农业信息获取

农业信息的获取,青岛农业大学资源与环境学院,学时数：32学分：2全部理论教学，多媒体随课考试,主要内容,1.农业信息概论2.农业信息获取技术3.农业信息的采集与处理4.农业数据库建设5农业信息的表示方法,教学参考资料,马新明主编.农业信息化技术导论.北京：中国农业科学技术出版社，2009.2胡林编著.农业信息技术与信息系统开发.北京：中国农业科学技术出版社，2008.7李军主编.农业信息化技术.北京：科学出版社，2006.1曹卫星主编.农业信息学.北京：中国农业出版社，2005.2王人潮等著.农业信息科学与农业信息技术.北京：农业出版社，2003.3,苏国贤编著.农业科技信息收集与分析.北京：中国社会出版社，2008.4苏帕莎主编.网络化农业文献信息资源建设的研究与实践.北京：中国农业科技出版社，2007.7周勇，孙昳，聂艳编著.农业管理信息系统理论与实践，北京：化学工业出版社，2007.1赵立桢，赵欢乐主编.农业信息检索与利用教程.北京：中国农业大学出版社，2002.2,1.农业信息概论,1.1信息与农业信息1.2农业信息的基本特征1.3农业信息的类型,农业信息概论,信息是信息源所发出的各种信号和消息经过传递被人们所感知、接受、认识和理解的内容的统称。信息有物质信息和精神信息。信息现象无时无处不在，信息广泛分布于自然界、人类社会和人的思维活动过程中，信息现象是永存的，超越人类社会的发展过程。,1.1信息与农业信息,农业信息是有关农业系统的消息、情况或知识，是信息在农业领域的体现。,农业信息既有一般信息的共性，也有不同于一般信息的特点，例如，在作物生产中，为了进行科学的田间管理和取得丰收，就要不断且及时地了解在一定天气与土壤环境条件下的农作物生育状况。这也是我国农民在多年的生产实践中所归纳的“看天、看地、看庄稼”的作物生产原则，所以农业信息的特点如下：,1.2农业信息的基本特征,农业信息概论,农业信息概论,(1)发布及时性如作物或家畜疫情信息等，往往在广大地区被农民及农业工作者所需求，将信息有效地、迅速地、及时地传播出去是这种信息的特点(2)地域性任何农业技术、优良品种都要与当地自然、社会条件相结合，当时当地的各种有关动态信息对于农业生产、农业管理决策至关重要。,(3)周期性和时效性农业信息大体以生物的生育周期为一个周期，每个生育期又可分为不同的生长阶段。这些生长阶段具有固定的时序特征。同时，农业信息是一种动态的信息，时限性极强。超过时限的信息不仅价值降低，而且有可能是完全错误的。,(4)综合性农业信息很多是多门数据综合的结果而且农业信息关联性较强，一个信息往往直接或间接地与多个信息相关，一个信息通常是多种信息的综合。(5)滞后性是农业信息的一个比较隐蔽的性质。如土壤施肥点周围的土壤和作物体内诸多营养元素浓度的变化，往往具有明显的滞后特征。,(6)准确性农业是群体生命的科学，信息数据准确性是生命科学的一个重要特点。作物叶面温度超过正常值0.2就为异常，土壤pH值超过适宜值的0.4作物就难以生存。,农业信息的复杂性获取农业信息，处理农业信息数据对信息技术的要求是相当高的，甚至是苛刻的。农业是研究生命运动的一门科学，生命现象是相当复杂的，而且农业同时是受着自然、社会条件制约，农业管理、农田农牧场管理，市场管理以及农业生产每一环节的决策都需要多门类全方位信息的支持。,农业信息概论,农业信息概论,（一）农业自然信息指自然界中的各种与农业活动相关的信息以及人类所生产的物质所产生的信息。(1)作物生产信息(2)农业气象信息(3)土壤信息,1.3农业信息的类型,作物生产信息：作物种类品种植物营养状况抗性品质作物长势作物营养需求(水分、养分)病虫害,农业气象信息：日照时数日平均温度和日温极值降水风速辐射湿度,土壤信息：土壤类型土壤剖面土壤质地土壤容重土壤含水量耕层或表层厚度土壤养分淋洗土壤养分(土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾)土壤微量元素(硼、锰、铜、锌等),（二）农业社会信息指人类各种活动所产生、传递与利用的信息。包括：（1）农村社会和经济信息（2）农业生产技术（3）农业市场（4）农业管理（5）农业科技教育,农业信息概论,农村社会、经济信息：农业人口的变化、科技教育普及度、农民收入水平、乡村道路建设、能源、通信、医疗保健、社会保险状况等这些象征农村现代化指标的信息，有助于政府制定和调整农村政策。,农业生产技术信息农作物品种、栽培技术、诊断施肥技术、病虫防治技术等农业生产技术信息，有助于提高农业生产水平，增强农业生产者抵御自然风险的能力。,农业市场信息主要包括农业生产资料和农产品市场信息，有助于减缓市场上种子、化肥、农药、机械、农用薄膜等各种生产资料的供需矛盾，促进市场的发育，提高农产品在国内外的市场份额。,农业管理农业生产经营管理的体制、机构和职能状况,农业科技教育与农业相关的科技、教育、培训情况,2.农业信息获取技术,2.1农业信息采集技术概述2.2遥感技术2.3全球定位系统技术2.3田间信息采集技术2.4电子鼻与电子舌系统的信息采集2.5农业科技文献采集农业信息2.6Internet采集农业信息技术,农业是同时受着自然条件与社会经济制约的脆弱性产业，种植业、畜牧业管理、农业市场管理，直至农业生产每一个环节都需要多门类、全方位信息的支持。