【毕业学位论文】（Word原稿）玉米生产信息化服务平台构建研究作物信息科学博士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 学位论文 玉米生产信息化服务平台构建研究 of I of 要 在农业生产信息化服务方面， 发达国家 信息技术 的 应用 已 拓展到农业生产的全过程 ， 极大地提高了 农业生产力和农产品的 竞争力。 我国 信息技术在 农业生产服务领域中的应用起步较晚，但近年来已经取得长足的进步，已具备了一定的基础，在农业生产服务的多个方面都发挥了重要作用。但是，目前还存在一些问题：农业生产 信息采集范围 有限 、信息质量不高、数据分散和对农民 及 信息使用者需求体现不足。农业生产信息化服务面窄，缺乏针对作物生产全过程的系统信息化服务 ， 还只是局限于农业生产某一方面，没有应用到农业生产的全过程。农业生产信息化服务手段落后，不能满足 解决 农业生产过程中 问题 的实时性、突发性的和不可预见性要求。没有建立相应的服务体系， 农业生产信息传播链不完整。 针对存在的问题， 本文 通过 “玉米 生产信息化服务平台”（下称“平台”） 构建及其服务体系建立 研究， 探索出有效的解决方案。 1 “平台” 面向我国农村实际情况和农业技术推广现 状， 通过建立农业专家、基层信息员和科技示范户队伍，构建了以“专家 信息系统与网络 基层信息员 科技示范户 普通农户”工作网络为核心的“玉米生产信息化服务平台”，有效地拓展了信息技术硬件不足的缺陷，实现了 农业科技成果进村入户 ， 提高 了 基层农业科技成果转化 率 。 2 “ 平台 ” 在设计时提供 了 线通信网和公共电话网等多种 能够进行交互 通信方式的接口 ， 使得 信息传播链立体，交叉，完整 ； 用户 充分利 用现有的各种设备通过 “ 平台 ” 获取信息，节省了添置新设备的费用。 “平台” 把零散的、分离的信息化服务方式 进行了 有效 集成 ，研制出 了 系列服务软件： 玉米生产信息联报系统 ，玉米 生产专家在线咨询服务系统 ，玉米 病虫草害远程诊断系统 ，玉米生产可视化咨询服务 系统 ， 玉米生产信息无线服务系统 等；把分割的、与农户需求脱节的玉米生产相关信息数据进行分析、整理和归类，建成玉米生产信息及其相关的 14 个数据库；在门户网站上集成构建服务于玉米生产全过程的“平台”；以农业部“农业科技入户工程”为契机建成以平台为 联系 纽带的覆盖全国玉米主产区的多领域、多层次的服务体系。 3 “玉米生产可视化咨询服务系统”是“平台”的关键技术之一， 在系统 功能上将基于网络的视频会议功能和 基于网络 的农业专家决策系统 /农业专家系统进行了集成 创新 ；在系统开发中 使用高性能的网络通信框架 开源项目 为整个 系统的通信应用框架，嵌入高效的专家系统工具开源项目 心代码实现专家决策系统和专家系统功能 。“玉米生产可视化咨询服务系统”是 利 用免费开源项目 成功开发出 的面向农业生产应用的 低成本、高性能软件 ， 降低了 在 农业生产信息化服务 中 的费用 。 “平台” 的建成和应用， 把玉米生产所需的农业科技、经济信息与现代信息技术完美结合，以图、文、声、像等多种形式及时、生动地传播到农户手中 ， 提高了我国玉 米生产科技含量及农业科技成果传播效率和利用范围， 探索 出了一条 农业科技成果转化的新模式，拓展 了 农业技术服务途径， 有效地指导农民科学种田， 提升了 我国 玉米 生产 全过程的 信息化服务 水平。根据农业 部“农业科技入户工程”规划， “平台” 及其服务体系的模式 正在 进一步 拓展应用到其他作物 生产服务 中 。 