依托智能管理技术 提高玉米生产能力

姚玉霞+张芸+刘晓彦+隋庆茹+韩智慧

摘要：本文研究吉林玉米生产中需要的现代化信息技术，利用网络地理信息系统（Web GIS）技术和可数据挖掘技术，结合不确定性推理技术，针对吉林省玉米生产的情况，充分考虑引起玉米病虫害发生的因素及不确定性，将地理信息系统、专业知识、农民经验和可视化有机结合，研究玉米智能专家系统进行推广，在吉林省部分地区的应用中取得了良好效果。

关键词：玉米;WebGIS计算机技术;智能系统

基金项目：吉林省教育厅，编号：吉教科验字〔2014〕 625 号

中图分类号：  F323.3                            文献标识码：  A               DOI编号：   10.14025/j.cnki.jlny.2016.24.010

吉林省是我国农业生产大省和重要的商品粮基地，开展农业生产与计算机技术应用的研究是提高农产品质量、降低生产成本、保护生态环境、适应市场和提高农产品国际竞争力的重要手段。充分利用计算机技术在农业知识、信息和技术的传播与控制的潜能，依托现有的信息基础设施和工作基础，依靠权威农业专家和计算机专家的紧密结合，获取权威领域专业知识;利用专家系统开发平台和各种智能化信息服务工具，研制开发吉林省玉米生产智能专家系统;配合农业技术推广部门，组织开展智能系统的培训和示范推广工作;促进吉林省农业信息化进程，从根本上实现“智能吉林”的宏伟目标。通过实施农业信息化的工程，力争使吉林省农业科技的基础设施得到进一步加强;农业科技研究与推广队伍的力量得到充实，人员素质得到进一步提高;农业技术、知识、信息、成果的传播体系逐步建立;农业生产水平得到全面提高，用农业信息化带动农业现代化。

1 研究技术内容的发展现状与趋势

智能农业在国外始于20世纪80年代，国外的智能农作在实践过程中已经获得较好的效果，尤其是美国、加拿大、澳大利亚等国家智能农作在农业生产中已得到较广泛的应用，并且许多成熟的技术已经形成;智能农业在欧洲同样得到较好的发展，农民采用全面基于空间技术和处理水平的精确农作技术，包括自动采集数据和集成MIS/DSS技术。不仅西方国家对智能农业的技术实践引起重视，在日本、韩国、巴西、马来西亚等国也开始了实验示范研究[1]。

目前，农业信息技术及计算机技术已贯穿于农业生产的产前、产中、产后全过程。积极发展农业信息技术，是我国农业迎接知识经济的挑战和推动新的农业科技革命的重大举措。研制相关的吉林玉米专家智能系统的应用软件，向玉米的生产管理者、生产技术推广人员、加工销售企业、生产经纪人和广大农民用户提供玉米经济科技信息服务，为农民的远程教育和大面积培训奠定基础。

2 研究的主要内容与方法

对农业知识、经验和基础数据的收集和整理，针对示范基地实际情况，进行必要的玉米知识和基础数据的获取、整理。从深度和广度上补充和建立专家系统知识库、数据库和模型库，重点研究示范吉林玉米规范化栽培技术，从效益出发研究示范大面积玉米优质、稳产、高产品种选择、合理施肥、适宜密度等栽培技术体系;积极与示范区当地有关部门协作，开展培训工作。重点培养示范基地农业技术推广人员和微机操作员，积极帮助示范区建立一支应用智能化农业信息技术指导农业生产的骨干队伍。

主要内容：首先进行数据采集和数据库的完善。玉米生产数据存在着复杂而多变的情况。一是数据来源存在多样性。从来源手段上来看，有调查数据，有化验数据，有检测数据;从来源种类上来看，有田间生长数据，有土壤养分数据，有病虫草害数据等;二是数据存储存在异构性，大部分数据都存储在Excel表格中、word文档中，不便于建立联系和进行深层次的分析[2];三是已经建立的部分玉米数据库系统由于建立时没有遵循软件工程和数据库设计原理，导致数据库中存在大量的冗余及不一致现象。为了解决以上问题，我们提出按软件工程方法建立一个规范化的数据库。根据玉米虫害、草害与产量关系的试验，收集整理玉米苗期和成熟期等玉米生长性状指标的数据、玉米病虫草害发生程度的数据，完善了玉米病虫草害诊治的数据库和知识库，建立了基于框架表示的玉米病虫草害诊治模型;利用ArcGIS软件绘制了玉米作物精准作业系统中核心技术示范区和辐射推广区的土壤养分空间变异图，并分析了土壤分异规律及其影响因素，通过黑土区大量田间试验，应用肥料效应函数法，在明确土壤肥力基础上，采用智能技术进行施肥，节省肥料用量，降低玉米生产成本，提高化肥利用率，减少过量施肥对环境造成的污染，经济效益和生态效益都十分显著。

