第四章 农业生产信息化技术.ppt

1、2020/8/1,第一节 农业专家系统,1,第四章 农业生产信息化技术,第一节 农业专家系统 第二节 设施农业控制技术 第三节 农业远程诊断技术,2020/8/1,第一节 农业专家系统,2,第一节 农业专家系统,一、农业专家系统概述 二、产前决策专家系统技术 三、施肥管理专家系统技术 四、病虫害防治专家系统技术 五、节水灌溉专家系统技术,2020/8/1,第一节 农业专家系统,3,一、农业专家系统概述,农业专家系统的概念 农业专家系统的结构 农业专家系统的特点 知识工程 农业专家系统的开发工具,2020/8/1,第一节 农业专家系统,4,一、农业专家系统概述(一)农业专家系统的概念,农业专家系

2、统，也可以叫做农业智能系统，是农业信息技术的一项重要技术。它是运用人工智能专家系统技术，结合农业特点发展起来的一门高新技术。具体来说，就是利用人工智能技术，总结和汇集各层次、各方面的农业专家长期积累的宝贵经验，以及通过试验获得的各种资料和数据，总结和汇集农技推广人员和农民群众的长期实践经验，针对具体的自然条件和生态环境，用相应的信息技术开发的各种能从理论和实践相结合的科学地指导农业生产，以实现高产、优质、低耗、高效目标的计算机智能软件。,2020/8/1,第一节 农业专家系统,5,一、农业专家系统概述(一)农业专家系统的概念,运用农业专家系统，让使用者输入自己的要求和设定相关的条件，通过系统的

3、分析和计算后，将结果“告诉”给用户，让用户从中选择最佳方案，科学地进行生产，以达到降低成本，提高效益的目的。这一过程犹如聘请了无数个农艺师、农技干部来指导农业生产，并且得到的结果是综合他们各自技术的最佳方案。,2020/8/1,第一节 农业专家系统,6,一、农业专家系统概述（二） 农业专家系统的结构,2020/8/1,第一节 农业专家系统,7,一、农业专家系统概述（三）农业专家系统的特点,1、知识的汇集 2、启发性推理 3、推理和解释的透明性 4、知识更新,2020/8/1,第一节 农业专家系统,8,一、农业专家系统概述（四）知识工程建造一个农业专家系统的过程,它是把软件工程的思想应用于基于知

4、识的系统设计。一个典型的农业专家系统的开发，主要依靠知识工程师(Knowledge Engineer)与人类的农业专家或农技人员交流获取知识，知识工程师将获取的知识编制代码到知识库，然后相关的农业专家对系统进行评估，将意见反馈给知识工程师。如此往复，直到开发出完善的农业专家系统,2020/8/1,第一节 农业专家系统,9,一、农业专家系统概述（五）农业专家系统的开发工具,是开发专家系统的最基本工具，典型的有符号处理语言 LISP，逻辑语言PROLOG，这两种语言它都是专门为人工智能设计的。当然也不排除常规语言如C，PASCAL，BASIC等。用通用人工智能语言来编写专家系统，设计者可以有较大的

5、自由度，可以自己设计自己需要的知识表示模式和推理方法等，可塑性很大，当然开发工作量大得多。,1. 通 用 人 工 智 能 语 言,2020/8/1,第一节 农业专家系统,10,一、农业专家系统概述（五）农业专家系统的开发工具,系统外壳也称为骨架系统，是一个成功的专家系统删除知识库中特定领域的知识留下来的框架系统。它给用户提供了一些友好的接口，利用原有专家系统成功的知识表达方式，推理机制，知识库结构以及解释机构等，只要有类似的需要解决的问题，只要把问题的特定知识填入知识库，就可以建造另外一个专家系统，用起来十分方便。这种骨架系统应用的针对性很强，只用来开发类似领域的专家系统，这种开发工具局限性较

