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      計算機技術在農業(yè)現(xiàn)代化中的應用前景分析

      2014-02-12 04:27:54鄭海新
      臺灣農業(yè)探索 2014年4期
      關鍵詞:作物計算機機器人

      王 超,鄭海新

      (福建省農業(yè)科學院培訓中心/數(shù)字農業(yè)研究所,福建 福州 350003)

      計算機應用技術在我國最早出現(xiàn)大約是1945年,到20世紀70年代后,計算機才被廣泛地應用于社會經(jīng)濟各領域:如數(shù)值計算、信息處理、辦公自動化、信息化(互聯(lián)網(wǎng))、設計輔助、影視娛樂等。在科學技術快速發(fā)展的背景下,各行各業(yè)都在拓展計算機的應用,最早在1940年左右[1],美國已經(jīng)開始在農業(yè)領嘗試計算機技術處理農業(yè)自動化的設計。之后隨著科技應用的不斷發(fā)展,計算機技術被廣泛應用于作物生產、畜禽養(yǎng)殖、農業(yè)機械、農業(yè)經(jīng)濟與信息技術、農產品加工、環(huán)境監(jiān)測與控制、作物倉儲管理、作物產量預測等方面。計算機技術不僅推動農業(yè)科研和農業(yè)機械自動化向現(xiàn)代高優(yōu)農業(yè)邁進,同時也逐步形成農業(yè)科技領域里的特殊分支,成為農業(yè)現(xiàn)代化不可缺少的重要技術手段。

      1 計算機技術在農業(yè)中應用現(xiàn)狀

      1.1 農業(yè)信息系統(tǒng)

      農業(yè)信息系統(tǒng)是我國農業(yè)領導部門和農業(yè)科研單位普遍建立的系統(tǒng),是由數(shù)據(jù)庫軟件搭建主體,提供農業(yè)類信息服務資訊,具有信息檢索和編輯等功能。例如,農業(yè)部開發(fā)和建設了農業(yè)經(jīng)營管理信息系統(tǒng)、農村能源及環(huán)境監(jiān)測管理信息系統(tǒng);中國農業(yè)科學院計算中心與農業(yè)部計劃司統(tǒng)計處合作開發(fā)的全國農業(yè)經(jīng)濟統(tǒng)計資料數(shù)據(jù)庫;中國農業(yè)科學院科技文獻信息中心建成的中國農業(yè)文獻信息數(shù)據(jù)庫;農牧漁業(yè)科技成果數(shù)據(jù)庫和CABI和AGRIS數(shù)據(jù)庫;中國農業(yè)科學院作物科學研究所國家作物品質信息中心建立的“中國作物品質信息網(wǎng)”等。這些種類繁多的農業(yè)信息數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了農業(yè)資訊的高效率采集、條理化分類和便捷的資源共享,在各自的領域發(fā)揮著重要的作用。

      1.2 作物模擬系統(tǒng)

      作物生長模擬技術最早是從工業(yè)生產的工程分析里獲得靈感,隨著時代的發(fā)展,現(xiàn)在已逐步使用計算機來完成數(shù)據(jù)分析。其原理是通過對作物生長到收成的一整個過程進行詳細的數(shù)據(jù)采集,對比大量的分析結果后,模擬出作物的動態(tài)生長。我國早在1983年,高亮之等[1]就在美國發(fā)表了“苜薯生產的農業(yè)氣象計算機模擬模式(ALFAM0D)”。此后,中科院上海植物生理研究所建立了“水稻群體物質生產的計算機模擬模型”;中國農科院農業(yè)氣象研究所將CERES——玉米模型漢化;江蘇省農科院建成了“水稻栽培計算機模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)(RCSODS)”[1];中國農科院研制出的“棉花生產管理模擬系統(tǒng)”,將棉花的生長周期、水肥管理和環(huán)境變量相結合,從而制定出適合不同區(qū)域的高產栽培優(yōu)化方案。

      1.3 農業(yè)專家系統(tǒng)

