精细农业课件

绪论

一、农业的主导技术21世纪初期，农业主导技术将呈现出群体的形式：现代生物技术农业工程技术农业信息技术。现代生物技术在农业科学技术中的主导地位将更加突出

20世纪下半叶以来，随着分子生物学的发展，基因标记技术和基因工程技术的发展，各种动植物基因图谱的建立以及基因重组技术的不断完善，使得现代生物技术能够定向地改变生物的某些性状，动植物品种改良的周期将大大缩短，新品种培育的效率将迅速得到提高，对动植物整体单一层次的改良将发展到分子、细胞、组织和个体等多层次的改良，因而可能大幅度提高农产品的产量与质量和农业资源的利用率。目前，国际上生物技术在动植物新品种的培育等方面不断取得新进展。我国已经在与农业有关的生物技术领域取得了重要的成就。

21世纪，现代生物技术将在动植物新品种塑造、作物远缘杂交优势利用、快速无性繁殖、高科技人工种子、种苗制造产业、生物固氮、生物反应器、人体器官克隆、动物胚胎移植与胚胎分割、动植物病害基因工程诊断、单克隆抗体病害防治、生物农药等领域发挥巨大的作用。高产、优质、抗逆的“超级猪”、“超级牛”、“超级羊”、“超级鸡”、“超级鱼”等动物新品种和抗病虫、抗病毒、抗菌、抗化学制剂、抗旱、抗盐碱、抗寒、抗高温、高品质等作物品种和超级树木都将成为现实。科学家们推测，到2000年，运用农业生物技术及其相关增产措施生产的粮食将占世界增产量的5/6。农业工程技术使农业得到全新的武装

由于材料科学技术、先进的制造技术、工程技术、控制技术、生物技术和现代农业科技的发展和综合运用，21世纪的工程技术将主导农业科技进入综合集成的新时期，导致21世纪的农业科技上一个全新的台阶。

(1)设施农业技术迅速发展

传统农业受土壤、气候等自然环境的影响和制约。借助于农业工程设施，自然的障碍得以克服。人工创造的技术高度密集的工厂化、智能化、自动化生产体系能够为农业减少甚至摆脱对于自然条件和人类劳动的依赖程度创造条件。许多过去无法种植农作物的高寒地带或者不毛之地能够变成良好的农业生产基地。许多过去只能在大田一年一季种植的植物，现在可以一年四季在植物工厂中生产。目前，许多国家都建立了大量由电脑来控制的植物工厂。在21世纪，智能化的设施农业将成为重要的农业生产发展方向，并且向更加宽广的领域扩展。

(2)农业机械的发展将达到

前所未有的水平

21世纪，新型的农业机械技术将使农业劳动生产率进一步得到提高。农业机械化水平目前在各国之间差异很大，但其发展将出现一些共同趋势：农业机械向智能化方向发展，高度智能化的农用机器人的数量将迅速增加；农业领域的各种行业、各个生产环节的农机具品种更加完善地系统配套；以节水、灌溉施肥、灌溉施药为目的的滴灌、浸润灌溉等智能化、自动化灌溉机械将得到飞速发展；农业机械向功率大型化、运作高速化、工作面宽幅化、作业联合化、操作自动化方向发展。

农业信息技术成为农业主导技术之一

面向21世纪，信息技术正在迅速渗透到农业的各个领域，将对整个农业生产、农业经济、农业科研、农业教育以及农村发展和农村文化生活产生无法估量的积极影响。

(1)加速传统农业的信息化改造和农业管理自动化

信息技术可以应用于农业环境与控制、动植物生产、改进动物育种、农业机械、防灾减灾、农产品加工、农业经济管理等各个方面，使经验型和分散型的农业技术趋于定量化、规范化和集成化，改变农业科技和生产管理的经验性强、科学性与精确性不够的缺陷。例如，正在兴起的“精密农业”就是一种利用信息技术从多种来源获取数据以支持作物生产决策的管理策略，其根本目的就是要改善资源利用、增加利润，减少农业生产对环境的负面影响。80年代中期以来，信息技术使农产品市场的运作也发生着革命性的变化。