6、大，灵活性也比较差。如EMYCIN，就是非常成功的例子，它就是MYCIN医疗诊断专家系统去除医疗诊断知识而得到的骨架系统。,2 专 家 系 统 外 壳,2020/8/1,第一节 农业专家系统,11,一、农业专家系统概述（五）农业专家系统的开发工具,它是专门用于构造和调试专家系统的通用程序设计语言，比基本人工智能语言如LIPS，PROLOG方便，但比骨架系统灵活。 (1)OPS (Official Production System)是著名的通用型语言工具 (2)KEE (Knowledge Engineering Environment)也是著名的通用语言 (3)ROSIE (Rule-Ori

7、ented System for Implementing Expertise)是Rand公司于1981年开发的，用InterLISP和C语言实现的。,3. 通 用 知 识 工 程 语 言,2020/8/1,第一节 农业专家系统,12,一、农业专家系统概述（五）农业专家系统的开发工具,专家系统开发环境是以一种或多种工具和方法为核心，加上与之配套的各种辅助工具和界面环境的完整的集成系统。 专家系统的规模越来越大，出现了数量达数千条乃至数万条规模，知识层次包括元知识、经验性知识、原理性知识和常识性知识等几个层次的专家系统，因此，超大规模知识库的组织和管理变得突出起来。,4 专 家 系 统 开 发

8、环 境,2020/8/1,第一节 农业专家系统,13,一、农业专家系统概述（五）农业专家系统的开发工具,系统辅助工具主要用于帮助建造高质量的知识库和调试专家系统。 知识获取工具和知识库管理与维护工具是最重要的辅助工具。 知识获取工具有自动知识获取工具、知识库编辑工具、面向问题求解方法的知识获取工具、面向特定知识生成技术的知识获取工具、面向特定问题领域的知识获取工具以及基于特定语言的知识获取工具等类型。 知识库编辑工具能把专家领域知识加工、编辑到知识库中，这样的编辑工具有TEIRE- SIAS编辑器。 知识库管理与维护工具能检查输入知识的一些常见错误，自动维护知识库中知识的一致性和完备性。,5

9、系 统 辅 助 工 具,2020/8/1,第一节 农业专家系统,14,二、产前决策专家系统,概念 类型 应用实例,2020/8/1,第一节 农业专家系统,15,二、产前决策专家系统（一）概念,产前决策专家系统以作物生理生态的内在机理为依据，以外在环境和市场变化规律为条件，以系统方法、控制论和电子计算机作为手段和工具为生产经营者提供产前决策的人-机对话系统。 农业产前决策专家系统存在着决策层次的问题。农业产前决策专家系统有的面向高层领导决策部门，有的面向中层管理部门，有的面向基层生产部门，无论面向哪个决策层次的农业产前决策专家系统，其任务均是为各层次的农业策略的制定和科学管理起到辅助决策的作用。

10、,2020/8/1,第一节 农业专家系统,16,二、产前决策专家系统（二）类型,1.田间尺度 2.农场尺度 3.区域尺度,2020/8/1,第一节 农业专家系统,17,二、产前决策专家系统（二）类型,1田间尺度 田间尺度的农业产前决策专家系统，是在作物模拟模型的基础上研究田间单一作物状态，通过选种、播期、播种密度等因素的决策，预测在不同气候和土壤条件下作物的生长、发育和产量。这类系统一般不考虑田间作业的制约和种植制度，而偏重于农作物生产管理的决策。 这类产前决策专家系统能帮助决策者和粮食贸易商估计作物的产量，为制定粮食进出口贸易决策提供依据。同时，可针对不同年景为农民采取相应的栽培管理措施提供

11、科学的决策。,2020/8/1,第一节 农业专家系统,18,二、产前决策专家系统（二）类型,2农场尺度 农场尺度的农业产前决策专家系统是分析农场的复杂情况、帮助农场管理者制定计划、合理安排劳动力以及农场资源的组合配置等作出科学决策的辅助工具。在农场管理决策支持系统中不仅要考虑作物生产管理的决策，还需考虑田间作业劳动力的需求、农业机械的类型、耕作制度和农场各田块间的相互作用等。,2020/8/1,第一节 农业专家系统,19,二、产前决策专家系统（二）类型,2农场尺度 该系统中的农场知识包含有农场的总面积、种植面积、作物类型、品种名称、田块数量、土壤类型、肥料类型、灌溉需求、劳动力、农机具名称、拖

