依托智能管理技術 提高玉米生產能力

姚玉霞+張蕓+劉曉彥+隋慶茹+韓智慧

摘要：本文研究吉林玉米生產中需要的現代化信息技術，利用網絡地理信息系統（Web GIS）技術和可數據挖掘技術，結合不確定性推理技術，針對吉林省玉米生產的情況，充分考慮引起玉米病蟲害發生的因素及不確定性，將地理信息系統、專業知識、農民經驗和可視化有機結合，研究玉米智能專家系統進行推廣，在吉林省部分地區的應用中取得了良好效果。

關鍵詞：玉米;WebGIS計算機技術;智能系統

基金項目：吉林省教育廳，編號：吉教科驗字〔2014〕 625 號

中圖分類號： ?F323.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： ?A ? ? ? ? ? ? ? DOI編號： ? 10.14025/j.cnki.jlny.2016.24.010

吉林省是我國農業生產大省和重要的商品糧基地，開展農業生產與計算機技術應用的研究是提高農產品質量、降低生產成本、保護生態環境、適應市場和提高農產品國際競爭力的重要手段。充分利用計算機技術在農業知識、信息和技術的傳播與控制的潛能，依托現有的信息基礎設施和工作基礎，依靠權威農業專家和計算機專家的緊密結合，獲取權威領域專業知識;利用專家系統開發平臺和各種智能化信息服務工具，研制開發吉林省玉米生產智能專家系統;配合農業技術推廣部門，組織開展智能系統的培訓和示范推廣工作;促進吉林省農業信息化進程，從根本上實現“智能吉林”的宏偉目標。通過實施農業信息化的工程，力爭使吉林省農業科技的基礎設施得到進一步加強;農業科技研究與推廣隊伍的力量得到充實，人員素質得到進一步提高;農業技術、知識、信息、成果的傳播體系逐步建立;農業生產水平得到全面提高，用農業信息化帶動農業現代化。

1 研究技術內容的發展現狀與趨勢

智能農業在國外始于20世紀80年代，國外的智能農作在實踐過程中已經獲得較好的效果，尤其是美國、加拿大、澳大利亞等國家智能農作在農業生產中已得到較廣泛的應用，并且許多成熟的技術已經形成;智能農業在歐洲同樣得到較好的發展，農民采用全面基于空間技術和處理水平的精確農作技術，包括自動采集數據和集成MIS/DSS技術。不僅西方國家對智能農業的技術實踐引起重視，在日本、韓國、巴西、馬來西亞等國也開始了實驗示范研究[1]。

目前，農業信息技術及計算機技術已貫穿于農業生產的產前、產中、產后全過程。積極發展農業信息技術，是我國農業迎接知識經濟的挑戰和推動新的農業科技革命的重大舉措。研制相關的吉林玉米專家智能系統的應用軟件，向玉米的生產管理者、生產技術推廣人員、加工銷售企業、生產經紀人和廣大農民用戶提供玉米經濟科技信息服務，為農民的遠程教育和大面積培訓奠定基礎。

2 研究的主要內容與方法

對農業知識、經驗和基礎數據的收集和整理，針對示范基地實際情況，進行必要的玉米知識和基礎數據的獲取、整理。從深度和廣度上補充和建立專家系統知識庫、數據庫和模型庫，重點研究示范吉林玉米規范化栽培技術，從效益出發研究示范大面積玉米優質、穩產、高產品種選擇、合理施肥、適宜密度等栽培技術體系;積極與示范區當地有關部門協作，開展培訓工作。重點培養示范基地農業技術推廣人員和微機操作員，積極幫助示范區建立一支應用智能化農業信息技術指導農業生產的骨干隊伍。

主要內容：首先進行數據采集和數據庫的完善。玉米生產數據存在著復雜而多變的情況。一是數據來源存在多樣性。從來源手段上來看，有調查數據，有化驗數據，有檢測數據;從來源種類上來看，有田間生長數據，有土壤養分數據，有病蟲草害數據等;二是數據存儲存在異構性，大部分數據都存儲在Excel表格中、word文檔中，不便于建立聯系和進行深層次的分析[2];三是已經建立的部分玉米數據庫系統由于建立時沒有遵循軟件工程和數據庫設計原理，導致數據庫中存在大量的冗余及不一致現象。為了解決以上問題，我們提出按軟件工程方法建立一個規范化的數據庫。根據玉米蟲害、草害與產量關系的試驗，收集整理玉米苗期和成熟期等玉米生長性狀指標的數據、玉米病蟲草害發生程度的數據，完善了玉米病蟲草害診治的數據庫和知識庫，建立了基于框架表示的玉米病蟲草害診治模型;利用ArcGIS軟件繪制了玉米作物精準作業系統中核心技術示范區和輻射推廣區的土壤養分空間變異圖，并分析了土壤分異規律及其影響因素，通過黑土區大量田間試驗，應用肥料效應函數法，在明確土壤肥力基礎上，采用智能技術進行施肥，節省肥料用量，降低玉米生產成本，提高化肥利用率，減少過量施肥對環境造成的污染，經濟效益和生態效益都十分顯著。

