农业病虫害监测预警信息技术链研究与设想.doc

农业病虫害监测预警信息技术链研究与设想病虫害监测预警是农作物保护的基础性工作，长期以来，积累了大量病虫害的资料，这些监测资料用于病虫害的预测预报和防治指导，发挥了重要的作用。但是，在信息化迅速发展的今天，各级病虫测报部门基本上仍采用传统的工作模式，对信息技术手段应用较少，因而存在工作量大、工作效率低、监测预警信息的时效性差等问题。迅速发展的信息技术能够为病虫害监测预警工作提供完善的技术支持。但到目前为止，应用示范的范围较小，采用的技术也只是某一个单独的技术，尚无成熟的满足病虫害监测各环节技术配套的应用案例。本项目针对目前病虫害监测预警现状，提出了研究开发多传感器信息融合的病虫害监测及预警智能装置，通过自动采集装置采集图像、光谱、气体挥发物、温度等作物小气候信息，采用小波分析、主成分分析预处理数据，采用神经网络、支持向量机方法进行特征信息融合，采用D-S证据理论、贝叶斯网络方法进行决策层信息融合，实现病虫害的智能检测及预警。以此开发的智能监测装置，实现数据自动采集、预处理、存储、自动值守控制和无线、有线数据传输等，实现病虫害自动监测的全天候和无人值守。使用简单，运行可靠，维护费用低，适合于农村大田使用，具有广阔的推广价值。为此，笔者在总结病虫害监测预警工作相关信息技术研究的基础上，就病虫测报部门开展信息技术应用的总体技术框架进行了设计，对具体实施提出建议。一、病虫害监测预警各环节所涉及技术进展的研究 病虫害监测预警信息链各环节中涉及到传感器技术、数据库技术、网络和通信技术、专家系统技术、人工神经网络技术、全球定位技术(GPS，下称)、地理信息系统技术(GIS，下称)等。这些技术单独或部分集成应用的研究在国内、外均有报道。我国对其应用、研究如下。1、数据采集获取技术传统的病虫害监测主要是根据农业部发布的病虫害监测调查规范进行调查通过人工调查、人工记录，以档案形式保存数据一些数据还需通过计算得到。在一些具备数据库系统的部门，数据需要人工输入计算机，并保存到数据库中；从数据的调查到记录、计算、再到录入计算机，环节较多，监测人员的工作量大，容易造成人为错误，数据应用的时效性差。对于一些个体较小的昆虫(如麦蚜等)来说，由于虫体较小，长时间的人为眼睛观察不仅劳动量很大，效率极低，而且计数存在很大误差，各个调查者之间的调查结果可比性差。针对这些问题。一些相应的监测技术已见报道。如微小昆虫自动计数技术、昆虫诱捕自动记录装置和PDA+GPS数据采集记录技术。微小昆虫自动计数技术，主要是利用计算机图像处理技术解决田间麦蚜、温室蚜虫、白粉虱等微小昆虫调查困难，数据难于获取等问题。只需通过适当方式获取害虫图片进行自动计数即可完成数据调查工作。昆虫诱捕自动记录装置是利用性诱剂对昆虫的引诱作用，对通过扫描光栅的昆虫数量进行计数，实现了小菜蛾、桃小食心虫等昆虫的自动监测。PDA+GPS数据采集记录技术主要用于常规病虫害的人工调查，记录数据的同时记录GPS定位信息，为GIS提供定位数据。上述技术可减少调查、记录数据的中间环节，避免数据录入电脑过程中的人为错误。根据调查的原始数据实时计算出一些必需的数据参量，减轻工作人员的工作量，并通过数据的实时传输提高数据的时效性。病虫害测报不仅需要病虫害发生动态的监测数据还需要相应的环境因子数据。传统的环境因子数据主要来源于气象部门，而与病虫害发生动态密切相关的环境冈子主要是田间小气候数据。田问小气候数据监测技术已相对成熟，主要是利用传感器技术和GPRS(通用分组无线服务)网络通信技术自动获取病虫害监测站点的实时小气候数据，并将其上传到数据库中备用。2、数据传输与数据管理技术传统的数据传输主要是利用模式电报、报表等方式实现数据上报，存在工作量大、时效性差等问题。现代信息技术为数据的实时上报提供了技术支撑。利用Internet和GPRS网络通信技术进行病虫害监测数据的实时上报，提高数据传输的效率。如PDA+GPS数据采集记录技术获取的数据可保存成XML数据文件，通过GPRS或Intemet提供给数据管理系统。近年来全国农业技术推广服务中心的测报部门建立了中国农作物有害生物监控信息系统和北京市农作物重大病虫害远程预警信息系统，也都提供了田间病虫害监测数据卜传的用户接口。数据管理主要是利用数据库技术对病虫害监测数据进行管理，通过后台管理界面可以对数据库中的数据进行添加、删除、修改，以及原始数据的归纳计算，地区、气象、小气候区域统计数据管理等操作，实现数据的维护功能。中国农作物有害生物监控信息系统和北京市农作物重大病虫害远程预警信息系统嘲都具备较为完善的数据管理机制。其他一些关于病虫害测报方面的研究也大都涉及数据管理技术。3、预测预报技术病虫害预测预报的相关研究报道较多，大体上可以分为以下两类：一类是以网络地理信息系统(WebGIS，下称)为底层框架，通过Ja- va语言将病虫害数据库、气象数据库、预测预报模型数据库有机结合，将数字结论转化为直观易懂的电子地图，通过地理信息系统显示出来，有效、方便地为农业病虫害预测预报提供服务。