通过现代信息技术以及地面传统方法获取的农业数据，是农业可持续发展规划、统计分析与决策的重要依据。对信息的利用程度，也正是现代农业和传统农业的最大区别所在。因此，信息采集技术是农业信息科学中首要涉及的问题，是农业管理信息系统的重要组成部分。获取农业信息是利用信息的先决条件。农业信息采集是现代农业的核心之一，高度自动化、准确、及时、快速获取信息是信息采集的重要发展方向。随着当今世界科学技术的发展以及广泛应用，农业信息获取手段和获取途径日趋多元化。,农业信息获取技术,2.1农业信息采集技术概述,农业信息获取技术,(1)空间信息技术包括遥感技术系统、卫星定位技术系统、地面接近地表遥测技术系统及田间自动监测技术系统等。遥感技术系统包括各类卫星和航空遥感技术，可以提供播种面积、长势、洪涝、病虫害及营养的宏观空间信息。卫星定位技术系统提供精确的位置，它不仅可以装载在农业机械上进行移动定位，也可随时携带定位。遥测技术系统是指在田间按一定范围设置摄像机或红外监测仪等，对农田进行定点定时监测，还有土壤湿度和土壤养分自动测定仪，它埋于土壤的一定深度处，定时将自动监测结果传送到分析中心。其优势在于可以实时地获取大面积的农业信息，成本较低廉，受人工干预小，结果客观。但是，部分信息如气象信息难以由遥感手段获取，或者采集精度不能满足实际需要。,(2)地面探测技术主要是指安装在农业机械上的快速自动探测设备，如装置在农业耕作机械上的土壤湿度、土壤养分自动快速探测技术等。如机械进行耕整地作业时，加上自动定位和其他测试传感器，作业时即可测得具有中间位置的土壤湿度、养分等数据，这些信息可以在线记录或通过无线传输传送给分析中心。其优势在于可以获取采集点上所需信息，采集点上精度采用遥感采集信息的精度；劣势在于大面积铺设多个采集点的费用高，时效性比遥感手段差，不利于客观掌握农业信息。,农业信息获取技术,空间信息技术与地面探测技术所获得的数据是相互补充和相互印证，从而达到确保数据质量的目的。空间信息技术获得的数据多数是地表的数据，而地面探测技术可以获得地表以下一定深度处有关土壤理化特性的数据，在农业生物和环境信息采集过程中，空间信息采集技术和地面信息采集技术同时发挥着重要的作用，二者相辅相成，互为补充。,农业信息获取技术,(1)遥感概念广义而言，遥感(remotesensing)泛指各种非直接接触的、远距离探测目标的技术。主要根据物体对电磁波的反射和辐射特性对目标进行信息采集，如利用声波、引力波和地震波等也都包含在广义的遥感之中。通常人们所认为的遥感的概念是指：从远距离、高空，以致外层空间的平台(plat-form)上，利用可见光、红外、微波等遥感器(remotesensor)，通过摄影、扫描等各种方式，接收来自地球表层各类地物的电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，从而识别地面物质的性质和运动状态的综合技术。,2.2遥感技术,农业信息获取技术,(2)农业遥感分类,遥感技术在农业中的应用按内容归纳为下列五类:农业资源调查包括土地利用现状、土壤类型、地下水、海洋等资源的调查，调查结束后进行评价，提供资源的准确数字和分布图件。农业资源监测包括农作物长势、土地荒漠化和盐渍化、农业环境污染、水土流失等的监测，这种监测是持续进行的，在监测过程中不断提供农业资源的变化数字和圈件，用于农业生产的组织、管理和决策。生物量估产包括小麦、玉米、水稻、棉花等农作物的产量预测，也包括草场产草量估测和，海洋捕捞量估测等农业灾害预报包括农作物病虫害、草场雪灾和火灾、洪水、旱灾等的预报，监测灾情的变化，估计受灾的损失等。特殊应用农业人口分布和农村运输网调查、熊猫食用箭竹资源调查、湿地泥炭土资源评价等。,农业信息获取技术,(3)遥感技术在农业领域的应用,在我国农业应用中，从早期的土地利用和土地覆盖面积估测研究、农作物大面积遥感估产研究开始，已扩展到目前的3S集成对农作物长势的实时诊断研究、应用高光谱遥感数据对重要的生物和农学参数的反演研究、高光谱农学遥感机理的研究、模型的研究与应用以及草地产量估测、森林动态监测等多层次和多方面。遥感技术和计算机技术的发展和应用已经使农业生产和研究从沿用传统观念和方法的阶段进入到精准农业、定量化和机理化农业的新阶段使农业研究从经验水平提高到理论水平。在农业资源调查、评价、规划和管理中的应用其内容包括资源清查与数量统计、资源质量评价与利用规划、资源变更调查与监测及其科学管理等。,在农业灾害的预报、监测与评估中的应用其内容包括各种农业灾害预警、灾害动态监测和灾后灾情评估等。a干旱我国目前较为常用的遥感监测干旱的方法为热惯量法和作物缺水指数法。热惯量是物质热特性的一种综合量度，反映了物质与周围环境能量交换的能力。不同物质的热惯量值差异很大，从而对物质温度的变化幅度起决定作用。土壤的热惯量与土壤含水量有很好的相关性。因此，可以从土壤温度昼夜的变化幅度来推求土壤含水量。热惯量法适用于早春和冬季裸土情况。由于植被会改变土壤的热传导，因而此法不适用于植被覆盖情况。,农业信息获取技,农业信息获取技术,作物缺水指数(cropwaterstressindex,CWSI)是土壤水分的一个指标，是由作物冠层温度转化而来的，其模型为CWSI=1-EdEp，式中，Ed为蒸散发量，Ep为蒸散发能力。