(2)建立农业数据库

农业数据库是把农业信息经数据化处理后存储在计算机中的一类信息存在形式。农业数据库领域宽广，有农业资源、生产资料、技术、农产品市场、政策、气象等各种专题性或综合性的数据库。信息网络的发展为克服农业分散性和区域性强的弱点而使信息资源得到有效利用成为可能，能够快速方便地为不同地域的用户提供服务。目前，许多国家、国际组织、地区甚至农场都在建立各种层次的农业数据库。其中，有许多数据库已进入全球信息资源网，实现了信息资源共享。

(3)信息技术为未来农业科技研究提供重要手段

借助于信息技术手段，系统方法、信息方法和控制方法等将在农业科研中发挥无法估量的巨大作用。信息技术为农业科研开辟了全新的领域，农业各行业均有待于开发出大量的应用软件。全球信息资源网将为农业高新技术的跨国家、远距离的研究、交流和转让创造条件。绪论

二、农业机械智能化与21世纪精细农业

精细农业是美国等经济发达国家继LISA(低投入可持续农业)后，为适应信息化社会发展要求对农业发展提出的一个新的课题。随着信息技术、网络技术、人工智能技术在工业中的广泛应用并已发挥巨大的效能，在传统农业装备上引入信息化、智能化技术是21世纪农业现代化的必然发展趋势。而精细农业的发展为实现农业机械的自动化、智能化提供了技术基础和根本保障。

21世纪的精细农业

精细农业又称精细农作或计算机辅助农业。精细农业一词译自国外近几年来趋于共识的"PrecisionAgriculture"技术思想

。它是一种关于农业管理系统的战略思想，是信息科学技术在农业中的运用；它又是一种以知识为基础的农业微观管理(micro-management)系统。但农业是一个涉及种植、养殖和加工等领域的产业，而国外"PrecisionAgriculture"技术体系的研究应用目前主要仍局限于大田种植业的精细准确的经营管理。因此，我国很多农业专家认为把"精细农业"译作"精细农作"更为科学准确。(1)精细农业的技术支持体系精细农业的技术支持体系主要指"3S"技术，即地理信息系统(GIS)、遥感技术(RS)与全球卫星定位系统(GPS)。全球定位系统(GPS)确定农业作业者或农业机器在田间的瞬时位置，通过传感器及监测系统随时随地采集田间数据。这些数据输入地理信息系统(GIS)结合事先储存在GIS中定期输入的或持久性数据、专家系统及其他决策支持系统对信息进行加工、处理，做出适当的农业作业决策，再通过作业者或农业机器携带的计算机控制器(computer／controller)控制变量执行设备，实现对作物的变量投入或操作调整。

通过"3S"自动地监看电脑卫星图像资料，利用全球定位系统，可按照田间每一操作单元(位点)的具体条件，精细准确地调整各项土壤和作物管理措施，最大限度地优化使用各项农业投入，以获取最高产量和最大的经济效益，同时能有效地保护农业生态环境，保护耕地等农业自然资源，把科学的精细性引进了农业生产的过程。"3S"技术不仅适用于种植业，也适用于畜牧业、园艺和林业。

(2)精细农业在农业中的应用领域

精细农业已成为发达国家面向21世纪为合理利用农业资源、提高农作物产量和品质、降低生产成本、改善生态环境和农业可持续发展的最富有吸引力的前沿性农业科学研究的热点领域。1)在资源管理和环境保护中的应用

精细农业由于在管理空间数据方面的强大功能和处理资源与环境可持续发展问题上的突出能力，被广泛地应用于各行各业中。瞥理方面主要包括内然资源的分布状况、资源合理开发利用、资源动态监测等，尤其在土地资源管理方面能充分发挥其优势，来解决地籍调查和管理、土地利用规划、土地潜力分析及人地关系状况分析等问题；在环境保护方面，包括环境质量专题制图、现状分析与动态模拟等。

2)在农作物生产管理中的应用

精细农业是基于信息和知识的农田作物生产经营管理技术。它既需要利用先进的田间信息采集技术，以获得农田小区作物产量和影响作物生长主要因素的空间分布信息，又需要对这些信息进行处理，运用农业科学知识制定农田与作物栽培管理决策。指导分布式定位处方农作，以实现资源高效利用和可持续发展的优化目标。如GPS、GIS技术用于作物管理主要包括3方面功能：一是产量监测；二是样本采集；三是投入计划。通过测试分析田间多种样本得到相关的数据信息，并以状态分布图的形式表示出存在的"空间差异"、采用"可变量施用"技术来满足不同区域，甚至平方米范围内的作物生长的实际需要，从而实现合理投入、提高效益和保护环境的目标。

