及其基本特征

农业专家系统也可叫农业智能系统,是一个具有大量农业专门知识与经验的计算机系统。它应用人工智能技术,依据一个或多个农业专家系统提供的特殊领域知识、经验进行推理和判断,模拟农业专家就某一复杂农业问题进行决策。典型的专家系统主要由知识获取工具、知识库、数据库、推理机、解释机、人机交互接口几部分组成。专家系统的主要特征是有一个巨大的知识库存储农业领域知识,而系统的控制级,通常表达成某种推理规则。整个系统的工作是从知识库出发,通过控制机理,得到所需的结论。即利用计算机来模拟某领域专家或专家群体在解决某些任务时所具有的技能,对各种实际问题给出高水平的解答。对农业生产管理给出决策指导。

2农业专家系统的作用及发展现状

2.1农业专家系统的作用

我国地域辽阔,气候多样,各地生产条件千差万别,不同作物、不同品种均需要根据当地实际情况,因地制宜地进行管理。要求必须很好地协调处理好高产、优质、高效的关系,最大限度地利用好各种资源,保护生态环境,实现可持续发展。农业专家系统为各种单项农业技术提供先进的集成平台,将各种农业技术有机结合起来,帮助农民因地制宜地正确使用各项农业技术,实现生产的科学管理。农业生产的复杂性和生态区域性决定了必须有一个健全而庞大的推广体系。在现代农业经营体制下,建立高效的农业技术推广体系、加速科技成果转化,是当前农业科技工作中必须解决的一个重要问题。信息技术可以为推广体系和广大推广人员提供最先进的工具和技术手段,利用其在传播信息和知识方便、快捷、可大量复制的特点,将大量科技成果迅速传播到农民手中,实现大范围的应用,弥补和克服农业科技人员短缺的问题,改变传统的农业科技推广模式,从而大大促进农业技术成果转化和生产的发展,促进当地生产组织方式科学化。随着农业种植和养殖业结构的调整,优质高效的经济作物日益受到重视,成为新的投资热点。农业市场的对外开放(加入WTO),国外大量的新品种、新技术进入国内,同时国内的“名、特、优、新”农产品也不断出现,迫切需要快速获取和更新种养信息,适应复杂多变的市场变化,以提高效益。通过先进的信息硬件和软件技术,对农业产前、产中、产后全过程中的知识、信息进行获取、处理与应用,帮助农户根据市场做出科学决策,实现农业生产、管理和经营的科学化,克服盲目性,实现农业增产增收和集约经营。

2.2农业专家系统发展现状

20世纪70年代末期美国开始研究农业专家系统,最初用于农作物的病虫害诊断,1978年伊利诺斯大学开发的大豆病虫害诊断专家系统PLANT/ds是世界上应用最早的专家系统。到80年代中期,研究从单一的病虫害诊断转向生产管理、经营决策与分析、生态环境等。例如,日本东京大学建成的西红柿栽培管理专家咨询系统就面向生产管理。目前国际上有近百个农业专家系统,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、畜禽饲料配方、水土保持、食品加工、财务分析、农业机械选择等方面,有些系统(如哥伦比亚大学的梯田管理系统)已成为商品进入市场。我国农业专家系统的研究,始于20世纪80年代初期。中国科学院合肥智能机械研究所与安徽省农业科学院土壤肥料研究所合作研制的砂姜黑土小麦专家施肥咨询系统于1985年10月建成,在安徽省淮北10多个县得到较大规模的应用。随后,许多科研院所开展了各种农业专家系统的研究、开发及推广应用活动,这些专家系统,在基础研究和应用两方面推动了我国农业专家系统的发展。在基础研究方面,也就是面向领域和面向任务的专家系统开发工具,主要是编辑型开发工具和智能型开发工具,如熊范纶等研制的雄风系列、吉林大学的MES、浙江大学的IDEST、中国科学院计算所的VESS、哈尔滨工业大学的专家系统平台等,同时还开发出自动知识获取工具。