Ed越小CWSI越大，反映了供水能力差，即土地干旱。利用由NOAA气象卫星得到的热红外温度可计算出蒸散发量Ed和蒸散发能力Ep，进而可以计算出作物缺水指数CWSI，并可作旱情分级。作物缺水指数法通过反演作物冠层温度得到作物根层土壤水分信息，比较适用于植被表面全覆盖的情况。,农业信息获取技术,b冻害应用遥感手段监测冻害，迅速估计灾害的发生与范围，有重要的经济意义。杨邦杰等(2007年)利用冻害发生期间气象台站的资料和同期气象NOAAAVHRR的所有晴空数据，根据植被指数NDVI突变的特征，结合作物的生育期，提出了实用的小麦冻害监测方法。冬小麦在春季遭受冻害后，植被指数急剧下降，有一个突变值。此时的植被指数不反映冬小麦生物量的大小，而主要是冬小麦活性降低所致。春季冻害大多为-1左右的低温，冬小麦的根、叶不至于冻死，生物量并未明显减少，冻害过后可迅速回复。但极不耐寒的花芽分化受到影响，致使成熟时出现抽穗而无籽的“哑穗”、“白穗”，严重影响最终产量。对这种冻害进行监测必须使用实时或准实时数据，要在冬小麦恢复活性前及时获取并分析隆冬季节因严寒造成的冻害与春季冻害本质不同。严寒使冬小麦根部冻死，来年春季返青受到影响，因生长量小，致使植被指数在较长的一段时期内偏低，易于用遥感监测，对监测的实时性要求不强。此外，张小煜等(2001年)还在宁夏主要作物霜冻遥感监测研究中应用了植被指数差值、指标判读、最低气温计算等方法提高温度反演的精度。,农业信息获取技术,c.洪涝灾害遥感技术很早就用于洪水的监测工作，水利部遥感中心早在1983年就曾利用陆地卫星MSS图像监测了位于三江平原的挠力河的洪水，后来又采用NOAAAVHRR、机载SAR、航空彩色红外摄影等技术手段监测洪水，现阶段洪涝灾害遥感监测技术已经成熟，可利NOAAAVHRR卫星资料，从典型的地物波谱特征出发，建立洪涝水体的判别函数，进而进行面积量算。,d病虫害鉴定病虫害发生的标志包括：叶色的变化、叶与植株的变形、叶片物理结构变化、叶绿紊含量的变化以及叶片上产生残留物等。这些变化的结果使b病虫的寄主在光谱特性上发生了很大变化，反映到彩色红外摄影片上的密度产生了相应的变化。通过大量研究证明，好多作物如小麦、玉米、棉花、高粱、牧草、果树和森林等方面均能应用遥感技术大范围地对多种病虫害进行监铡调查。,农业信息获取技术,农业信息获取技术,在农作物长势动态监测和大面积估产中的应用其内容包括作物长势动态监测，作物分布和播种面积监测，作物单产与总产量估测等。作物长势是作物生育状况总体评价的综合参数。农作物长势监测是指对作物的苗情、生长状况及其变化的宏观监测(图31以冬小麦为例说明作物长势参数),我国早期的农业遥感的重点是在估产。从“六五”计划开始，开展了农作物遥感估产研究，并在区域尺度上开展估产试验。自1983年起农业部先后组织北京近郊小麦、浙江嘉湖地区水稻及北方六省市小麦遥感估产。“八五”期间遥感估产成为科技攻关内容，小麦、玉米和水稻大面积遥感估产研究取得了丰硕的成果。,农业信息获取技术,2.3全球定位系统技术,(1)全球定位系统的概念全球定位系统(globalpositioningsystem，GPS)是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。全球定位系统是美国第二代卫星导航系统，是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬件、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，已遍及国民经济各个部门，并开始逐步深入人们的日常生活。目前，范围从数公里至几千公里的控制网或定位监测网，精度从百米至毫米级的定位，一般都将GPS作为首选手段，随着实时动态定位技术的日趋成熟，GPS已开始向分米乃至厘米级、高精度动态定位等领域渗透。,(2)GPS在农业领域的应用合理施肥，精准农业管理依据农田土壤养分分布图，设置有GPS接收机的“受控应用”的喷施器。在GPS控制下，依据土壤养分含量分布图，能够精确地给田地的各点施肥，施用的化肥种类和数量由计算机根据养分含量分布图控制.在作物生长期的管理中利用GPS定位采集一定数量的土壤及作物样品进行分析，可以做到精确地对作物生长进行管理。土壤养分分布调查在播种之前，可用一种适于在农田中运行的采样车辆按一定的要求在农田中采集土壤样品。车辆上配置有GPS接收机和计算机，计算机中配置地理信息系统软件。采集样品时，GPS接收机把样品采集点的位置精确地测定出来，将其输入计算机，计算机依据地理信息系统将采样点标定，绘出土壤样品点位分布图。,农业信息获取技术,2.3田间信息采集技术,(1)土壤中有机物含量的测定目前，国外科学家采用两种方法解决土壤中有机物含量的测定问题。美国普度大学研制出的660nm单光谱带传感器可被安装在耕作工具底部，并能屏蔽外来光。耕作工具在车辆带动下，在土壤上挖出100mm深槽传感器中的发光二极管以25mm的距离照射这一面积。光电检测器测量660nm光谱带反射的光，就测量出土壤中有机物的含量。密苏里大学和伊立诺斯大学的科学家研制出另一种多光谱带传感器.该传感器从1.6-3.0nm光谱范围内的不同波长测量土壤的反射率。它使用可变圆旋转滤光器来改进宽带近红外光源的辐射；用硫化铝光电检测一器测量从土壤样品中反射的光，用计算机收集和分析数据。