3)在农业机械装备上的应用

微观计算机技术的发展使得田间数据的采集与高效处理成为可能，农业机械上应用的传感器与控制技术也有了快速进步，工业化国家的农业机械进入到以迅速融合电子技术向机电一体化方向发展的新时期。20世纪80年代后期，在农业机械机电一体化发展中，又迅速跟踪了电子信息科技的进步，其监控系统迅速趋向智能化，由单元控制发展到分布式控制；由单机作业系统向与管理决策系统集成的方向发展。电子学与信息技术府用于农业机械装备中，代表着拖拉机和农业机械技术发展新的里程碑。电子学的应用使一些农业装备具有智能化特征和更易于相互通信，促进了基于信息和知识的精细农作应用于农业机械的研究与开发。

4)在农业生态工程中的应用

实现基于信息和知识的农业生态系统精细管理的技术思想，不应仅限于农田生态系统，还应该扩展到种、养、加及产前、产中、产后的整个过程。农产品在产后储藏、保鲜、加工以达到高品质、高附加值的过程中，都已吸收电子信息科技前沿的成就。与信息技术、生物技术有机结合的高新生态技术(尤其应用于设施园艺、集约养殖、农产品品质优选、加工曾值产业中)首先付诸实践与推广。

三、新世纪我国农业机械化的发展

新世纪，我国要实现由传统农业向现代化农业的转变。而农业机械化是农业现代化的重要组成部分，农业机械化的实现过程在一定程度上就是推进农业现代化的过程。21世纪是知识经济时代，科学技术迅猛发展，这就为我国农业机械化的发展创造了良好的条件和机遇，同时也提出了新的目标和更高的要求。

1.我国21世纪农业机械的发展要求a农业机械必须满足农业产业结构调整的要求

农业产业结构的调整，为农业机械提供了新的发展空间，为农业机械成为农村经济发展的推动器提供了可能。农业机械横向可扩展到林、牧、渔各业；纵向可延仲到产前、产后，向农副产品的贮藏、加工、运输以及立体农业、节水农业、精细农业方向发展。在不远的将来、农田基本建设机械和设施农业机械均会有量的飞跃。畜牧业的牧草生产、加工以及饲养、养殖、废物处理机械也将迅速发展，农业机械的类型、功能将不断变化，且应用领域逐年扩大。

b农业机械必须适应先进农业技术的需要

大面积推广应用先进的农业技术是实现农业现代化的前提条件，而农业机械是大面积实施先进农业技术的主要载体。农业只有和农机结合，实现二者统一，先进的农业技术才能得到应用和推广。因此，实施先进农业技术的纽带和桥梁是农业机械化。如大田作物的种植和收获等高强度劳动更对相关的农机具需求迫切，如水稻育秧设备、插秧设备、摆抛秧机具和直播机具都有很大需求。c农业机械必须与智能化自动化技术相结合

电子技术和计算机技术的发展以及先进的制造技术、新材料的涌现，推动了农业机械向智能化、自动化方向发展，致使原来传统机械无法作业的项目逐渐实现了机械化。农业机械化技术、自动化技术和智能化技术将互相补充、相互促进，与生物技术一起把农业这一基础产业带入一个全新的阶段。2.新世纪农业机械化的发展趋势1）农机技术的创新，为先进的农业技术提供保证

农业装备是先进农业技术大面积实施的载体，农业机械化适用技术推广面积的扩大实质上就是普及农业和农业机械化科学技术、推进科技兴农的过程。今后应继续启动"水稻生产机械化"、"机械化旱作农业"等示范工程项目，并实施"机械化旱作蓄水保墒技术"、"小麦覆盖种植机械化技术"等"丰收计划"农机化项目。2)重视农业资源高效利用

和农业可持续发展所用的机械

应着力发展高效低毒农药和防扩散污染施药机械、化肥深施机械、精少量播种机械、节水灌溉(喷、滴灌)设备、低污染动力机械、节省能源和减少对土壤破坏的联合作业机械等。近几年来，美国、加拿大保护性耕作发展所用机械有了较快发展，各国对保护农业生态环境、减少污染方面均较重视，在一些国家开始出现高度机械化的生态农业农场，以确保农业实现优质、高产、高效益的可持续发展。第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入工程建设阶段。这种工作卫星称为