关键词 ： 玉米生产， 信息化服务， 服务 平台 in to of to of to in a in in of an of is to of a of is to a of is to as a in of of is In to in (to an 1. of of of - - - at of in to of of to 2. in of to a of of of to of to of of of a of in as of of in on of in to IV as an to a to of 3. of on in of CE as a to in in in in a to of of of a of a of in of of of V 目 录 第一章 绪论 1 究背景和意义 1 究背景 1 究意义 2 业生产信息化服务国内外研究现状 2 国农业生 产信息化服务中存在的问题 4 究思路和研究方法 5 文的章节内容 5 第二章 玉米生产信息化服务平台设计 7 台框架和主体结构 7 台框架 7 台主体结构 8 台的组成 8 台的信息资源规划 10 供 平台服务功能的系列软件设计 12 应的物化产品开发 16 台的服务功能 16 览、学习功能 16 询服务功能 17 台的信息传播途径 17 业科技专家的服务途径 17 户使用的使用途径 18 第三章 玉米生产可视化咨询服务系统的研究和实现 20 米生产可视化咨询服务系统简介 20 术背景介绍 20 绍 20 绍 23 绍 29 绍 32 于 C/S 服务模型的玉米生产可视化咨询服务系统设计 37 统的基本功能 38 统设计 38 统功能和使用 40 统模块结构和实现 42 频处理模块 42 频处理模块 55 业专家决策支持系统 /农业专家系统模块 62 频 /视频流式服务模块 69 第四章 玉米生产信息化服务平台的实现和应用 76 务体系的建立 76 关数据库的建立 77 台的门户网站建立和功能集成 78 台服务功能软件系统的实现 80 台的应用情况 84 第五章 结论和展望 85 论 85 文创新点 88 究工作展望 88 参考文献 90 致 谢 100 作者简历 101 中国农业科学院博士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 究背景 和意义 究背景 我国人多地少、农业生产资源严重短缺，如何在保护生态环境的前提下不断提高单位面积产量、提高劳动生产率是一个非常严峻的问题 40。党的十五届三中全会做出了“依靠生物工程、信息技术等高新 技术，使我国农业科技和生产力实现质的飞跃，逐步建立起农业科技创新体系”的决策 20。这一重大决策把信息技术农业应用提到了前所未有的战略高度。在农业领域里，只有全面发展和应用现代信息技术，使之渗透到农业生产、市场、消费以及农村社会、经济、技术等各个具体环节上，才能极大地提高农业效率和农业生产力水平 24,30,35,56,67。 农业与其他行业相比 ， 农业依赖于自然资源，从事生命物质生产，是个非常复杂的系统 ，涉及的因素极其 复杂，涉及土壤、气象、环境等 诸多方面 ，地域性、季节性、变异性和经验性很强，可控性和稳定 性很差 35,45。 农业自身的这些特点，决定了对信息技术的极大需求和依赖。 我国 农业生产个体规模很小且高度分散 ，在 面对着复杂多变的 因素， 迫切需要 以 信息技术支撑的农业 生产 信息 化 服务来 指导 农业 生产 1,17,27。 农业信息服务体系是信息服务主体通过传统的大众传媒和现代信息技术手段，收集、加工、处理、传输、发布和农业相关的生产、销售、服务信息，使之及时、准确地传达到用户手中，帮助农业生产者、经营者和管理者适应变化多端的市场，从而实现农业生产、管理、营销的顺利进行 30,45。 农业已从过去的计划农业走向市场 农业，农业的发展不再是“产前、前中、产后”“产、供、销”“贸、工 、农”的割裂局面，而是一体化的发展模式 12,21,32。面对变幻莫测的市场， 用户对农业信息服务提出了更高的要求 ， 对农业信息需求的全程化 35,69。从过去为“小农业”、单纯为产中服务、以技术为核心，发展转变为以市场为核心，走向全程化的信息服务模式 77。 