12、拉机的型号、作业名称及开始和完成时间以及生产费用等信息。 整个系统由信息管理系统、作业模拟系统、专家系统和产量评估系统4部分组成。,2020/8/1,第一节 农业专家系统,20,二、产前决策专家系统（二）类型,2农场尺度 信息管理系统是产前决策系统的智能前端，它收集了农场、作物、田块、机械、劳力、其他能源和与作物相联系的不同作业的信息。信息管理系统具有信息的修改、增加、删除等功能。 作业模拟系统的功能是模拟田间作业，以日为时间步长对农场所有田块的整个生长季进行模拟，并产生3种报告：工作报告、不工作报告和摘要报告。 作业模拟系统由2种知识构成：农场或区域知识、模拟过程的知识。,2020/8/1,

13、第一节 农业专家系统,21,二、产前决策专家系统（二）类型,2农场尺度 农场或区域知识包括天气、土壤水分的特性、不同土壤条件下各种作物生长所需求的灌溉量、每天田间作业的工作时数等，这些知识是以数据库的方式存储的。 模拟过程的知识是用某些程序语言的谓词和子句所写的执行实际模拟的知识,2020/8/1,第一节 农业专家系统,22,二、产前决策专家系统（二）类型,2农场尺度 该系统能对各种资源的组合进行测试，诸如农业机械的能力、作物配置、不同气候年景下作物管理的策略和劳力资源的安排。 它也能估计整个农场或个别田块的作物产量、毛收益和净利等。 因此，它是农场主们制定生产计划和农场管理的一个辅助决策工具

14、。,2020/8/1,第一节 农业专家系统,23,二、产前决策专家系统（二）类型,3区域尺度 国际上的农业决策支持系统，尤其是产前决策系统的研制逐渐转向与GIS相结合，构筑区域尺度的农业决策专家系统。 这种类别的农业产前决策专家系统应用范围涉及到土地利用、作物管理、水土保持结构、对策选择等方面。系统运行所用到的因子有土地利用、地形、土壤类型、社会和经济等。 这类系统一般是由地理信息系统(GIS)，各类环境模型和专家系统(ES)组成。,2020/8/1,第一节 农业专家系统,24,二、产前决策专家系统（二）类型,3区域尺度 这里的GIS是专门为农业的地理条件和土壤条件的评价而设计的； 环境模型一

15、般是对外在条件因素(如：气候、水分等)的模拟； 专家系统由知识库、事实库和推理机组成，并采用反向链的推理策略。专家系统的知识库贮存着格式化的农作物的品种选择、播种密度、播期等经验性的规则等。,2020/8/1,第一节 农业专家系统,25,二、产前决策专家系统（三）应用实例,美国将棉花生长模拟模型GOSSYM与专家系统COMAX结合形成的棉花生产管理系统GOSSYM-COMAX已在该国推广应用，作为棉花产前决策的一种手段，已取得了较好的经济效益。 澳大利亚的北方小麦生产管理决策支持系统WHEATMAN发挥了很好的作用。,2020/8/1,第一节 农业专家系统,26,二、产前决策专家系统（三）应用

16、实例,江苏省农业科学院的高亮之等人研制的作物计算机模拟优化决策系统CC-SODS已在生产决策中发挥作用。 北京市农林科学院的诸德辉等人开发的小麦管理专家系统ESWCM 北京农业大学建成的农业气候资源信息系统AC-RIS 中国农业科学院棉花研究所的董占山和北京农业大学合作建立的棉花生产管理模拟与决策系统CPMSSLGSM,2020/8/1,第一节 农业专家系统,27,三、施肥管理专家系统,施肥管理专家系统主要为基层肥料销售部门、复混肥厂和各级农业服务体系、广大农村农业生产者等研制，目的是以其为技术服务桥梁，在向农民销售肥料或在从事农业生产时，通过专家系统逐一分析每块耕地的需肥情况，最后得出当年配