BlockⅡ和BlockⅡA卫星。这两组卫星的差别是：BlockⅡA卫星增强了军事应用功能，扩大了数据存储容量；BlockⅡ卫星只能存储供14天用的导航电文(每天更新三次)；而BlockⅡA卫星能存储供180天用的导航电文，确保在特殊情况下使用GPS卫星。实用型的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。

（2）其它独立的卫星导航与定位系统

GLONASS卫星星座欧洲EGNOS系统伽利略系统日本MSAS系统

卫星定位系统种类星座卫星数目（颗）卫星平均高度（km）卫星运行周期（min）载波频率（MHz）L1L2GPS(美国)21+3202007181565～15861217～1238GLONASS(前苏联)21+3191006751603～16161246～1256NAVSAT(欧洲空间局)12+6201787201561～15691224～1232伽利略系统3024000／／／

（3）GPS定位系统的特点

GPS相对于其它导航与定位系统的特点

（1）全球地面连续覆盖。GPS有24颗卫星，且分布合理，所以在地球上和近地空间上任何一点，均可以连续同步地观测4颗以上卫星、实现全球、全天候连续导航定位。（2）功能多，精度高。GPS可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置，三维速度和时间信息。一般来说，目前其单点实时定位精度可达5m～10m，静态相对定位精度可达1~0.01ppm，测速精度为0.1m/s，而测时精度约为数十纳秒。随着GPS测量技术和数据处理技术的发展，其定位、测速和测时的精度将进一步提高。

（3）实时定位速度快。利用全球定位系统一次定位和测速工作在一秒至数秒钟内便可完成(NNSS约需8—10分钟)，这对高动态用户来说尤为重要。（4）被动式全天候导航定位。这种导航定位不仅隐蔽性好，而且可以容纳无数多用户。（5）抗干扰性能好，保密性强。由于GPS采用了数字通讯的特殊编码技术，即伪随机噪声码技术，因而GPS卫星所发送的信号，具有良好的抗干扰性和保密性。

GPS应用于测量的特点

相对于经典的测量学来说，这一新技术的主要特点如下：（1）观测站之间无需通视。

（2）定位精度高。在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1～2×10-6，而在100km～500km的基线上可达10-6～10-7。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于1000km的距离上，相对定位精度达到或优于10-8。（3）观测时间短。

（4）提供三维坐标。（5）操作简便。

（6）全天候作业。

2全球定位系统GPS的组成概况

全球定位系统（GPS）主要由三部分组成，即由GPS卫星组成的空间部分、由若干地面站组成的控制部分和以接收机为主体的广大用户部分.

1空间部分

（1）

GPS空间卫星星座的构成

全球定位系统的空间卫星星座，由24颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。卫星分布在6个轨道面内，每个轨道面上分布有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55º，各轨道平面升交点（与赤道交点）之间的角距为60º。相邻轨道之间的卫星还要彼此叉开40º。轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期为11小时58分。因此，同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。GPS卫星及其功能

GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg(包括310kg燃料)，两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗卫星装有4台高精度原子钟(2台铷钟和2台铯钟)，这是卫星的核心设备。它将发射标准频率信号，为GPS定位提供高精度的时间标准。地面监控部分

GPS的地面监控部分，目前主要由分布在全球的5个地面站所组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站。

GPS地面监控部的分布地面监控系统图(1)监测站

监测站，是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器。接收机对GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料由计算机进行初步处理，并存储和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。(2)主控站

主控站一个，设在科罗拉多·斯平土(ColoradoSprings)的联合空间执行中心。主控站除协调和管理地面监控系统的工作外，其主要任务是:●根据本站和其它监测站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站。●提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原于钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站。●调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。●启用备用卫星以代替失效的工作卫星。

注入站现有3个，分别设在印度洋的迭哥加西亚(DiegoGarcia)；南大西洋的阿松森岛(Ascencion)和南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)。注入站的主要设备包括二台直径为3.6m的天线、一台C波段发射机和一台计算机。其主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。

(3)注入站

用户设备部分

全球定位系统的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用GPS定位的目的。用户设备的主要任务是，接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息及观测量，并经数据处理而完成定位工作。

