農業專家體系發展趨勢

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1專家系統及其基本特征

農業專家系統也可叫農業智能系統,是一個具有大量農業專門知識與經驗的計算機系統。它應用人工智能技術,依據一個或多個農業專家系統提供的特殊領域知識、經驗進行推理和判斷,模擬農業專家就某一復雜農業問題進行決策。典型的專家系統主要由知識獲取工具、知識庫、數據庫、推理機、解釋機、人機交互接口幾部分組成。專家系統的主要特征是有一個巨大的知識庫存儲農業領域知識,而系統的控制級,通常表達成某種推理規則。整個系統的工作是從知識庫出發,通過控制機理,得到所需的結論。即利用計算機來模擬某領域專家或專家群體在解決某些任務時所具有的技能,對各種實際問題給出高水平的解答。對農業生產管理給出決策指導。

2農業專家系統的作用及發展現狀

2.1農業專家系統的作用

我國地域遼闊,氣候多樣,各地生產條件千差萬別,不同作物、不同品種均需要根據當地實際情況,因地制宜地進行管理。要求必須很好地協調處理好高產、優質、高效的關系,最大限度地利用好各種資源,保護生態環境,實現可持續發展。農業專家系統為各種單項農業技術提供先進的集成平臺,將各種農業技術有機結合起來,幫助農民因地制宜地正確使用各項農業技術,實現生產的科學管理。農業生產的復雜性和生態區域性決定了必須有一個健全而龐大的推廣體系。在現代農業經營體制下,建立高效的農業技術推廣體系、加速科技成果轉化,是當前農業科技工作中必須解決的一個重要問題。信息技術可以為推廣體系和廣大推廣人員提供最先進的工具和技術手段,利用其在傳播信息和知識方便、快捷、可大量復制的特點,將大量科技成果迅速傳播到農民手中,實現大范圍的應用,彌補和克服農業科技人員短缺的問題,改變傳統的農業科技推廣模式,從而大大促進農業技術成果轉化和生產的發展,促進當地生產組織方式科學化。隨著農業種植和養殖業結構的調整,優質高效的經濟作物日益受到重視,成為新的投資熱點。農業市場的對外開放(加入WTO),國外大量的新品種、新技術進入國內,同時國內的“名、特、優、新”農產品也不斷出現,迫切需要快速獲取和更新種養信息,適應復雜多變的市場變化,以提高效益。通過先進的信息硬件和軟件技術,對農業產前、產中、產后全過程中的知識、信息進行獲取、處理與應用,幫助農戶根據市場做出科學決策,實現農業生產、管理和經營的科學化,克服盲目性,實現農業增產增收和集約經營。

2.2農業專家系統發展現狀

20世紀70年代末期美國開始研究農業專家系統,最初用于農作物的病蟲害診斷,1978年伊利諾斯大學開發的大豆病蟲害診斷專家系統PLANT/ds是世界上應用最早的專家系統。到80年代中期,研究從單一的病蟲害診斷轉向生產管理、經營決策與分析、生態環境等。例如,日本東京大學建成的西紅柿栽培管理專家咨詢系統就面向生產管理。目前國際上有近百個農業專家系統,廣泛應用于作物生產管理、灌溉、施肥、品種選擇、病蟲害控制、溫室管理、畜禽飼料配方、水土保持、食品加工、財務分析、農業機械選擇等方面,有些系統(如哥倫比亞大學的梯田管理系統)已成為商品進入市場。我國農業專家系統的研究,始于20世紀80年代初期。中國科學院合肥智能機械研究所與安徽省農業科學院土壤肥料研究所合作研制的砂姜黑土小麥專家施肥咨詢系統于1985年10月建成,在安徽省淮北10多個縣得到較大規模的應用。隨后,許多科研院所開展了各種農業專家系統的研究、開發及推廣應用活動,這些專家系統,在基礎研究和應用兩方面推動了我國農業專家系統的發展。在基礎研究方面,也就是面向領域和面向任務的專家系統開發工具,主要是編輯型開發工具和智能型開發工具,如熊范綸等研制的雄風系列、吉林大學的MES、浙江大學的IDEST、中國科學院計算所的VESS、哈爾濱工業大學的專家系統平臺等,同時還開發出自動知識獲取工具。