农业生产信息化服务是农业信息服务 体系 的重要内容，上世纪 90 年代以来，信息技术的飞速发展及其在农业生产领域的运用，使农业生产信息化服务发生了重大变化，当前发达国家的农业生产信息化服务正在 进入新的阶段，形成了从农业信息的采集、加工处理到发布的健全的、完善的农业生产信息化服务体系 65,67,78。信息技术的应用不再局限于某一独立的农业生产过程，或单一的经营环节，或某一有限的区域，而是横向和纵向拓展到农业生产的全过程。农业生产信息化服务使发达国家农业的原有优势得到越来越充分的发挥，也使其原有的劣势逐步改善以至消失，极大地提高了发达国家农业生产的实力和农产品的国际竞争力 44,82。农业信息技术的作用正越来越 受到各国政府和 农业 科学家的关注 和重视 56。 日本、德国和荷兰之所以跃居世界农业先 进发达国家，其主要成功经验，就是重视 利用信息技术推动农业生产信息的传播和应用 44。 中国农业科学院博士学位论文 第一章 绪论 2 我国农业生产信息化服务的工作一直受到党和政府的重视和支持 46。 2007 年中央 1 号文件就明确提出：“ 用信息技术装备农业，对于加速改造传统农业具有重要意义。健全农业信息收集和发布制度，整合涉农信息资源，推动农业信息数据收集整理规范化、标准化。加强信息服务平台建设，深入实施“金农”工程，建立国家、省、市、县四级农业信息网络互联中心。加快建设一批标准统一、实用性强的公用农业数据库。加强农村一体化的信息基础设施建设，创新服务模 式，启动农村信息化示范工程。积极发挥气象为农业生产和农民生活服务的作用。鼓励有条件的地方在农业生产中积极采用全球卫星定位系统、地理信息系统、遥感和管理信息系统等技术。 ”这无疑是代表未来若干年我国农业信息化的发展方向 ，农业生产信息化服务也是其中的重要内容 。 究意义 玉米是我国主要的粮食、饲用和工业等兼用作物，从南到北均有种植，常年种植面积在 2000万公顷以上 53。随着社会经济的发展，玉米已经从传统的粮饲二元作物向粮、经、饲、蔬、加工等多种用途拓展，应用范围不断增加，产业链条逐步拓展，成为具有 重要经济和社会价值的农产品 53。和其他农作物相比，玉米品种类型多，生态环境和生产条件各异，生产目的也不同，更需要切实有效的技术指导 3。 本研究以玉米生产信息化服务为切入点，以 实现玉米生产全过程信息化 为突破口，依托玉米生产最新研究成果，综合利用现代信息与网络技术最新成果，系统研究获取和整合玉米产业链所需的各种信息、技术和相关资料，开发系列玉米咨询服务系统软件，构筑适合我国国情的 玉米生产信息化服务平台 （下称平台）及其服务体系，探索农业科技成果转化的新模式，拓展农业技术服务途径， 提高农业科技推广普及效率和 水平 ，为我国农业生产信息化服务于农业生产全过程提供有益的借鉴。 业 生产 信息 化服务 国 内 外研究 现状 世界农业 生产 信息 化服务 是 在 20 世纪 90 年代以来 ，随着 农业数据库开发、网络和多媒体技术应用 发展起来的 44。目前，处于世界领先地位的国家有美国、德国、日本等。 信息技术在作物生产 多个 方面已取得重要进展 65,72。 (1) 建立数据库是促进信息资源有序化的基本途径和实现信息服务的基础。世界上最有影响力、数据量最大的大型农业数据库是 农业系统数据库 (国际食物信息数据库（ 美国 农业部农业联机存取数据库 (国际农业生物中心数据库 (44。另外，许多农业科研单位还建有学术性和专业性较强的专业数据库 31,46。如欧洲玉米数据库和玉米种质库等，提供的信息包括机构编码、品种数量、搜集数量、品种、品种名称、起源国家、起源地区、搜集地点、搜集经度和纬度、搜集日期、搜集样品的水平、玉米粒类型、玉米粒颜色等资源详细信息。当前，发达国家农业数据库建设发展的趋势是由文献型、数值型、事实型向智能型、多媒体型发展。