用户设备，主要由GPS接收机硬件和数据处理软件，以及微处理机及其终端设备组成，而GPS接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源。

GPS发展趋势

①继续向小型化、轻型化发展；②结构模块化，减少易损的接口；③控制器小型化，以便用户操作，提高自动化程度；④降低功率消耗；⑤改善存储器管理，增大存储容量；⑥增加接收机的通道数，以便同时跟踪全部GPS可见卫星；⑦信号接收、跟踪、量测与处理单元一体化，以减少信号损失；⑧改善接收机的耐用性，提高量测结果的可靠性和延长无故障工作时间；⑨改善接收机内部的电路设计，减弱多路径误差的影响；⑩改善信号处理技术（如采用窄距相关技术），以提高信号的量测精度；

2GIS的特征及分类

GIS具有以下三个方面的特征：（1）具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力。（2）以地理模型方法为手段，具有空间分析、多要素综合分析和动态预测的能力。（3）由计算机系统支持进行空间地理数据管理，使其能够快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和动态分析。GIS按其内容可以分为三大类：(1)专题地理信息系统具有有限目标和专业特点的地理信息系统。为特定的专门的目的服务，如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、农作物估产信息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统、环境管理信息系统等。(2)区域地理信息系统：主要以区域综合研究和全面信息服务为目标。(3)地理信息系统工具3GIS的组成及功能

GIS硬件系统GIS软件系统地理空间数据库系统组织管理人员

l

GIS主控模块l

GIS数据库与数据库管理系统l

空间数据处理l

空间数据分析l

专业应用模型l

信息显示与制图输出l

二次开发环境图形编码请求属性编码请求图形数据采集与编码属性数据输入与编码扫描数字化跟踪数字化DTM点线面窗口条件属性条件打印机显示器绘图仪查询功能制图功能查询请求输出请求用户接口地理信息系统的组成4GIS的基本功能

GIS就是通过对地学信息和有关社会经济信息进行采集、编辑、数据管理、查询、分析和输出等工作，来实现对地学信息的计算机化管理过程。GIS作为一个空间信息系统要求至少具备五项基本功能，即数据输入、图形与文本编辑、数据存贮与管理、空间查询与空间分析、数据输出与表达。

2遥感技术的分类

按遥感平台可分为：地面遥感-传感器设置在地面平台上航空遥感-传感器设置于航空器上航天遥感-传感器设置于环地球的航天器上航宇遥感-传感器设置于星际飞船上

按传感器的探测波段可分为：紫外遥感-探测波段在0.05～0.38um之间；可见光遥感-探测波段在0.38～0.76um之间；红外遥感-探测波段在0.76～1000um之间；微波遥感-探测波段在1mm～10m之间；多波段遥感-指探测波段在可见光波段和红外波段范围内，再分成若干窄波段来探测目标。

按工作方式可分为：主动遥感-由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向反射信号；被动遥感的传感器不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量。传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成(数字或模拟)图像称成像遥感；传感器接收的目标电磁辐射信号不能形成图像称非成像遥感。

3航天遥感技术

（1）概况

（2）气象卫星

风云一号气象卫星（3）海洋卫星系列美国海洋资源卫星

（4）陆地卫星(Landsat)美国地球资源卫星（5）斯波特卫星(SPOT)浙江省湖州市SPOT遥感影像图（部分）

（6）中国资源一号卫星——中巴地球资源卫星(CBERS)中巴资源卫星

环境

行动

传感器

决策过程

数据库

分析/处理

精细农业中决策生成的概念图2专家系统及其农业应用（1）专家系统的定义及特点

专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，它能应用人工智能技术和计算机技术，根据专家的知识和解决问题的方法进行推理判断，模拟人类专家在相应领域的决策过程，并在很短的时间内对问题得出高水平的解答。简言之：“一个在某领域具有专家水平的解题能力的程序系统”。专家系统的基本特征具有专家水平的专门知识