科学家们发现,可从12个光潜带获得精确的数据。由于这种传感器与它相适应的数据分析算法比单光谱带传感器获得更多数据，所以，它可以分别测量出有关土壤有机物、水分、土壤泥土成分和其他的一些数据。它不需要对被测量土壤再标定，数据分析程序只需10s就能够处理一种土壤样品。,(2)土壤水分快速采集作物正常生长在很大程度上依赖于土壤中提供的水分，作物只有在得到充足水分供应的情况下才可以健康生长，因此准确地监测土壤中的水分是制定灌溉决策的重要依据。目前土壤快速测定方法应用最普遍的是电阻型土壤水分传感器测定法和基于介电常数的时域反射(TDR)法。,农业信息获取技术,利用电阻型土壤水分传感器测定土壤水分通常情况下测定土壤水分应把多个传感器放置在土壤同一位置的不同深度，其中一个传感器要放置在作物有效根区的上部，而其他的传感器放置在有效根区的下部不同位置处，人们有时把这些位置俗称为土壤水分“感应站”，水分传感器在这些位置可以更好地表达作物对水分的吸收情况。在不同的灌溉条件下传感器有不同的放置方法。,农业信息获取技术,利用TDR快速测定土壤水分TDR土壤水分测定法也称为时域反射测定法，它对土壤水分的测定原理主要通过测定电磁波沿着波导电极的传播时间来计算土壤中水分的含量。电磁波在土壤中的传导依赖于土壤的容积介电常数，通常水的介电常数e=80要大于空气c=1和干燥土壤c=37，利用土壤的这一特性即可以测得土壤中水分含量。TDR一般由两个不锈钢做成的波导电极和电子控制线路构成，测定土壤水分时电子控制原件通过不锈钢电极发射和接收返回的高能量电子信号，达到测量土壤体积含水量的目的。测量时土壤的采样体是一个椭圆体，该椭圆体距电极中心约3cm，反射回的高频信息被转换成土壤的体积含水率显示在显示面板上。在田间进行土壤含水量测定时应将电极完全插入土壤中。若电极没有完全插入土壤则其测定的主体中会含有空气，降低土壤含水率的读数值。土壤水分测定时探针要垂直插入土壤中，否则测定的主体中会进入空气，影响水分的测定精度。,农业信息获取技术,(3)SWR型系列土壤水分传感器由中国农业大学研制，采用最新技术设计，其性能已与时域反射仪(TDR)和中子仪(neutron-probe)相当，并且有一定突破。这种传感器是由100MHz信号源、一节同轴传输线和一个四针不锈钢探头组成。信号源产生无线电波，此波沿着传输线传送到探头。由于探头的阻抗与传输线的阻抗不匹配，一部分的信号将反射回信号源，在传输线上，入射波与反射波叠加形成驻波，在传输线上各点的电压幅值存在变化。这样，通过测量传输线上的驻波率可以达到测量土壤体积含水量的目的。它的主要特点为：测量精度高，响应速度快；土质影响较小，应用地区可长期埋入土壤中使用，且不受腐蚀；价格低廉，适合中国国情。,农业信息获取技术,(4)作物传感器植物密度Plattner等(1996年)研制和试验了一种用来确定玉米密度的光电传感器。该传感器由一个光电发射器和接收器配对组成，测量种植的行间距离。传感器被放置在联合收割机的玉米收摘器上。有效光合照射Kebabian等(1998年)设计和制作了一种用于实时定点感应作物有效光合作用的光学传感器。传感器的原理是当从发荧光的植物中收集到的光进入含有低压氧的元件中时，氧会吸收能量并继而重新发射出光子，从而被光电倍增管探测到。,农业信息获取技术,(5)土壤状况检测中国农业机械研究院在其研制的联合收割机上,装备有全球卫星定位系统，通过电子传感器和卫星来定位。配备了农田信息采集系统的联合收割机，不仅可以在瞬间计算出粮食产量，而且在整个收获季节可以连续地记录下每平方米土地的产量及其他信息，如蛋白质、水分、硬度等。借助于专用的机载电脑，农民就可以绘制出各地块产量的“数字”地图和粮食品质的“数字”地图。这些新的“数字”地图为农业生产带来了新的信息，经过逐年的数据对比，就会发现同一地块内肉眼所觉察不到的那些变化，这为以后选种、再生产提供了科学依据。,农业信息获取技术,(6)土壤电导率实时测试系统国外应用于农业的土壤电导率快速测量传感器可以归为两种基本设计：接触式和非接触式。非接触式土壤电导率传感器利用了电磁感应现象。首先向接近地面的发射线团通入交变电流，产生一个随时间变化的磁场，称为主磁场；主磁场在土壤中感应出微弱电流，该微弱电流又在土壤中激发出另一个磁场，称为副磁场。然后，由接收线团同时感应主、副磁场的变化。因为主磁场强度和副磁场强度的比值与电导率呈线性关系，所以，所测土壤的电导率可以方便地求得。接触式土壤电导率传感器是一种电极式传感器，一般采用“电流一电压四端法”，所谓电流一电压四端法是指测试系统包括两个电流端和两个电压端。作为测量激励信号的恒定电流经过两个电流端流人大地，通过检测两个电压端的电势差，就可换算出土壤的电导率。,农业信息获取技术,(7)基于近红外分光技术的土壤在线分析仪目前，获取农田环境信息最主要的方法仍是制作产量分布图和土壤参数(土壤水分、有机物质含量、EC、可吸收氮含量、pH值等)分布图。众所周知，化合物内部存在有分子振动，当该化合物受外界光作用时，系统会发生能量吸收，进而引起振动能级的跃迁。能量吸收频率取决于分子振动的频率，能量吸收的程度取决于组成分子振动的元素的含量。基于这个原理，利用近红外光在物质透身或反射时所吸收光线的程度及频率，就可分析物质成分的种类和多少。