我国农业领域的代表性数据库有中国农业科技基础数据库、中国农 林文献数据库、中国农业科学院博士学位论文 第一章 绪论 3 中国农业文摘数据库、中国农作物种质资源数据库、植物病虫草害名录数据库等 7,17,24。这些数据库的特点和存在问题是以文献型为主，事实型少；自用型多，共享型少；来自文献的、二次性的多，来自科研和市场的一次性文献少，因而信息质量不高，时效性差。 (2) 专家系统由单机版向网络版发展，实现可视化的远程诊断与信息服务是未来发展的重要方向 32。农业专家系统是将农业专家的知识、经验，用合适的表达方法，经过知识的获取、总结、理解、分析，存入知识库，通过一定方式解答农业问题的计算机系统 56。世界上 应用最早的农业专家系统是上世纪 70 年代美国 学开发成功的大豆病害诊断专家系统（ 比较有影响的农业专家系统有美国的 园管理及害虫防治）、 花管理专家系统）、 业技术和资源保护）以及日本千叶大学开发的番茄病害防治专家系统等 44。我国农业专家系统研发始于上世纪 80 年代，重点对水稻、小麦、玉米、棉花、大豆等作物的引种、良种推荐、合理施肥、节水灌溉、病虫害防治、综合栽培调控等过程进行了研究，如本课题组开发的“冬小麦新品种选育专家系 统”和“玉米杂交种选育专家系统”、中国农科院土肥所开发的“禹城小麦、玉米施肥专家系统”、长春市农科院的“玉米栽培专家系统”、福建农业大学的“农药处方与病虫害综合治理计算机咨询专家系统”等都是影响比较大的研究成果 1,6,24,35。这些专家系统在示范推广取得一定成效的同时也表现出不少问题：研制的系统单机版多、网络版少，且主要集中在作物生产的某个方面，涉及作物生产全过程的系统较少；由于生产实践中的问题存在复杂性、实时性和紧迫性，设计专家系统时常常不能把问题考虑得很周全，编译好发行到用户手中的专家系统在生产实 践应用中常常会遇到各种各样系统中没有设计或考虑的而实际又是急需解决的问题。 采用“面对面”的交流，可以克服专家系统不能实时地解决生产中不断出现新问题的弊端，基于网络的可视化技术是一重要的解决方案与途径，并率先在作物病虫远程诊断方面取得突破。远程诊断技术是以计算机和网络通讯为基础，利用远程通讯技术和计算机多媒体技术对远距离的用户进行诊断和治疗，最早应用与医疗领域，目前在农业生产的植物保护方面有长足发展。美国康奈尔大学的康奈尔植物病害诊所、普陀大学的植物和病虫草害诊断实验室等已经率先使用该项技术 22,69。 (3) 农业网站的建设方兴未艾 。 现在，美国已建成世界上最大的农业计算机网络系统 系统覆盖了美国国内的 46 个州、加拿大的 6 个省和美国以外的 7 个国家；英国也建立了覆盖全国的农业计算机网络 4。此外，日本的 大利亚的 兰的 7,32,44。据统计，到 2006 年底，我国的涉农网站也已达 6300 家，大体可以分为三类：各级政府部门的农业信息网，农业科研和教育信息网，涉农企业和机构的信息网。本研究前期的调查表明，国内外农业信息 网站建设存在着一些共同的问题，如网站的建设者往往不是农业专业人员，很少参加农业生产或到农村实地考察，对农民在生产中遇到的困难及农民急需了解的信息内容知之甚少，在网站内容制作上不可避免的带有较强的主观意识，发表的信息脱离实际生产，能被采用的很少；即使了解了需求，也由于缺乏有力的数据支撑，而无法提供真正有用的信息。 据中国互联信息网络中心 2006 年的调查统计报告显示，涉农行业的上网人数还不足上网总中国农业科学院博士学位论文 第一章 绪论 4 人数的 1，对于 2/3 为农业人口的中国而言，信息网络在农业生产中的应用是微乎其微的。目前，能够直接利用网络信息终端的 涉农单位主要在县、乡，农民能上网的很少，存在信息发布者和使用者间链条断层的现象。因此，建设针对某一作物能提供全方位信息服务的专业网站，建设基于农民和信息使用者需求的网站内容，延长信息传递链将是未来网站建设的一个重要方面 30。 