研究方法：首先进行知识获取、知识表示与知识库的建立。以农业领域专家知识成果整理、基础数据采集的准确性、实用性为基础，是建立合理、丰富的知识库。采用产生式规则、案例表示、框架表示和面向对象相结合的知识表示方法，以提高系统的智能化程度[3]。作物生产中涉及品种、土壤、环境、气象等诸多因素的影响，不确定因素较多，各种生长因素间的相互作用、相互制约的关系用数学模型加以抽象描述较难，且需要大量实践和经验积累，建立适宜的模型库，进行上述模型与不确定性推理技术相结合的研究，以提高系统的推理质量和推理效率;智能系统采用信息技术和计算机技术集成，重点突出系统的智能化和决策化功能，集成ES技术、多媒体技术、数据库技术、软构件技术、超文本技术、不确定性推理方法和网络技术，研制智能化程度高、推理准确，人机界面友好、适用性强，易于广大农业生产管理者、农业技术推广人员和广大农民用户使用的智能系统和信息系统。

3 关键技术采用与技术路线实施

3.1关键技术思维采用

在专家系统研制工作中，进行了GIS技术、GPS技术、专家系统技术、数据库技术、多媒体技术、软构件技术和平台技术等技术应用。在玉米生产智能系统中采用了软构件技术、面向对象技术和后台数据库操作技术，成功地解决了与其他系统的链接，同时进行了相应的多媒体课件的制作，作为专家系统软件推广应用的辅助。

3.2 技术路线实施

依托现有的信息基础设施和工作基础，依靠权威计算机专家和农业专家的相互配合，严格按照计划进行计算机软硬件技术主题制定的系统规范，在已取得的相关研究成果的基础上，分析国内外有关的最新研究成果，以提高专家系统的智能化、适用化为核心，以服务农业生产的产前、产中、产后为基础，以专家系统的规范化、产品化和商品化为目标，研制出适宜吉林省种植区的专家系统，以加速科技成果转化，提高农业生产率、增加农民收入和实现软件的产业化为目标。探索了农业专家知识获取的新途径，在开发专家系统中，知识获取是至关重要的，成功的知识获取能够保证专家系统的推理精度。反之，专家系统可能起不到应有的作用。在具体实践中，应根据不同的知识表示形式制定不同的知识表示模板，农业领域专家可以采取对号入座的方式填入相关的知识或数据，这就减少了知识获取的盲目性，提高了知识获取的效率[4]。

4 智能专家系统的推广与应用

我国农业目前总体上正处于由传统农业向现代农业的方向转变的历史时期，利用信息技术在农业知识、信息传播与控制的潜能来促进我国农业现代化进程，大力发展实用和易用的智能化农业信息技术，对提高农业、农村和农民的现代化水平将起到支撑、引领、先导和决定性作用。吉林省玉米智能专家系统作为一种现代化的载体，对提高科技成果转化率、提高科学种田管理水平和广大农民的素质所起的作用更是不可低估的。根据玉米生产的时空性特点及处理时空信息的需要，开发了基于WebGIS的玉米智能决策支持系统。以地理信息系统为基础，结合网络技术，把不同空间尺度资料，不同时段资料和不同格式的资料在统一的坐标体系下进行高效、有序和集中统一的管理，实现了对玉米生产过程中施肥和喷药的决策及其他的分析功能。本软件可以在互联网的任意客户端查询采样点信息并进行决策和分析，为农业生产管理的各个部门提供决策的参考信息，为用户有针对性的科学施肥和合理施药提供指导[5]。针对吉林省玉米产区施肥中存在的主要问题，以玉米按品种喜肥特性为核心技术，示范内容包括调控玉米高产养分限制因子，实现养分平衡供应、划分玉米吸肥能力等级，实现玉米按级施肥、掌握磷肥后效生统显著时期，进行减磷肥或隔年减半施磷，合理施用钾肥技术。通过以上技术的单项与多项集成示范，显著提高了玉米的化肥利用效率，降低了玉米生产成本，提高了玉米产量和品质，减少了过量施用化肥对环境造成的污染。

参考文献

[1]刘孝永，等.病虫害专家系统研究进展[J].山东农业科学，2013（09）：138-143.

[2]李东朝，等.农业专家系统的发展概识与展望[J].农业网络信息，2009（02）：4-7.

[3]姚玉霞，等.基于Web GIS吉林玉米病虫草害诊治专家系统的研究与应用[J].吉林农业，2014，（10）.

[4]苏利，等.大宗农作物病虫害防治数据库管理系统的研究[J].陕西农业科学，2009（04）：66-72.

[5]姚玉霞，等.基于遥感技术的玉米产量预测估产研究与实践[J].黑龙江科技信息，2016（03）：89-91.

作者简介：姚玉霞，长春科技学院，教授，研究方向：计算机与应用。