17、方施肥方案。 研制的基本思想是在对一定区域土壤有效养分测定和肥料田间试验结果掌握的基础上，不针对一家一户的地块进行实际土壤测定，而是通过将农民对自己地块了解的信息进行专业化综合和提高，得出该地块当年半定量配方施肥方案。对于有土壤养分测定值的地块能够定量预测施肥量。 在设计原则上要求全国或在某一区域范围内通用，不同施肥类型区参数系统不同，面向一定区域(如县、市)的专家系统应与G15技术结合以实现不同空间单元的施肥量预测。,2020/8/1,第一节 农业专家系统,28,三、施肥管理专家系统,2020/8/1,第一节 农业专家系统,29,三、施肥管理专家系统,施肥管理专家系统具有如下功能： 土壤性状

18、与肥料特性查询。 根据咨询地土壤情况，提出合理施肥方案，如需施用氮、磷、钾化肥数量，将会得到亩产量、化肥成本、经济收入与化肥产投比等。 根据用户目标产量，提出建议施肥方案。 根据施用化肥的数量，预估农作物产量。 修改与删除原有知识、经验，增添新的知识、经验。,2020/8/1,第一节 农业专家系统,30,四、病虫害防治专家系统,植物病害防治专家系统主要指依据人工智能原理和利用专家系统技术开发的，针对病虫害发生的时期、发生部位、症状等特点模仿人类植保专家的思维，进行病虫害的诊断和科学管理的智能系统。,2020/8/1,第一节 农业专家系统,31,四、病虫害防治专家系统技术,2020/8/1,第一

19、节 农业专家系统,32,四、病虫害防治专家系统技术,2020/8/1,第一节 农业专家系统,33,五、节水灌溉专家系统技术,农业节水灌溉专家系统设计一般把几年来国内外对节水灌溉管理的最新研究成果如作物水分生产函数、非充分灌溉、调亏灌溉、分根交替灌溉以及节水灌溉信息的控技术等加以集成，并立足田间，面向农产。通过人机对话，只要事先将当地的气象、土壤、作物等参数建立起数据库，即可快速、准确地作出节水灌溉预报与决策方案。,2020/8/1,第一节 农业专家系统,34,五、节水灌溉专家系统技术,（一）灌溉信息服务子系统，包括有灌区用水管理历史信息查询和现实灌区信息生成与管理两个部分。历史信息查询部分收集

20、灌区有记载以来的大部分用水管理资料，由灌溉面积、引用水量、有效利用系数、粮棉产量、降雨量、灌区水费6类14种资料组成；信息生成与管理部分收集有灌溉、粮棉产量、灌区水费、灌区现时运行的基本资料等。,2020/8/1,第一节 农业专家系统,35,五、节水灌溉专家系统技术,（二）灌区管理决策咨询子系统是此专家系统的中心部分，通过信息服务查询和用户咨询提供的有关信息，例如灌区灌溉面积、作物种植情况、土壤含水量、可用水量、市场粮棉价格、气象预报数据等。通过专家系统推理给出灌区优化灌溉方案。知识库由“规则架+规则体”规则组表示技术建造。首先把有关知识整理成推理网络图。例如根据某水库蓄水量、库容、分水系数确

21、定渠首可引水量，再根据渠首可分水量、土壤墒情、灌溉面积、工程情况来编制灌区用水计划。又根据小麦、棉花、玉米种植比、降水频率以及渠首引水量来预测每种作物的灌溉面积。,2020/8/1,第一节 农业专家系统,36,五、节水灌溉专家系统技术,（三）灌溉优化调度子系统，主要解决灌溉面积的优化和各干：渠灌溉区域的水量配置。在这部分，根据历史资料数据，运用数理统计、回归分析等，进行大量的计算。这些计算由专家启发性知识加以引导自动运行。还可以用一些技术手段(如遗传算法)进行改进，可得到良好的效果。,2020/8/1,第二节 设施农业控制技术,37,第二节 设施农业控制技术,设施农业就是运用现代工业技术成果和

22、方法，用工程建设的手段为农产品生产提供可以人为进行控制和调节的环境和条件，使植物和动物处于最佳的生长状态，使光、热、土地等资源得到最充分的利用，形成农产品工业化生产和周年生产，从而更加有效地保证农产品供应，提高农产品的质量，生产规模和经济效益，促进农业现代化。 其主要内容是与集约化种植、养殖业相关的园艺设施和畜、禽舍的环境创造、环境控制技术及与其配套的各种技术装备。因此设施农业又被称为工厂化农业。,2020/8/1,第二节 设施农业控制技术,38,第二节 设施农业控制技术一、概述,设施农业的发展经历了塑料大棚、温室和工厂化栽培3个不同的技术阶段。,2020/8/1,第二节 设施农业控制技术,3