,农业信息获取技术,2.4电子鼻与电子舌系统的信息采集,长期以来，在烟草、食品、饮料、酒品、香精、香料、包装材料及化妆品等产品设计及生产过程中，以气味和味道进行品质控制手段一直是抽象而主观的判断，因此鉴别及判断(检测合格品、杂质、变质及废品)只能依靠有经验的专业人员所组成的专家组来完成。但是这种传统方法主观性强、重复性差，并且容易出现疲劳而影响分析结果。随着生产过程其他环节自动化程度的提高，食品工业越来越需要一种客观、快捷、重复性好的方法来评估食品品质这种主观信息。近年来，国内外在应用电子鼻与电子舌技术方面，开展了一系列研究，并取得了相当进展。电子鼻又称气味扫描仪，是20世纪90年代发展起来的一种快速检测食品的新颖仪器。它以特定的传感器和模式识别系统快速提供被测样品的整体信息，指示样品的隐含特征。电子舌是一种使用类似于生榜系统的材料作传感器的敏感膜，当类脂薄膜的一侧与味觉物质接触时，膜电势发生变化，从而产生响应，检测出各类物质之闯的相互关系。这种味觉传感器具有高灵敏度、可靠性、重复性。它可以对样品进行量化，同时可以对一些成分含量进行测量。,例如，法国阿尔法莫斯公司最近研制成功一种能够准确辨别味道的电子舌。该电子舌能够准确地识别出酸、甜、苦、辣、咸等各种味道，并精确地测定其浓度它可以分析出果汁的成分，也可以分析污水成分以及工业废料排量是否超标等。阿根廷人把“电子鼻”应用到了葡萄酒行业用来酿造美酒。布伊诺斯艾利斯大学的研究人员使用“电子鼻”分析葡萄酒的pH值以及监测酿酒程序。电子鼻与电子舌系统还可以应用在食品工业中的很多方面。在原材料方面，可以用来检测鱼、肉、蔬菜、水果等的新鲜度；在生产过程方面，可以用它实现烹调、发酵、存储等过程的监测；在产品评价方面。它可以用来评价水果、葡萄酒、干酪和肉制品等的成熟度，评价和识别不同品牌的白酒、葡萄酒，检测果汁等饮料的新鲜度。此外，它还可以用来分析包装材料及其与产品的相互作用。,农业信息获取技术,2.5农业科技文献采集农业信息,文献是记录知识的载体和传播工具，而知识是信息的一种体现和重要方面，是人类智慧的结晶。文献信息属自然信息、生物信息和社会信息这三大信息中社会信息的一种。农业科学形成的一整套知识体系多以文献的形式体现，所以从农业文献信息资源中采集农业信息是农业信息采集的重要手段之一。,农业文献类型较多，但从文献载体的物理介质可始分为以下几种类型。纸介质(印刷型)纸与印刷技术的完美结合是记录、存储知识的优良载体，它造福于人类，使文明得以传播和代代相传。感光材料介质(缩微型)即利用照相原理和光学技术将印刷型文献按比例缩小成缩微品(平片、胶卷)，其优点是加大了信息存储密度，节约了书库空间，而且便于存储。音像介质(声像型)有录像片、电影片、幻灯片、录音带等。此类型文献运用声、光、电技术的直观、生动、形象的效果，同时调动人的视觉和听觉功能。磁介质(电子型)是利用计算机，将农业文献信息存储在磁盘、磁带、光盘、多媒体等一些新型载体上，这种体现现代技术高度发展的文献类型能高密度存储知识信息的优点极为突出，而且能超越地域、时间的局限，是迄今为止人类历史上信息传播交流最为先进、最为迅速、最为有效的理想载体。,农业信息获取技术,从出版形式、内容、性质、体裁划分可分以下几种类型：农业科技图书分为阅读型、参考工具书、检索类工具书、特种图书等。其特点是内容比较系统、全面，观点成熟；学术价值高。农业科技报告是农业科研单位科研工作的总结。报道农业科研工作阶段性进展和技术开发工作进展情况。其内容专深，反映一定的创新意识。农业科技会议文献有国际性、地区性会议，常见的是专业性会议。这些记载会议交流论文或有关文件的文献及时反映某个学科前_沿或专业领域的发展趋势，是一种重要的农业文献信息资源。农业统计资料有统计年鉴、年刊、手册等。用数据表达，反映农业科研、教育、生产以及农业经济发展现状、水平与动态，大多具有连续性，具有重要参考价值。农业专利文献由于专利体现了对知识产权的保护，保密度较高，文献内涵刨新性较强。包括专利说明书、专利公报、专利分类表、专利法律性文件等。,农业信息获取技术,农业标准文献有国际标准、国家标准和行业标准，大多有具体的指标、规格、数据、技术程序等，是推行标准化的依据和工具，具有权威性和可操作性。政府出版物是各国政府部门及其所属机构出版的文献，反映有关方针、政策、指示、决议、规章制度以及各部门技术方面的研究报告等。农业产品目录资料包括产品样本、产品目录、说明书、技术资料以及企业名录、介绍等，旨在推销农产品，多为图文并茂，形象直观，发行迅速。农业科技档案是农业科研、教育、技术开发和产品试验活动中记录积累下来的材料，包括科研项目申报材料、项目任务书、研究计划、技术措施、进展情况等。农业期刊(农业连续出版物)其特点是周期较短、报道快、内容新、连续性强，具有较高的时效性和情报价值。按其性质可分为学术类、报道类、检索类等；按主编部门可分为学会(协会)会刊、行业期刊、单位通信性刊物等。,农业信息获取技术,2.6Internet采集农业信息技术,Internet的迅猛发展为我国农业提供了广阔的信息交流与资源共享环境，将从根本上改变传统的信息收集和交换的方式。特别是中国农业信息网和中国农业科技信息网的相继开通运行，标志着信息技术在农业领域的应用开始迈入快速发展阶段。Internet已经成为继报纸、广播、电视后的又一具有重大影响力的媒体，商业界称为第四媒体。