在應用方面,砂姜黑土小麥施肥專家咨詢系統在我國農業專家系統的應用中是最早的,隨后,施肥專家系統、品種選育專家系統、粘蟲測報專家系統、蠶育種專家系統相繼問世。到目前為止,已廣泛應用的專家系統包括關于糧食作物和經濟作物的栽培技術專家系統、管理專家系統、施肥專家系統、病蟲害防治專家系統、專家咨詢系統、品種選育專家系統、畜牧獸醫專家系統、飼料配方專家系統、農業氣象專家系統以及農業工程、土壤侵蝕、鹽堿地改造等方面的專家系統[1]。如小麥高產技術專家系統,水果果形判別人工神經網絡專家系統,關于規則和圖形的蘋果、梨病蟲害診斷及防治專家系統,農業資源高效利用技術集成專家系統的設計,生態農業投資項目外部效益評估的專家系統,有關作物生長特征的作物栽培專家系統,有關生長模型的小麥管理專家系統[2]。863課題根據我國農業發展的實際需要,從1990年起把農業專家系統等智能化農業信息技術列為重點課題,給予重點支持。為了進一步探索信息技術支撐服務農業大面積推廣應用的經驗,1996-1998年度在北京、云南、安徽、吉林四省市開展了以農業專家系統為核心的“智能化農業信息技術的應用示范工程”,并在示范區內實施[3]。示范區經過2年多的建設,取得了顯著成效,同時探索出了信息技術服務農業的成功經驗和發展模式?？傊?農業專家系統觸及農業領域的各個方面,為發展高產、優質、高效農業做出了貢獻。

2.3農業專家系統目前存在的問題

2.3.1農業專家系統的綜合性和實用性問題目前,農業專家系統的研制及應用大多數局限于科研院所及示范基點,農業專家系統的潛在作用遠沒有充分發揮出來。要想充分發揮其作用,必須考慮應用領域特點,按照生態環境、氣象、地理等因素開發適應地區的、針對性和實用性強的農業專家系統。另外,影響農業生產的因素較多,但現在大多數農業專家系統是針對農作物生產的某一側面開發的,缺乏對農作物生產各個階段、各個方面的有機聯系和統籌考慮,因此,只有提高系統的綜合性功能,才能真正地解決農民的實際問題。

2.3.2農業專家系統的對象范圍我國的一些農業專家系統只強調目前應用,缺乏第二次開發所需的專家系統開發工具,使用者無法根據當地實際情況創建知識庫和模型庫,限制了專家系統的進一步應用,有些專家系統雖提供了開發工具,但缺少通用的模板和模型,要求使用者具有一定的計算機基礎技術,縮小了專家系統的應用范圍;另外,一些農業專家系統追求所謂先進性,要求高檔次的硬軟件,也要求使用者具有一定的計算機基礎,很難在農業基層普及,一些農業專家系統與領域知識結合不夠,停留于科普知識介紹,從而表現其先進性和實用性較差。因此,開發與應用并進,增強系統的適用性是非常必要的。

2.3.3專家系統自動獲取及檢驗知識機制問題目前知識庫缺乏自動求成機制,推理方法缺乏誤差分析及預測功能急需解決和提高。

2.3.4專家系統在知識處理方法上過于簡單知識的深加工處理水平低,新方法新技術的融合與聚類等方法少?，F代信息技術的發展,提供了很多成熟的信息技術,今后農業專家系統的開發需廣泛吸收這方面的技術,特別是當今的多媒體技術、計算機網絡技術、信息高速公路(互連網)技術等。

2.3.5網絡化、動態化服務問題由于農作物生育期間受氣象、病蟲害等不可控因素的影響,利用現代信息、技術進行信息交流處理,實現網絡化服務十分必要。農業專家系統要解決的是農業生產中的問題,這些問題大多具有四維特性(三維空間+時間),這就要求系統的知識庫、數據庫、模型庫必須是動態的。為此要求其能隨時間的推移不斷更新。而我國目前的農業專家系統多是靜態的,時效性差,實用性不高,因此在農業專家系統建設中必須注意其動態性。綜上所述,在分析我國農業專家系統應用及發展現狀的基礎上,探討其未來發展趨勢是非常必要的。

3綜合智能農業專家系統—精確農業的重要組成部分

3.1精確農業的概念

精確農業是一種戰略思想,是信息和人工智能高新技術在農業中的運用。它為當代農民和將來的農業經營者們提供了一種美好的前景。從技術角度上看,精確農業是將遙感(Remotesense,RS)、地理信息系統(Geographicalinformationsystem,GIS)、全球定位系統(Globalpositioningsystem,GPS)、計算機技術、自動化技術和網絡技術等高科技應用于農業,逐步實現精確化、集約化、信息化的現代控制農業[4],它可根據田間因素的變化,精細準確地調整各種農藝措施(包括土壤和作物管理措施),最大限度地優化各項投入,以獲取最高產量和最大經濟效益,實現最大回報,同時保護農業生態環境,保護土地等農業自然資源。具體而言,精確農業是為了挖掘并謀求種植業和畜牧業利潤最大化,所采取的是精確投入的農業生產管理手段。此概念從另一角度體現了精確農業是要在降低生產成本,最小程度地減少環境污染的情況下,仍然提高糧食、飼料及纖維生產力水平。因此,精確農業是信息技術和農學的集成。