类似的研究包括基于WebGIS的病虫数据库及自动预警系统(WPDAWS)、基于GIS的全国主要粮食作物病虫害实时监测预警系统、农作物病虫害防治决策支持系统和苹果病虫害管理信息系统等。这些研究主要是利用GIS结合模型技术、人工神经网络技术等进行病虫害的预测预报。另一类是近几年来国内外都有很大发展的病虫害预测预报专家系统，涉及的对象主要包括粮食作物、棉花、果树、草原病虫害等。其中以粮食作物居多。高灵旺等(2006)开发了农业病虫害预测预报专家系统平台，以数据库形式来存放有关的专家知识，结合专家知识与案例进行推理，具有专家知识库的维护、用户数据输入、推理确认、病虫害预测预报结果显示、案例库管理(包括案例确认、补充信息及案例统计)及预测结果解释等功能。系统具有开放、自学习、易操作等特性。可广泛应用于农业、林业等病虫害预测预报专家系统的构建。这两类预测预报技术也有一些交叉的实际例证。如刘明辉等(2009)开发了基于WebGIS的具有浏览器服务器(BS，下称)3层网络架构的农业病虫害预测预报专家系统。4、预报信息发布技术随着信息技术的发展，病虫害预报发布技术也已经发生了很大的变化，一些植保部门利用网络技术代替传统纸质文档进行预报发布。如采用网络技术结合WebGIS发布预报信息，具有直观、易理解等特点。但到目前为止，由于网络还不能覆盖广大的农村地区，使得基于网络的预报信息发布的用户范围极其有限。为解决这一问题，全国农业病虫害监控中心构建了病虫害电视预报视频素材管理系统，对主要病虫害的视频素材采集技术、预报节目制作加工技术和送播技术进行了系统的研究构建了病虫害电视预报技术体系，在全国范围内进行推广，大大提高了病虫害预报信息发布的时效性与覆盖面。二、关于病虫害测报部门信息技术应用的一些建议 病虫测报信息链各环节的研究不是十分均衡。其中以数据管理和电视预报技术较为成熟，应用也最多：数据传输利用网络和通信技术即可满足需求。相对而言。病虫害预测预报的研究较多，但实际应用较少；数据采集获取(特别是病虫害监测数据获取)技术研究较少，实际应用也较少。另外，大多数研究只涉及整个信息链中部分环节，且多数针对1种作物或1种病虫害，因此推广应用范围有较大的局限性。 从技术应用的区域范围来看，全国农业技术推广服务中心及一些经济较发达地区应用技术的种类较多，规模较大，但大多数地区还未涉及这些技术的应用。总体上病虫害测报体系中信息技术的应用水平还较低。 目前，国家植保工程项目正进入第3期的准备阶段。如果能结合植保工程项目的开展，将病虫害测报信息链中的相关技术进行推广应用，将极大地提升病虫害测报部门的技术水平和工作效率。根据上述研究，推广应用可以分为几个阶段进行。首先是现有技术的组装配套应用，其次是在现有技术的基础上进行深入研究，进一步摸清病虫害发生为害规律，提高预测预报的准确率，更好地为我国粮食安全生产提供技术保障。1、现有技术的组装配套 如前所述，目前信息技术在病虫害测报工作中的应用大多只涉及整个测报信息链中的部分环节，而且多数技术针对的也只是1种作物或1种病虫害，因此，需要根据测报信息链这条主线将各种技术进行改造，开发出更多普适性的技术。如将数据采集获取技术作为系统的主要数据源，结合数据传输技术，可为数据管理系统提供实时、可靠的病虫害及小气候监测数据，将基于WebGIS的具有BS 3层网络架构的农业病虫害预测预报专家系统与数据管理系统及预报信息发布的相关功能进行集成，以数据管理系统中的病虫害及环境因子等数据作为专家系统预测的输入项，驱动专家系统的推理机，进行病虫害的预测预报，并通过预报信息发布系统发布测报信息，指导植保工作。图1所示为按照该思路将各环节技术组装配套的整体框架。在这个框架中还可以进一步丰富各环节的方法和手段，如模型预测技术、人工神经网络预测技术等。另外还需要根据不同层次的病虫害测报部门自己工作的实际需要进行一些框架内容的修改、补充与完善，形成适合不同层次病虫害测报部门应用的技术体系。2、各环节新技术的进一步研究 在现有技术的基础上。未来应进一步在以下几个方面进行深入研究，完善病虫害测报工作的技术体系。 （1）加强信息链薄弱环节的技术研究。如加强数据获取环节上技术的研发，提高数据获取的自动化程度。进一步降低测报人员的劳动强度，提高数据的准确率。 （2）对数据管理系统中积累的病虫害及小气候监测数据进行分析，利用数据挖掘技术等手段建立相关病虫害预测模型，将模型预测与专家系统预测结合起来，进一步提高病虫害预测的技术含量及预报准确率。 （3）进行遥感技术的应用研究。将遥感信息作为病虫害监测预警系统的信息源，并与GPS、GIS技术结合起来进行病虫害分布空间特征的分析，掌握病虫害发生为害的空间动态与时间动态。技术的进步是无止境的，随着信息技术的进一步发展，将有更多的实用性技术应用于病虫害测报工作，更好地为其服务。三