在应用方面,砂姜黑土小麦施肥专家咨询系统在我国农业专家系统的应用中是最早的,随后,施肥专家系统、品种选育专家系统、粘虫测报专家系统、蚕育种专家系统相继问世。到目前为止,已广泛应用的专家系统包括关于粮食作物和经济作物的栽培技术专家系统、管理专家系统、施肥专家系统、病虫害防治专家系统、专家咨询系统、品种选育专家系统、畜牧兽医专家系统、饲料配方专家系统、农业气象专家系统以及农业工程、土壤侵蚀、盐碱地改造等方面的专家系统[1]。如小麦高产技术专家系统,水果果形判别人工神经网络专家系统,关于规则和图形的苹果、梨病虫害诊断及防治专家系统,农业资源高效利用技术集成专家系统的设计,生态农业投资项目外部效益评估的专家系统,有关作物生长特征的作物栽培专家系统,有关生长模型的小麦管理专家系统[2]。863课题根据我国农业发展的实际需要,从1990年起把农业专家系统等智能化农业信息技术列为重点课题,给予重点支持。为了进一步探索信息技术支撑服务农业大面积推广应用的经验,1996-1998年度在北京、云南、安徽、吉林四省市开展了以农业专家系统为核心的“智能化农业信息技术的应用示范工程”,并在示范区内实施[3]。示范区经过2年多的建设,取得了显著成效,同时探索出了信息技术服务农业的成功经验和发展模式。总之,农业专家系统触及农业领域的各个方面,为发展高产、优质、高效农业做出了贡献。

2.3农业专家系统目前存在的问题

2.3.1农业专家系统的综合性和实用性问题目前,农业专家系统的研制及应用大多数局限于科研院所及示范基点,农业专家系统的潜在作用远没有充分发挥出来。要想充分发挥其作用,必须考虑应用领域特点,按照生态环境、气象、地理等因素开发适应地区的、针对性和实用性强的农业专家系统。另外,影响农业生产的因素较多,但现在大多数农业专家系统是针对农作物生产的某一侧面开发的,缺乏对农作物生产各个阶段、各个方面的有机联系和统筹考虑,因此,只有提高系统的综合性功能,才能真正地解决农民的实际问题。

2.3.2农业专家系统的对象范围我国的一些农业专家系统只强调目前应用,缺乏第二次开发所需的专家系统开发工具,使用者无法根据当地实际情况创建知识库和模型库,限制了专家系统的进一步应用,有些专家系统虽提供了开发工具,但缺少通用的模板和模型,要求使用者具有一定的计算机基础技术,缩小了专家系统的应用范围;另外,一些农业专家系统追求所谓先进性,要求高档次的硬软件,也要求使用者具有一定的计算机基础,很难在农业基层普及,一些农业专家系统与领域知识结合不够,停留于科普知识介绍,从而表现其先进性和实用性较差。因此,开发与应用并进,增强系统的适用性是非常必要的。

2.3.3专家系统自动获取及检验知识机制问题目前知识库缺乏自动求成机制,推理方法缺乏误差分析及预测功能急需解决和提高。

2.3.4专家系统在知识处理方法上过于简单知识的深加工处理水平低,新方法新技术的融合与聚类等方法少。现代信息技术的发展,提供了很多成熟的信息技术,今后农业专家系统的开发需广泛吸收这方面的技术,特别是当今的多媒体技术、计算机网络技术、信息高速公路(互连网)技术等。

2.3.5网络化、动态化服务问题由于农作物生育期间受气象、病虫害等不可控因素的影响,利用现代信息、技术进行信息交流处理,实现网络化服务十分必要。农业专家系统要解决的是农业生产中的问题,这些问题大多具有四维特性(三维空间+时间),这就要求系统的知识库、数据库、模型库必须是动态的。为此要求其能随时间的推移不断更新。而我国目前的农业专家系统多是静态的,时效性差,实用性不高,因此在农业专家系统建设中必须注意其动态性。综上所述,在分析我国农业专家系统应用及发展现状的基础上,探讨其未来发展趋势是非常必要的。

3综合智能农业专家系统—精确农业的重要组成部分

3.1精确农业的概念

精确农业是一种战略思想,是信息和人工智能高新技术在农业中的运用。它为当代农民和将来的农业经营者们提供了一种美好的前景。从技术角度上看,精确农业是将遥感(Remotesense,RS)、地理信息系统(Geographicalinformationsystem,GIS)、全球定位系统(Globalpositioningsystem,GPS)、计算机技术、自动化技术和网络技术等高科技应用于农业,逐步实现精确化、集约化、信息化的现代控制农业[4],它可根据田间因素的变化,精细准确地调整各种农艺措施(包括土壤和作物管理措施),最大限度地优化各项投入,以获取最高产量和最大经济效益,实现最大回报,同时保护农业生态环境,保护土地等农业自然资源。具体而言,精确农业是为了挖掘并谋求种植业和畜牧业利润最大化,所采取的是精确投入的农业生产管理手段。此概念从另一角度体现了精确农业是要在降低生产成本,最小程度地减少环境污染的情况下,仍然提高粮食、饲料及纤维生产力水平。因此,精确农业是信息技术和农学的集成。