      農業(yè)專家系統(tǒng)是一種使用人工智能,也就是現(xiàn)代普遍統(tǒng)稱的計算機智能,通過將總類繁多的訊息進行歸類總結,特別是農業(yè)專家在工作領域積累的大量生產經(jīng)驗,構建出各種資料數(shù)據(jù)及數(shù)學模型,從而建立的計算機應用系統(tǒng)。農業(yè)專家系統(tǒng)在作物栽培、水肥灌溉、植物保護和市場銷售管理等方面都有著顯著的應用需求。70年代末美國依利諾斯大學開發(fā)了大豆病害診斷專家系統(tǒng)PLANT/ds和預測玉米黑地老虎危害的專家系統(tǒng)PLANT/cd;美國農業(yè)部和密西西州立大學及克萊姆大學共同創(chuàng)建了棉花作物管理推理系統(tǒng)COMAX;日本千葉大學研發(fā)了番茄病害診斷專家系統(tǒng)MICCS等[2]。80年代中后期,我國也自行組建了多個農業(yè)專家系統(tǒng),例如中國科學院、中國農業(yè)科學院作物所、中國農業(yè)科學院農業(yè)氣象所等單位分別推出“作物施肥專家系統(tǒng)”、“小麥育種專家系統(tǒng)”、“玉米育種專家系統(tǒng)”、“防御東北地區(qū)玉米低溫冷害專家系統(tǒng)(PMLTCD)”等實用專家系統(tǒng),它們代替專家群體走向地頭,進入農家,用先進適用的農業(yè)技術培訓農業(yè)技術人員,指導農民科學種田,這是科技普及的一項重大突破。

      1.4 農機化視覺系統(tǒng)

      農業(yè)機械化是農業(yè)現(xiàn)代化的重要標志,計算機視頻輔助機器人在農業(yè)上的應用為實現(xiàn)田間管理機械化創(chuàng)造了條件,如播種、施肥、行間噴霧、行間碎土、鋤草和收獲等,大大提高播種和作業(yè)精度,減少收獲損失,節(jié)約種子、肥料和農藥。美國學者Parrish和Goksel[3]在1977年的一項研究中,探討了僅依靠機器人的視覺作為三維坐標系定位,并應用在水果采摘技術上的可行性論述。1985年,Harren等[4]人研制了一種基于球坐標系的機器人用于水果收獲;1987年美國普渡大學的Miles教授等[5]人使用具有機器人視覺系統(tǒng)的Puma 560型機器人,配備CAD系統(tǒng)設計的一種幼苗移栽抓取器,成功實現(xiàn)了智能化幼苗移栽。學者Hwang等[6]人也設計了辣椒幼苗移栽系統(tǒng)。1997年日本Have 等[7]發(fā)明了直線圖像分光儀,很快被投入到農田作物的行列檢測應用中;2000年,荷蘭農業(yè)環(huán)境工程研究所[8]研發(fā)了一種可移動的黃瓜收獲機器人樣機;1995年我國學者周云山等[9]研究了利用吸盤系統(tǒng)開發(fā)蘑菇采摘機器人樣機;2001年上海交通大學機器人研究所劉成良等[10]人研制了一套嫁接機器人的視覺系統(tǒng),該系統(tǒng)應用在瓜果秧苗嫁接上,靠軟件系統(tǒng)來判斷秧苗頭尾方向,從而完成智能化秧苗嫁接。在英國,水果成熟度的傳感器已應用于計算機分析,實現(xiàn)了水果的快速分級[11];歐洲已研制出分析玫瑰質量、分行切枝玫瑰的機械視覺系統(tǒng)。

      1.5 追溯信息系統(tǒng)

      追溯信息系統(tǒng)是以信息處理為技術基礎的質量安全保障體系,通過運用信息技術,將追溯關鍵點與質量控制點有機結合,從生產崗位信息采集到產品追溯信息查詢全程信息化管理的一體化專用軟件系統(tǒng),它包括定制子系統(tǒng)、采集子系統(tǒng)、匯總子系統(tǒng)和查詢子系統(tǒng)。從20世紀80年代末開始,隨著全球性農產品質量安全事件的不斷發(fā)生,人們逐漸把可追溯系統(tǒng)應用于農產品質量安全控制體系當中。國際物品編碼協(xié)會(GSI)開發(fā)出用于農產品跟蹤與追溯的全球統(tǒng)一標識(EAN·UCC)系統(tǒng),該體系在歐洲已成功應用于農產品可追溯系統(tǒng)的建立和實施;歐盟的農產品可追溯系統(tǒng)最早應用于牛肉產品的可追溯系統(tǒng);美國的農產品可追溯系統(tǒng)主要是企業(yè)自愿建立;日本農產品可追溯系統(tǒng)應用方面不僅制定了相關法規(guī),而且在零售階段,大部分超市已經(jīng)安裝了產品可追溯終端,供消費者查詢信息使用;英國政府建立了基于互聯(lián)網(wǎng)的家畜跟蹤系統(tǒng)(CTS);加拿大從2002年開始實施強制性牛肉制品標識制度;我國農墾農產品質量追溯系統(tǒng)開發(fā),對農產品從生產源頭到消費市場實施精細化管理,全程記錄下種植養(yǎng)殖戶在生產、加工、流通各個環(huán)節(jié)的質量安全信息,使農產品質量有了較強的可追溯性。