研究方法：首先進行知識獲取、知識表示與知識庫的建立。以農業領域專家知識成果整理、基礎數據采集的準確性、實用性為基礎，是建立合理、豐富的知識庫。采用產生式規則、案例表示、框架表示和面向對象相結合的知識表示方法，以提高系統的智能化程度[3]。作物生產中涉及品種、土壤、環境、氣象等諸多因素的影響，不確定因素較多，各種生長因素間的相互作用、相互制約的關系用數學模型加以抽象描述較難，且需要大量實踐和經驗積累，建立適宜的模型庫，進行上述模型與不確定性推理技術相結合的研究，以提高系統的推理質量和推理效率;智能系統采用信息技術和計算機技術集成，重點突出系統的智能化和決策化功能，集成ES技術、多媒體技術、數據庫技術、軟構件技術、超文本技術、不確定性推理方法和網絡技術，研制智能化程度高、推理準確，人機界面友好、適用性強，易于廣大農業生產管理者、農業技術推廣人員和廣大農民用戶使用的智能系統和信息系統。

3 關鍵技術采用與技術路線實施

3.1關鍵技術思維采用

在專家系統研制工作中，進行了GIS技術、GPS技術、專家系統技術、數據庫技術、多媒體技術、軟構件技術和平臺技術等技術應用。在玉米生產智能系統中采用了軟構件技術、面向對象技術和后臺數據庫操作技術，成功地解決了與其他系統的鏈接，同時進行了相應的多媒體課件的制作，作為專家系統軟件推廣應用的輔助。

3.2 技術路線實施

依托現有的信息基礎設施和工作基礎，依靠權威計算機專家和農業專家的相互配合，嚴格按照計劃進行計算機軟硬件技術主題制定的系統規范，在已取得的相關研究成果的基礎上，分析國內外有關的最新研究成果，以提高專家系統的智能化、適用化為核心，以服務農業生產的產前、產中、產后為基礎，以專家系統的規范化、產品化和商品化為目標，研制出適宜吉林省種植區的專家系統，以加速科技成果轉化，提高農業生產率、增加農民收入和實現軟件的產業化為目標。探索了農業專家知識獲取的新途徑，在開發專家系統中，知識獲取是至關重要的，成功的知識獲取能夠保證專家系統的推理精度。反之，專家系統可能起不到應有的作用。在具體實踐中，應根據不同的知識表示形式制定不同的知識表示模板，農業領域專家可以采取對號入座的方式填入相關的知識或數據，這就減少了知識獲取的盲目性，提高了知識獲取的效率[4]。

4 智能專家系統的推廣與應用

我國農業目前總體上正處于由傳統農業向現代農業的方向轉變的歷史時期，利用信息技術在農業知識、信息傳播與控制的潛能來促進我國農業現代化進程，大力發展實用和易用的智能化農業信息技術，對提高農業、農村和農民的現代化水平將起到支撐、引領、先導和決定性作用。吉林省玉米智能專家系統作為一種現代化的載體，對提高科技成果轉化率、提高科學種田管理水平和廣大農民的素質所起的作用更是不可低估的。根據玉米生產的時空性特點及處理時空信息的需要，開發了基于WebGIS的玉米智能決策支持系統。以地理信息系統為基礎，結合網絡技術，把不同空間尺度資料，不同時段資料和不同格式的資料在統一的坐標體系下進行高效、有序和集中統一的管理，實現了對玉米生產過程中施肥和噴藥的決策及其他的分析功能。本軟件可以在互聯網的任意客戶端查詢采樣點信息并進行決策和分析，為農業生產管理的各個部門提供決策的參考信息，為用戶有針對性的科學施肥和合理施藥提供指導[5]。針對吉林省玉米產區施肥中存在的主要問題，以玉米按品種喜肥特性為核心技術，示范內容包括調控玉米高產養分限制因子，實現養分平衡供應、劃分玉米吸肥能力等級，實現玉米按級施肥、掌握磷肥后效生統顯著時期，進行減磷肥或隔年減半施磷，合理施用鉀肥技術。通過以上技術的單項與多項集成示范，顯著提高了玉米的化肥利用效率，降低了玉米生產成本，提高了玉米產量和品質，減少了過量施用化肥對環境造成的污染。

參考文獻

[1]劉孝永，等.病蟲害專家系統研究進展[J].山東農業科學，2013（09）：138-143.

[2]李東朝，等.農業專家系統的發展概識與展望[J].農業網絡信息，2009（02）：4-7.

[3]姚玉霞，等.基于Web GIS吉林玉米病蟲草害診治專家系統的研究與應用[J].吉林農業，2014，（10）.

[4]蘇利，等.大宗農作物病蟲害防治數據庫管理系統的研究[J].陜西農業科學，2009（04）：66-72.

[5]姚玉霞，等.基于遙感技術的玉米產量預測估產研究與實踐[J].黑龍江科技信息，2016（03）：89-91.

作者簡介：姚玉霞，長春科技學院，教授，研究方向：計算機與應用。