由于Internet没有国界，可以使用多种语言和文字，费用少，收效大，并且费用将继续降低，内容修改方便，信息更新容易，效果好。人们可以利用各种软件和工具更快、更准确地从Internet上获得所需要的有效信息，并保持信息的动态更新。,(1)Web农业信息的检索方法直接访问法如果已经知道某个将要查询信息所在的网址，联网后启动浏览软件，利用浏览器直接到该网址的主页进行信息查找。搜索引擎法搜索引擎法具有查寻速度快、查全率和查准率较高、省时省力的特点，是网上农业信息检索的重要途径之一。网络漫游法就是利用查询到信息所据供的链接，从一个网页进入另一个网页，逐级逐个地在网上浏览。“网络漫游法”涉及的信息量大，而且经常会发现一些极有价值的农业信息。,农业信息获取技术,(2)获取Web农业信息的途径直接下载可以通过相应的软件将网上搜集到的信息直接下载到自己的计算机上。电子邮件(Email)利用电子邮件可发送和收取各种信件，还可以订阅各种电子杂志等远程登录(Telnet)启动远程登录软件，输入域名和密码，这时，客户计算机即可作为远程终端与该主机相连，并可以访问主机，按规定权限使用存在于主机及Internet上的资源和应用程序。文件传输(FTP)Internet上的许多网站都存有大量的软件和文件，通过FTP可以将某些需要的信息资料、图像、软件及其他文件下载到自己的计算机上以方便使用。,农业信息获取技术,3.农业信息的采集与处理,3.1气候信息的采集与处理3.2水信息的采集与处理3.3生物信息的采集与处理3.4土壤信息的采集与处理3.5农业环境信息的采集与处理3.6计算机数据采集管理系统概述,3.1气候信息的采集与处理,农田气候一般指距农田地面几米内的空间气候，是各种动物、植物和微生物赖以生存的空间气候。农田气候要素包括太阳辐射、大气温度、大气湿度、风速等，随时间、地点、空间发生变化，对农田作物生长、发育与产量形成影响巨大。采集与处理农田气候信息，以便对农业生态环境进行模拟、调节和控制。,(1)农田气候信息采集与处理系统的一般构成,农田气候信息采集处理系统以信息采集为主，同时完成相关的处理分析。系统主要在野外使用，要求携带方便、操作简单，在总体设计上多选用以单片机为中心的智能化系统。系统由数据传感器、采集器、单片机输入输出接口、输入输出设备等组成，为了气候信息的实时采集还需提供年、月、日、星期、时、分、秒的日历硬时钟，同时系统多扩展有串行、并行通信接口，以便与系统主机进行数据通信，其组成如图所示,智能化采集处理系统的一般结构,农业信息获取技术,农田气候信息采集处理系统是一个功能扩展的单片机应用系统，由气候信息采集输入通道、数据通信输出通道和单片机功能扩展系统三部分组成。,(2)农田气候信息采集处理系统的硬件构成,农业信息获取技术,(一)信息采集输入通道信息采集输入通道设有16个输入通道,由多路开关分时选通，完成空气温度、空气湿度、光辐射、地面风速以及土壤热通量等气候信息的采集。(二)数据通信输出通道采集处理系统为方便数据处理、数据存储和图形显示，设置了数据通信输出通道，通过串行通信总线(适宜于30m内)和20mA电流环(远距离)，将数据送入系统主机，以便对数据做进一步的处理、分析。(三)系统功能扩展为了适应农田气候信息采集、存储、处理的需要，增强单片机系统的功能，系统外扩展了程序存储器、数据存储器、输入输出口以及定时器计数器。(四)农田自动气象站自动气象站是一种按设定的要求对多项气象要素自动进行采集、处理、存储和编制报表的地面气象观测设备，可以减少观测人员的地面观测工作量，提高观测时效和质量。,农业信息获取技术,(3)气候信息采集处理系统应用软件,采集处理系统依靠运行程序软件实现信息的自动采集和自动处理，其应用软件系统框图如图所示。程序软件的设计能够应用BASIC语言和汇编语言编程，可以有效地发挥和扩展系统硬件的功能，又可以完善抗干扰措施,应用软件系统框图农田气候采集与处理系统能自动采集和处理辐射量、空气温度、空气湿度、近地面风速以及土壤热通量等多种参数，精度高，操作方便，在小气候综合监测、农业气候预测预报和能量平衡研究方面得到应用。,农业信息获取技术,3.2水信息的采集与处理,(1)土壤含水量的监测TDR土壤水分测定系统常见的TDR土壤水分测定系统有Trase土壤水分测定系统、Trime土壤水分测定系统等。不同型号的TDR土壤水分测定系统通常有8、15、20、30、45、50、60、70、110、160cm等不同长度的波导探头可供选择，可以分别采用插入式、埋入式和管道式探头测定表土层和土壤剖面不同深度的土壤含水量，剖面深度最深可达3m,，如果与多路盒相连可以连接多个探头，实现多点土壤水分同时监测。,(2)负压计土壤湿度监测系统负压计，又称张力计，以测量土壤负压(张力)来显示土壤水分状况。负压计瓷头埋设于土壤中某一深度后，负压计内部的水分通过瓷头上的微孔同土壤水分进行交换，使内外水势渐趋平衡，仪器上所指示的负压值即代表土壤水势，可以直接反映土壤水分能为植物吸收利用的程度，同时又可换算为土壤含水率。负压计结构简单易于制造，因此使用较为广泛。但负压计易于受环境温度的影响，仪器稳定性较差。此外，负压计具有滞后性，往往不能及时反映土壤水分状况，在土壤干燥过程中尤为显著。