23、9,第二节 设施农业控制技术二、设施农业环境控制的主要技术,(一)温度控制技术 (二)光照控制技术 (三)气体环境控制技术,2020/8/1,第二节 设施农业控制技术,40,第二节 设施农业控制技术二、设施农业环境控制的主要技术,(一)温度控制技术 温度控制主要通过加温、降温和保温隔热来实现。 温室加温，在欧美、日本和以色列等发达国家，大型连栋温室主要采用集中热水供暖，但也部分采用暖风机管道送风方式供暖。,2020/8/1,第二节 设施农业控制技术,41,第二节 设施农业控制技术二、设施农业环境控制的主要技术,(一)温度控制技术 温室降温：季节性利用的温室有时安装有机械通风加湿帘降温系统。自然

24、通风主要通过开启侧窗和边窗进行通风，齿轮齿条以及拉杆机构常用来进行通风窗的开启，荷兰Rider等公司在降温齿轮齿条以及涡轮杆减速机械方面较有影响。 温室保温：美国有50的温室采用双层充气式覆盖。瑞典的LS公司、法国 Filclair公司生产的遮阴保温幕，具有较好的保温性能，韩国多采用屋顶喷淋方式进行冬夏季温度的调节。,2020/8/1,第二节 设施农业控制技术,42,第二节 设施农业控制技术二、设施农业环境控制的主要技术,(一)温度控制技术 模糊控制技术是采用与人脑的思维方法相似的控制原理，具有很大的灵活性，它不需要先分析系统的模型，可直接使用专家的意见，一般只需很短的程序和较少的存储器，便能

25、在很短的时间内完成复杂的控制任务。模糊控制系统对于外界环境的干扰并不敏感，但却能保证足够的工作灵敏度。 在许多温度控制系统中，被控对象往往存在着结构和参数的不确定性、纯滞后特性或变量的耦合性，以至难以建立精确的数学模型，用现代控制理论都难以达到满意的控制效果。,2020/8/1,第二节 设施农业控制技术,43,第二节 设施农业控制技术二、设施农业环境控制的主要技术,(二)光照控制技术 光照控制是设施农业环境下动植物生长的重要决定因素之一，光照调节主要通过光形态、光强和光周期来影响动、植物的生理机能。 北欧、美国和日本一些发达国家许多蔬菜温室或育苗温室均有人工补光措施。荷兰、美国的一些企业为控制

26、花期，也进行人工补光措施。遮光调节主要用来进行降温和用一些弱光照植物。畜、禽舍方面，在美国、丹麦等国较多地采用间隙式光照以调节畜禽的生理和生长性能。,2020/8/1,第二节 设施农业控制技术,44,第二节 设施农业控制技术二、设施农业环境控制的主要技术,(三)气体环境控制技术 气体环境控制对温室环境主要是补充CO2。荷兰和美国均有许多家公司生产燃烧天然气增施CO2的装置，日本还以燃烧白煤油和优质汽油等方法产生CO2。目前，荷兰、以色列、日本等部分温室也采用钢瓶装液态CO2进行补充。 在畜、禽舍中，主要是控制氨气等有害气体。,2020/8/1,第二节 设施农业控制技术,45,第二节 设施农业控制技术二、设施农业环境控制的主要技术,(三)气体环境控制技术 气体环境控制对温室环境主要是补充CO2。荷兰和美国均有许多家公司生产燃烧天然气增施CO2的装置，日本还以燃烧白煤油和优质汽油等方法产生CO2。目前，荷兰、以色列、日本等部分温室也采用钢瓶装液态CO2进行补充。 在畜、禽舍中，主要是控制氨气等有害气体。,2020/8/1,第三节 农业远程诊断技术,46,第三节 农业远程诊断技术一、概述,农业远程诊断系统是结合TCPIP和Internet网络技术，利用专家系统技术，实现对作物病虫害进行远程推理、诊