国 农业 生产 信息 化服务 中 存在的问题 我国农业生产 服务 领域中信息技术的应用起步较晚，但近年来已经取得长足发展，农业生产信息化服务已具备了一定的基础，建成了一些大型农业资源数据库、农业专家系统和决策支持系统，在发布农业信息、提供科技服务、引导生产经营等农业生产方面已经发挥了重要 作用。 但是，目前我国农业生产信息化服务过程中还存在的一些问题， 归纳 起来主要有： (1) 农业 生产 信息采集范围 有限 、 信息质量不高、 数据分散 和对农民和信息使用者需求体现不足 。 多数 信息资源采集的渠道主要依靠基层的情况汇报以及报纸、杂志、网络等传媒方式， 主要是文献性和二手性 的 信息；农业科研人员的 农业生产直接相关的 科研成果 第一手 信息、 专门针对在 农业 生产实践第一线 广大农户和基层农业技术人员的信息需求 的 调查研究第一手资料 还较少 ； 多数 信息只是堆积在一起或只是经过简单的分类，没有 充分利用专业理论知识在分析研究的基础上形成 具 有独特见解 和 系统 性的 信息。 (2) 农业 生产 信息 化 服务面窄 ，缺乏针对一个作物生产全过程的系统 信息化 服务 。 农业生产信息化服务还只是局限于农业生产某一方面，没有应用到农业生产的全过程。 只 注重产中的技术推广服务，忽视产前，产后的配套服务。导致广大农户和农业产业化经营者不能在产前及时了解到品 种信息、栽培技术措施、市场需求情况等有关信息，例如 在结构调整中 往往就 表现出来的区域布局、品种布局趋于雷同，在生产上盲目跟风，最终导致生产的农产品销售困难、农民达不到通过调整结构增加收入的目的。 (3) 农业生产信息化服务手段落后 ，不能满足 解决 农业生产过程中 问题 的实时性、突发性的和不可预见性要求。目前，广大农村的农业生产信息服务手段主要还是通过广播、电视、报纸、农业信息宣传资料、农村黑板报等传统媒体传递给农民，而现实中的市场需求变化莫测，新技术、新品种层出不穷，广大农民往往由于缺乏科学知识和及时的信息而陷入被动。采取现代信息技术手段的单机版农业专家系统和农业专家决策系统，虽然在农业生产信息化服务过程中起到 了 较大的作用，但难以及时针对农业生产中遇到的问题进行更新和升级是其固有的弱点。 (4) 农业生产信息传播链不完整，没有建立相应的服 务体系。目前，农业生产信息服务工作在一些地方虽然得到了加强，传播途径增多，信息量也增大，但是没有能真正解决信息传播中的“最后一公里”问题，还没有切实可行的办法让农业生产信息及时、有效的传递给农民手中、中间始终存在“时差”问题。 中国农业科学院博士学位论文 第一章 绪论 5 究思路和研究方法 针对 我国农业生产信息化服务中 特别是对某一作物来说 存在的问题 ， 本文 在集成多种信息技术手段的基础上 构建 玉米生产信息化服务 平台 及其服务体系 来探索解决方案 。 根据农业生产的基本规律，以玉米生产过程为主线，从玉米生产者的信息需求出发，确定玉米生产信息化化平台的主体框 架。通过研究获取和整合全国玉米信息资源，对信息采集、整理、挖掘和开发，完成知识数据库和规则库的构建，并逐渐充实数据库的内容，建立数据质量高的玉米生产全程信息数据库及管理系统。同时研究、开发能够充分适合我国农业生产信息服务国情的软件和产品，将各数据库进行有机的整合，完成玉米生产信息化平台及其服务体系的构建工作，实现研究目的，服务于玉米生产的全过程。 具体的技术路线和研究方法如图 1示： 文 的章节 内容 第一章 绪论 前两小节主要是描述了本研究的背景和意义、农业生产信息化服务的国内外进展，后两节分析 我国农业生产信息化服务中的问题以及针对这些问题提出研究思路和方法。 第二章 玉米生产信息化服务平台设计 基于用户需求、农业技术推广和信息及网络技术发展与应用的现状，以研制的玉米生产信息数据库为基础，以开发的玉米信息服务系统为核心，以“中国玉米”网作为门户，以专家和信息员队伍建设为关键，以物化技术产品为补充，构建了“