3.2综合农业技术智能专家系统

以“3S”为技术核心结合快速检测技术,以数据库及数据库技术和数据挖掘技术,作物模拟模型、专家系统技术、多媒体和网络技术为技术支持的一个综合性智能专家系统。GPS,即全球定位系统。通过24颗卫星可以给出任意一个地面点的精确度为厘米级的坐标值,从而能精确地确定地物的空间位置。该系统可用于耕地面积的量算和形状的测量,引导田间定位系统的采集,小区作物产量的计算,以及农业机械定位播种、配方施肥、喷药、灌溉等。GIS,即地理信息系统。是在计算机硬、软系统支持下对空间数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。它的操作对象是空间数据,即点、线、面、体等地理实体,按统一的地理坐标对这些实体进行编码后,可实现定位、定性和定量的描述。在农业专家系统中应用GIS,能将各类图纸(如地形图、土壤图、土地适宜性评价图、作物分布图,土地利用现状图、降水分布图等)数字化并存储于计算机,然后根据需要进行叠加在一起,就能知道哪些作物的分布是合适的,哪些是需要进一步调整的。利用GIS还可以生成数字地形模型DTM(Digitalterrainmode),有了DTM,就能清楚地知道地块中某一点的海拔、坡度、坡向,甚至土层厚度及地下水深度,这些数据是农业专家系统所必需的基础数据[5]。RS,即遥感技术。它是快速获取大面积空间信息的主要技术手段,获得的空间信息是动态的,更新很快,能对动态变化现象进行监测。对遥感图像进行预处理和分类处理之后,就可以根据图像的特征,依据地物光谱特性,采用统计概率法、模糊数学法等进行识别,提取有用的信息。

RS技术在农业专家系统中主要用于:

●农业资源的调查与监测,如利用微波雷达的穿透能力,透过植被和土壤,获取耕作层土壤质地和水分含量等信息;

●自然灾害及病虫害监测,如借助于RS技术对旱涝灾害、水土污染、病虫害等农业灾害进行有效的预测、预报,对灾情变化进行动态监测,为制定防灾、抗灾、救灾提供决策信息;

●作物种植面积、产量与长势监测,以及农业环境的检测和管理。快捷方便的实时检测技术的结合除结合GPS、GIS、RS技术外,还可以近距离采用快速检测仪检测土壤水份、养分含量以及数码相机获取近距离照片分析作物群体结构、长势、病情诊断,达到生产小区内生产管理决策的准确、高效性。

数据库与数据库技术农业专家系统需要的信息是海量的,种类也各不相同,对数据库技术的要求也就更高,应该发展于实体——联系模型、语义对象模型,层次、网状和分布式数据库,用以处理空间数据,支持移动计算与嵌入计算。数据挖掘技术的应用,对传统管理决策的修正,无疑是更有效的手段。作物模拟模型由“作物、环境、技术、经济”四要素可构成作物生长整体系统,通过数学模型可模拟作物生长发育、器官生成和产量形成等生理生态过程,可分析这些生理过程与环境、技术、经济之间的数量关系,据此制定出作物高产栽培技术模型,为实现作物的高产、优质、高效提供技术支持。专家系统技术推理机是专家系统的核心。目前农业专家系统中使用的不精确推理是以概率论和二值逻辑为基础的,如常用的确定性理论、主观Bayes方法,它们本身有一定的局限性,但关于模糊逻辑的推理方法是未来农业专家系统主要的不精确推理方法。自主学习的专家系统知识库的建立与应用,将会加快专家系统的推广和应用。

计算机网络通信技术农业专家系统的数据库应该是共享的,因而离不开计算机通信技术。我国农村计算机网络通信虽处于起步阶段,但基本上形成了以集镇为中心的有限电视光纤网络系统,只要给每个集镇配备一台装有农业专家系统的计算机,并为计算机装上视频卡,通过有线电视发射装置就可将农业专家系统送到农户的电视中,这无疑是农业专家系统切实可行的推广方法。多媒体技术多媒体技术以非常直观的声像综合表达形式向人们传递信息,它与农业专家系统相结合,可生动地将农业信息、农业技术迅速传播出去,并能实现人机交互操作。多媒体技术的应用,扩大了原来以县、乡两级农技人员为对象的应用范围,缩短了农业专家系统和农民的距离,直接为广大农民群众所接受。相信,随着计算机技术的飞跃发展和人工智能研究的不断深入,“3S”技术的不断优化,存在问题的不断解决,一个综合农业技术智能专家系统将会成为精确农业的一个重要组成部分。