符号处理

一般问题的求解能力

复杂度与难度

具有解释功能

具有获取知识的能力

知识与推理机构相互独立

综上所述，一个专家系统应具备以下三个显著特征：①启发性：不仅能使用逻辑知识，也能使用启发性知识，它运用规范的专门知识和直觉的评判知识进行判断、推理和联想，实现问题求解。②透明性：它使用户在对专家系统结构不了解的情况下，可以进行相互交往，并了解知识的内容和推理思路，系统还能回答用户的一些有关系统自身行为的问题。③灵活性：由于专家系统的知识与推理机构的分离，使系统不断接纳新知识，调整有关控制信息和结构，确保推理机与知识库的协调，同时便于系统的修改和扩充。专家系统的分类按专家系统所求解问题的性质可将专家系统分为以下几类：(1)解释（interpretation）专家系统(2)预测(prediction)专家系统(3)诊断(diagnosis)专家系统(4)设计(design)专家系统

(5)规划(planning)专家系统

(6)监视(monitoring)专家系统(7)控制(control)专家系统(8)调试(debugging)专家系统(9)咨询与决策专家系统(10)教学(instruction)专家系统专家系统按应用领域的分类农业领域：用于作物病害诊断、施肥控制、种植咨询、关于饲养猪、牛、虾、蚕等的咨询等。化学领域：用于推导分子结构、综合有机分子和规划分子生物学方面的实验等。计算机系统类：用于错误诊断、计算机配置、生产控制等。电子学领域：用于研究和开发设备错误诊断和集成电路的设计、电气检错等。工程学领域：用于错误诊断、教授复杂过程控制系统的运行等。地质领域：用于钻井日志分析、与打井有关的故障诊断等。制造领域：用于制造和过程控制技术、设备和工厂安排计划、工作计划的建立等。医学领域：用于医疗测试数据解释、疾病诊断与治疗、医学教学等。气象学领域：用于气象数据解释、气象预测等。军事科学领域：用于解释感知数据、预测战争的发生及结果、制定袭击计划等。专家系统的结构

专家系统的基本结构

专家系统的一般结构

专家系统的理想结构专家系统的理想结构

知识的表示

知识表示是知识的符号化和形式化过程。知识的表示在专家系统中是非常重要的，因为专家系统外壳是为某种类型的知识表示方法设计的，而且一个专家系统表达知识的方式影响着系统的开发、效率、速度和维护。(1)产生式表示法(2)框架表示法(3)谓词逻辑表示法(4)语义网络表示法(5)知识的过程表示法(6)面向对象的知识表示法

知识的获取

知识获取就是把用于求解专门领域问题的知识从拥有这些知识的知识源中抽取出来，并转换为一特定的计算机表示。

专家系统在农业上的应用及实例农业系统是由生态系统、经济系统、社会系统和技术系统在特定的时间和空间上组合而成的复杂大系统，它是一个多因素、多层次、多目标，关系纵横交叉的人工一自然复合系统。这一系统的复杂性、动态性、模糊性是其它系统无法比拟的。综合国内外近几年开发的农业ES，按其功能和结构的主要特征，归结为如下五类：

(l)启发式专家系统(2)实时控制专家系统(3)基于模型的专家系统

(4)专家数据库

(5)专家系统开发工具构建农业专家系统的开发过程1.开发任务的确定2.领域间的相互渗透3.确定系统的设计思想和结构4.知识获取5.建造专家系统6.精炼

3作物模拟系统

（1）模型的概念

模型应具备以下三个特点：1．

它是现实系统的部分模仿抽象；2．

它是由那些与分析问题有关的因素构成；3．

它能反映系统有关侧面的运动过程。作物模似模型的概念、特征和分类八个特征:（1）

系统性（2）

动态性（3）

机理性（4）

预测性

(5)

通用性（6）

便用性（7）

灵活性（8）

研究性

类型：（1）经验性模型和机理性模型；（2）描述性模型和解释性模型；（3）统计模型和过程模型；（4）应用模型和研究模型。（2）作物模拟研究的作用、目的及意义作用

:一、

了解或解释作物生长的过程或机理预测作用

调控或指导作用

目的

:

定量关系综合知识检验假设进行模拟支持决策支持教学连接其他模型

意义一、提供新的生长点，推动作物科学的发展

二、促进多学科知识的融合

三、加深对作物生长发育过程的理解和认识

四、提高作物科学研究的水平

五、部分代替田间实验，大大节约人力、物力、财力通过诊断和决策，制定实施计划，并在全球定位系统与地理信息系统集成系统支持下进行田间作业。这是一种信息化的现代农业。”（中国科学院院士、中国工程院院士李德仁）（3）“精细农业是基于知识和信息的大田作物、设施农作、养殖业和加工业的精细管理与经营的技术思想和体系的整体发展。精细农业技术体系是农学、农业工程、电子与信息科技，管理科学等多种学科知识的组装集成.....，目前国外关于精细农业的研究，主要是集中于利用3S空间信息技术和作物生产管理决策支持技术（DSS）为基础的面向大田作物生产的精确农业技术，即基于信息和先进技术为基础的现代农田“精耕细作”技术。”（中国工程院院士汪懋华）（4）“精细农业”基于土壤精细管理的概念，是在田间按照具体小区的情况调整管理措施，以提高产量、减少环境危害的农业生产方式。（5）“精细农业”是通过使用产量图和传感器的感应方法、有效的模拟模型方法，用来预测最优的管理实践的时间，从而调整和改善土地和农业管理，以满足异质性田间植物的资源需求；以避免产量受到环境极限的限制。（6）“精细农业”是基于不同尺度的环境及生物生长信息采集、传递、反馈，包括大尺度下的基于3S(GPS、GIS、RS)的信息和基于生物生产认知水平的全过程精细判别以及基于智能化生产设备的准确控制，实现高效率、高收益、低环境危害的可持续农业生产模式。（7）“精细农业”是利用3S空间信息技术和作物生产管理决策支持技术(DSS)为基础的面向大田农作物生产的农作技术体系。（8）“精细农业”是信息技术在农业中的应用，是一种以知识为基础的农业管理系统，是关于农业管理系统的战略思想。它的全部概念建筑在“空间差异”的数据采集和数据处理上，核心是根据当时当地作物实际需要确定对作物进行化肥或农药等投入。

对精细农业理解都包含以下几个共同点。①精细探察差异，采取针对性调控措施，随时随地挖掘潜力，达到全局优化；②以GPS、GIS、RS、DSS、先进传感技术、智能控制技术、计算机软硬件技术、网络技术、通讯技术等作为高新技术手段；③通过合理调控，提高效率来提升正面效果，抑制负面效应，全面提高经济效益、社会效益和环境效益。1.2精细农业的技术思想

精细农业与传统农业相比，主要有以下特点：

（1）合理施用化肥，降低生产成本，减少环境污染精细农业采用因土、因作物、因时全面平衡施肥，彻底扭转传统农业中因经验施肥而造成的三多三少（化肥多，有机肥少；N肥多，P、K肥少；三要素肥多，微量元素少），N、P、K肥比例失调的状况，因此有明显的经济和环境效益。（2）减少和节约水资源目前传统农业因大水漫灌和沟渠渗漏对灌溉水的利用率只有40％左右，精细农业可由作物动态监控技术定时定量供给水分，可通过滴灌微灌等一系列新型灌溉技术，使水的消耗量减少到最低程度，并能获取尽可能高的产量。

（3）节本增效，省工省时，优质高产精细农业采取精细播种，精细收获技术，并将精细种子工程与精细播种技术有机地结合起来，使农业低耗、优质、高效成为现实。在一般情况下，精细播种比传统播种增产18％~30％，省工2-3个。（4）农作物的物质营养得到合理利用，保证了农产品的产量和质量因为精细农业通过采用先进的现代化高新技术，对农作物的生产过程进行动态监测和控制，并根据其结果采取相应的措施。1.3精细农业的技术支撑

全球定位系统（GlobalPositioningSystem）

地理信息系统与地图软件(GeographicInformationSystemsandMappingSoftware)产量分布图生成系统(YieldMappingSystems)变量控制技术（Variable-RateTechnologies）农业生物信息采集技术（FarmingDataAcquiredTechnology）

遥感技术(RemoteSensing)作物生产模型（CropProductionModeling）决策支持系统(DecisionSupportSystems)智能化变量农作机械（IntelligentFarmMachinery）