,农业信息获取技术,（三）中子土壤湿度计利用中子热化原理，快中子源发出的中子在遇到氢原子后，失去部分动能转化成慢中子，仪器根据测出的慢中子数量计算出土壤含水量。土壤含水量愈多，快中子转化为慢中子的数量也愈多，仪器可以将计数器的计数转换为土壤含水量值。中子仪由探头和计数器组成。探头由快中子源和一个慢中子检测器组成。计数器用来监测土壤散射的慢中子通道。中子仪使用方法较为简单，只需将探头插入预设的测量孔某一位置，即可测出该位置(点)周围的土壤含水量。沿测孔上下移动即可测定不同深度土层的土壤含水量，可测量多达30m深的土壤剖面含水量。目前主要采用手工方法测量，也可改造为自动化或半自动化监测仪。,农业信息获取技术,(四)电阻电容式土壤湿度监测系统电阻电容式土壤湿度监测系统分别采用电阻式土壤湿度传感器和电容式土壤湿度传感器。前者通过测量埋入土壤中的感湿元件的电阻值得到感湿元件的湿度，从而间接求得土壤湿度，测量结果易受土壤盐分影响，且有滞后性。后者根据土壤介电常数随土壤湿度变化的原理来测定土壤湿度，受土壤盐分的影响较小。如石膏块土壤水分测定系统，通过测量石膏块内两个电极间的电阻可以显示含水量。石膏块永久埋入土壤中，寿命为35年，适用于干燥土壤环境(张力计无法使用)，测量范围3100KPa,农业信息获取技术,(五)FDR土壤水分测定系统FDR(freqLlencydomainreflectometry)频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理，根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数，从而得到土壤容积含水量。FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点，在土壤干旱条件下测定结果误差小于TRD的探针类似于TDR。,农业信息获取技术,(六)土壤水分遥感监测对于裸地，可利用热红外遥感土壤水分，其内容包括：一是通过热红外遥感方法获取的热图像数据推算地表温度的时空分布，二是确定土壤水分含量与地表温度之间的定量关系，推算土壤湿度的地区分布。若地表有植被覆盖时，可用多谱段遥感技术来区分植物反射和土壤反射光谱，找出土壤含水量与多谱段反射率的关系，确定土壤含水量。此外，还可采用微波遥感土壤水分和应用N()AAAVHRR数据探测土壤水分。,农业信息获取技术,3.3生物信息的采集与处理,作物生产系统是以农作物为主要管理对象的农业生态系统，对农田生物信息的采集与处理是农作物生产管理决策的基础。本节简要介绍农田生物信息采集与处理的理论和方法。,一、农田生物系统的信息,(1)农田生物信息的类型1农作物生理功能信息农作物地上部叶片的光合速率、呼吸强度、蒸腾速率以及地下部根系对养分、水分的吸收、运输与转化状况等生理功能信息，是人们判断作物群体与个体生长发育是否正常的基本依据之一2农作物结构信息农田作物的结构包括微观结构与宏观结构。作物的微观结构指农田作物生物大分子的形态结构及其组成成分，如组织中大量元素和微量元素的组成，以及有机成分如蛋白质、糖类、脂肪类、色素和激素等生长调节剂的成分与含量，作物的宏观结构包括：作物各个生长阶段的生长状况、生长速度、群体基本苗数、叶面积系数、覆盖率、植株高度、分蘖数，以及单株的形态特征，包括叶片的长度、宽度、面积以及叶片的伸展状况等，根的生长速度和长度、作物根系在土壤中的分布状况。3农作物病虫草害信息农田作物病虫害发生、流行的状况、危害的程度以及杂草对农作物生产的胁迫状况，可为农田病虫草害防治提供决策依据。,(2)农田生物信息的特点与研究方法1农田生物信息的层次性农田作物物种不同、生长状况不同、群体与个体结构形态不同，而同一物种结构也有微观和宏观结构之分。对微观信息的采集主要采用光谱、波谱、色谱、质谱等仪器分析的方法；对宏观信息的传统的采集方法主要依靠人的感官进行定性描述，而计算机图形、图像学方法可以对宏观物体的形态特征、纹理特征与灰度特征进行定量描述。2农田生物信息的多元性农田生物系统十分复杂，其生物信息表现出多元性特点，通常为满足活体、整体和动态测定的要求，采集到的信息往往是多种组分信息的叠加，信息采集需要用多种传感器的协同工作，其信息的分离、利用则需要多组分信息分离技术，运用化学计量学方法。3农田生物信息属于弱信息各种农田生物信息包含于复杂的农田环境系统中，许多非生物环境产生了很强的背景信息，使生物信息变成了弱信息，给生物信息的提取带来一定的困难，必须采用弱信息提取与恢复技术，使弱信息变强。4农田生物信息的时空分布特征农田生物信息随空间和时间不断发生动态变化，生物信息采集要考虑空间分布特征和时间分布特征，注重实时性和空间分布差异，采用计算机图形、图像处理技术。,农业信息获取技术,二、农田生物信息采集与处理系统,(1)系统组成农田生物信息采集与处理系统由硬件和软件两部分组成。1硬件部分该系统硬件部分可分为：信息检测系统、信息调理系统和计算机硬件系统。农田生物信息采集与处理系统硬件组成框图,2软件部分农田生物信息采集与处理系统通过信息检测系统检测到的各种信息，经过AD转换成能被计算机识别的数字信号，并以文件的形式储存到计算机的存储设备中。由于这些图谱、图像信息拥有复杂的背景，需要用各种软件来实现对有用信息的处理与提取。