3.2綜合農業技術智能專家系統

以“3S”為技術核心結合快速檢測技術,以數據庫及數據庫技術和數據挖掘技術,作物模擬模型、專家系統技術、多媒體和網絡技術為技術支持的一個綜合性智能專家系統。GPS,即全球定位系統。通過24顆衛星可以給出任意一個地面點的精確度為厘米級的坐標值,從而能精確地確定地物的空間位置。該系統可用于耕地面積的量算和形狀的測量,引導田間定位系統的采集,小區作物產量的計算,以及農業機械定位播種、配方施肥、噴藥、灌溉等。GIS,即地理信息系統。是在計算機硬、軟系統支持下對空間數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。它的操作對象是空間數據,即點、線、面、體等地理實體,按統一的地理坐標對這些實體進行編碼后,可實現定位、定性和定量的描述。在農業專家系統中應用GIS,能將各類圖紙(如地形圖、土壤圖、土地適宜性評價圖、作物分布圖,土地利用現狀圖、降水分布圖等)數字化并存儲于計算機,然后根據需要進行疊加在一起,就能知道哪些作物的分布是合適的,哪些是需要進一步調整的。利用GIS還可以生成數字地形模型DTM(Digitalterrainmode),有了DTM,就能清楚地知道地塊中某一點的海拔、坡度、坡向,甚至土層厚度及地下水深度,這些數據是農業專家系統所必需的基礎數據[5]。RS,即遙感技術。它是快速獲取大面積空間信息的主要技術手段,獲得的空間信息是動態的,更新很快,能對動態變化現象進行監測。對遙感圖像進行預處理和分類處理之后,就可以根據圖像的特征,依據地物光譜特性,采用統計概率法、模糊數學法等進行識別,提取有用的信息。

RS技術在農業專家系統中主要用于:

●農業資源的調查與監測,如利用微波雷達的穿透能力,透過植被和土壤,獲取耕作層土壤質地和水分含量等信息;

●自然災害及病蟲害監測,如借助于RS技術對旱澇災害、水土污染、病蟲害等農業災害進行有效的預測、預報,對災情變化進行動態監測,為制定防災、抗災、救災提供決策信息;

●作物種植面積、產量與長勢監測,以及農業環境的檢測和管理。快捷方便的實時檢測技術的結合除結合GPS、GIS、RS技術外,還可以近距離采用快速檢測儀檢測土壤水份、養分含量以及數碼相機獲取近距離照片分析作物群體結構、長勢、病情診斷,達到生產小區內生產管理決策的準確、高效性。

數據庫與數據庫技術農業專家系統需要的信息是海量的,種類也各不相同,對數據庫技術的要求也就更高,應該發展于實體——聯系模型、語義對象模型,層次、網狀和分布式數據庫,用以處理空間數據,支持移動計算與嵌入計算。數據挖掘技術的應用,對傳統管理決策的修正,無疑是更有效的手段。作物模擬模型由“作物、環境、技術、經濟”四要素可構成作物生長整體系統,通過數學模型可模擬作物生長發育、器官生成和產量形成等生理生態過程,可分析這些生理過程與環境、技術、經濟之間的數量關系,據此制定出作物高產栽培技術模型,為實現作物的高產、優質、高效提供技術支持。專家系統技術推理機是專家系統的核心。目前農業專家系統中使用的不精確推理是以概率論和二值邏輯為基礎的,如常用的確定性理論、主觀Bayes方法,它們本身有一定的局限性,但關于模糊邏輯的推理方法是未來農業專家系統主要的不精確推理方法。自主學習的專家系統知識庫的建立與應用,將會加快專家系統的推廣和應用。

計算機網絡通信技術農業專家系統的數據庫應該是共享的,因而離不開計算機通信技術。我國農村計算機網絡通信雖處于起步階段,但基本上形成了以集鎮為中心的有限電視光纖網絡系統,只要給每個集鎮配備一臺裝有農業專家系統的計算機,并為計算機裝上視頻卡,通過有線電視發射裝置就可將農業專家系統送到農戶的電視中,這無疑是農業專家系統切實可行的推廣方法。多媒體技術多媒體技術以非常直觀的聲像綜合表達形式向人們傳遞信息,它與農業專家系統相結合,可生動地將農業信息、農業技術迅速傳播出去,并能實現人機交互操作。多媒體技術的應用,擴大了原來以縣、鄉兩級農技人員為對象的應用范圍,縮短了農業專家系統和農民的距離,直接為廣大農民群眾所接受。相信,隨著計算機技術的飛躍發展和人工智能研究的不斷深入,“3S”技術的不斷優化,存在問題的不斷解決,一個綜合農業技術智能專家系統將會成為精確農業的一個重要組成部分。