传统田间测产方法：单产量=总产量/地块亩数。精细农业田间测产方法：单产量=（谷物质量流量-水分含量+损失量）/（收割机行驶速度╳割幅宽度）。

结构原理

1DGPS接受装置

2GPS接受装置

3谷物湿度测量

4谷物速度测量

5谷物体积流量测量

6谷物损失测量

7转向角度测量

8距离/速度测量

9割幅测量

2谷物联合收获机产量传感器和部件

（1）谷粒流量传感器

（2）谷粒湿度传感器（3）行驶速度传感器（4）收割台提升位置传感器（5）电子监控显示器（6）GPS全球卫星定位系统3产量图的形成4支持精细农作变量处方农业机械智能化农业机械IAM（IntelligenceAgriculturalMachine，或称智能控制系统下的农机具，ICS农机，IntelligenceControlSystem）支持“精细农业”的智能化农业机械：收获机械产量监示器与产量图自动生成系统，如自动控制精度平地机自动控制实现精密播种精细施肥精细施药精细灌溉精细变量施肥机

装备有GPS的施肥机

精确变量干粉混合施肥机1微处理器

2田间地图

3电液阀

4商品肥料斗

5计量轮

6输送链

7混合搅轮8注入泵

9微肥斗

10水平搅轮11竖直搅轮12刮（浆）板

13分配头

14输送管

15文丘里管

16鼓风机

17空气多路歧管

18杆管

19喷嘴-反射管装备有GPS的自动喷药机械

流量及雾滴大小调节的变压控制器基于区域传感器的精确田间虫害控制系统概念示意图

流量及雾滴大小调节的变压控制器喷杆与摄像机的安装田间图像与控制响应实例图中水平线以上是处理过的图像部分，喷杆上12个喷嘴用标有数字的LED表示，当LED亮，相应的喷嘴动作

变量播种机

精密播种机示意图

精细灌溉设备

电子学用于农业机械装备的技术创新，可概括为如下5个基本领域：（1）提高机器作业的技术性能:过程监视、控制、诊断和通信。（2）实现节本增效和利于改善生态环境的农作:节约物资、能源消耗，降低作业成本以及减少对土壤、水体和动植物的污染。（3）过程的精确操作:及时获取过程信息，精确执行过程控制指令。（4）改善劳动者的操作条件:良好的人机接口，操作方便性。安全性和舒适性。（5）开发基于卫星定位系统实施精细农作的智能控制农业机械，支持农田作业的科学管理决策等。5国外农业机械智能化简况

近几年来，一些发达国家不断将高新技术应用到农业机械上，使农业机械向智能化方向发展。

（1）耕作机械智能化

美国东伦敦综合技术学院土地管理系研制成功一种激光拖拉机。利用计算机系统导航装置，不仅能够准确无误地测定其所在位置及运行方向，使误差不超过25厘米，而且能够根据送入农场计算中心的电子图表，查找出该处土地的湿度、化学成分、排水沟位置和其它一些特点：准确计算出最佳种植方案要，所需种子、肥料和农药数量等。一人在室内荧屏前可操纵多台激光拖拉机进行耕作，耕作速度快，且可减少种子、肥料和农药消耗，节约生产成本50%，提高作物产量20%。

（2）收获机械智能化

美国农场装备制造商卫西·弗格森，在联合收割机上安装了一种产量计量器，能在收割作物的同时，准确收集有关产量的资料，并绘成各个田块的产量分布图。农场主可以利用这种产量分布图，来确定下一季的种植计划以及种子、化肥和农药在不同田块的使用量。

（3）灌溉机械智能化美国内布拉斯加州的瓦尔蒙特工业股分有限公司和ARS公司开发出一种可实现农田自动灌溉的红外湿度计。该仪器被安装在环绕着农田的灌溉系统上后，可每6秒钟读取一次植物叶面湿度。当植物需水时，它会通过计算机发出灌溉指令，及时向农田灌水。

（4）施药机械智能化

澳大利亚推出一种能识别莠草的喷雾器。它在田间移动时，能借助专门的电子传感跑龙套，来区分庄稼和杂草，而只有当发现莠草时，才喷出除莠剂。这样，花费的除莠剂只有常规除草的1/10，减轻了对环境的污染。

（5）挖土机械智能化

美国匹兹堡一家公司研制成功一种超声波挖土机，在埋有电缆和管道的地方挖土时，可避免将电缆和管道挖坏。这种新型挖土机，使用超声波喷气流破碎土壤，然后用真空装置将土吸走，不会对电缆和管道造成损害。

（6）放牧机械智能化

英国科学家设计出一种可代替人或犬放牧羊群的牧羊机器狗。它备有一架摄像机和一台计算机，可对羊群移动的情况进行分析。如果羊群显得不安定的话，其队形、速度和移动状况就会