,农业信息获取技术,1)信息预处理软件常见的波谱信息数据预处理方法有：数据平滑法、图谱叠加平均法、厢车式平均法、傅里叶变换滤波法、小波变换等。2)信息提取软件弱信息提取软件有计算机差谱技术、计算机导数技术；多元信息提取软件包括应用化学计量学多组分分析方法所编制的软件有逐步回归分析法(SRA)、主成分回归法、偏最小二乘法(PLS)等。计算机图像处理纹理特征信息，也是利用逐步判别法、主成分分析法、聚类分析法等来实现。3)信息综合处理、模拟和优化软件通过对农田生物信息的综合处理，可以发现农田生态系统更深层次的东西，根据需要，开发信息综合处理模拟优化软件，以便实现农田管理措施的优化。,农业信息获取技术,(2)系统功能,1农田生物信息检测(1)微观形态结构和组分的信息检测。在田间安装可见红外光谱传感器，能够检测到包含农田作物丰富的物质结构及其组成的漫反射光谱信息。(2)宏观形态结构的信息检测。农田作物群体、个体结构的信息检测可利用田间安装的与计算机联机的图像传感器进行信息检测，也可以用照相机摄取农田作物群体或个体的照片,然后用彩色图像扫描仪将图像信息输入计算机中。(3)生理功能的信息检测。(4)间接信息的获得。一些不需要仪器检测或不能被计算机自动采集的信息，如来自文献的科技情报信息，可以通过计算机输入设备直接输入到计算机中，作为农田生物信息的一部分存放在计SUAN算机中，便于计算机综合处理信息时调用。,农业信息获取技术,2生物信息检测信号的调理(1)信噪比。仪器系统分辨信号和噪声的能力通常用信噪比来表示，在直流信号情况下，信噪比=信号幅度的平均值噪声幅度的平均值，信噪比的增加通常表示噪声的减少。通常用电子硬件(滤波器、锁相放大器等)或软件算法(整体平均、厢车式平均、傅里叶变换滤波、小波变换等)获得高的信噪比。(2)噪声来源。噪声来源包括固体电子器件的固有噪声和环境噪声。固有噪声分：有热噪声、散弹噪声、频率噪声。通常可用降低检测器的频率带宽来减热噪声和散弹噪声(二者通常合称为白噪声)，在灵敏测量时，避免使用低频以消除频率噪声。环境噪声常见来源是由50Hz的电力传输线产生的电场和磁场反射的辐射能量、机械振动以及不同仪器之间电磁场的相互作用。减少环境噪声的方法是将所有仪器正确接地、使信号传输的频率远离环境噪声频率以及加屏蔽等。(3)信号调理。信号调理是指采用电子硬件设备来改善信噪比，包括滤波器、积分器、调制解调器、锁相放大器和厢车式积分器等。,农业信息获取技术,三、农田生物弱信息的增强技术,农田生物信息数据中包含了多种信息的重叠，分析信号包括两部分：由待测组分产生的部分和由样品中的其他成分或环境、仪器产生的部分，后一部分称为背景。其中变化有一定规律的背景称为系统背景，变化的大小和方向无一定规律的背景称为随机背景(噪声)。信息增强除应用信号调理技术外，也可以应用计算机软件处理技术。,(1)系统背景的消除与降低1.差谱技术。稳定的而且已知的系统背景可用相减的方法，将其从混合谱中除去，这种相减的技术在光谱检测中就是差谱技术。计算机差谱技术可对存储的图谱进行数据处理，对两张图谱进行差减，以达到溶剂、基体的扣除，以及多组分光谱的分离等。2.导数光谱技术。在光谱检测中，若以吸光度对波数(或波长)的导数为纵坐标，以波数(或波长)为横坐标所记录的光谱图称为导数光谱或微分光谱。导数光谱技术可以消除或降低信号中的低频分量，消除背景的影响。,农业信息获取技术,(2)随机背景的消除与降低模拟信号转变为数字信号后，一系列软件增强技术可以用来增加信噪比。(1)数字滤波技术。数字滤波技术是对数字信号进行滤波处理，以提高其信噪比。常用的三种软件增强技术为厢车式(boxcar)平均、整体平均和平滑。(2)傅里叶变换滤波。用傅里叶变换可产生比常规频率域方法快得多的时间谱，也可对通常的信号进行变换并乘以适当的条件函数以达到数字滤波和其他有用信号的修饰。(3)小波变换。小波变换先将光谱信号进行频率分解，根据频率分量的大小进行幅度变换，然后再根据各频率分量的幅度大小进行滤波，可同时在时域和频域中获得较好的局部特性，图谱失真较小。,农业信息获取技术,四、农田生物多元信息的提取技术,随着计算机技术迅速发展和现代信息检测技术的高度自动化，农业生物数据获取日趋容易，而分析和整理这些数据并从中提取有用信息则愈显困难。对于采集并存储在计算机磁盘中的复杂样品图谱信息数据，可用多元信息处理技术从中提取信息。化学计量学方法就是一种有效的多元信息提取方法。,化学计量学就是应用数学与现代统计学的方法和计算机技术，设计和选择最佳测量程序与实验方法，并通过解析分析化学数据而获得最大限度的化学信息。化学计量学在农业上的应用主要是提取农业生物样品多组分信息。农业生物信息的提取通常是在活体、动态与实时条件下提取其物质组成和结构及其他信息，不能像常规多组分分析那样进行分离提纯后进行定量和老I生测定，而化学计量学为农业生物信息的快速采集提供了有效方法。其方法大体上有：多元线性回归、逐步回归分析法(SRA)、主成分回归法(PCR)、卡尔曼滤波(KF)、偏最小二乘法(PLS)、人工神经网络(ANN)等。这些方法都是通过一组待测成分含量已知的标准样品，对它们进行光谱区的全程扫描，然后通过计算机快速处理数据，建立样品组分含量与样品光谱之间的数学关系，再测出未知样品中待测组分的光谱，就可以确定其中待测成分的含量。,农业信息获取技术,3.4土壤信息的采集与处理,土壤信息主要是表