      1.6 植物生長監(jiān)測系統(tǒng)

      利用計算機視覺技術對植物生長進行監(jiān)測具有無損、快速、實時等特點,它不僅可以檢測設施內植物的葉面積、莖稈直徑、葉柄夾角等外部生長參數(shù),還可以根據(jù)果實表面顏色判別其成熟度,以及作物缺水缺肥等情況[12]。在植物外部生長參數(shù)的測量方面:1987年Mayer等人[13]利用數(shù)字圖像來分析幾種作物的葉面積、莖稈直徑、葉柄夾角,率先在此領域開展研究。1991年學者Shimizu和Oshita[14]采用圖形處理的方法對植物的伸長率在3個維度上進行了無損傷測量。1992年,美國學者Trooien[15]探索了利用圖像處理方法測量馬鈴薯葉面積的方法。1995年荷蘭Wageningen大學的Vanhenten[16]研究了植物葉冠相對覆蓋率與植物干重之間的關系,建立了3種數(shù)學模型。1995年陳曉光等[17]利用機器視覺技術分析和判別蔬菜苗生長信息。在果實成熟度的檢測方面:1995年韓國學者Choi等[18]根據(jù)美國農業(yè)部(USDA)關于番茄成熟度的分級標準,利用彩色圖像處理技術把新鮮番茄分為6個等級;1996年美國伊利諾伊大學的John教授[19]對彩色視覺系統(tǒng)特性進行了研究,指出:在多種顏色模型中,HSI(色調、飽和度、光照強度)顏色模型與人眼感覺顏色的原理相似。2000年張長利等[20]利用遺傳算法訓練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)番茄成熟度的自動判別的研究。在植物營養(yǎng)成分的監(jiān)測方面:1992年Seginer等[21]研究發(fā)現(xiàn)完全長成型的番茄葉子的運動與缺水情況及CO 吸收率幾乎成線性相關,監(jiān)測結果可用來作為灌溉系統(tǒng)的控制信息。1996年AhmadI等[22]利用彩色圖像信息評價缺水和缺氮對玉米生長的影響,建立了RGB值與HSI值之間的色度坐標變換關系。1995年,京都大學教授 Hiroshi與美國學者Shimizu[23]合作,設計了一種利用CCD攝像機與紅外照明設備組成的計算機視覺系統(tǒng),并用此系統(tǒng)對植物生長進行監(jiān)測分析。

      2 計算機應用存在的問題

      當今,計算機技術在各領域的應用已成為推動技術創(chuàng)新、提高勞動效能的重要手段。雖然我國計算機在農業(yè)方面的應用逐年增多,但與發(fā)達國家相比仍然存在一定差距。具體表現(xiàn)為:(1)水平低,能應用于農業(yè)生產的計算機技術有限,大部分技術還處于研究、小試、樣機階段。(2)投入少,各級政府對信息產業(yè)的研發(fā)投入不足。(3)成本高,農村個體經(jīng)營模式無法承載高額的計算機設備投入,優(yōu)質不優(yōu)價也阻礙了新技術的推廣應用。(4)培訓弱,許多偏遠地區(qū)沒有開展信息技術培訓,農村人口因文化水平偏低,對計算機應用能力普遍較弱,這樣不但阻礙了農業(yè)的發(fā)展,也使農民在競爭激烈的市場環(huán)境中處于被動地位。

      3 計算機技術在農業(yè)的發(fā)展趨勢

      3.1 精準農業(yè)

      精準農業(yè)是20世紀80年代初國際農業(yè)領域發(fā)展起來的一門跨學科新興綜合技術,其特點是通過GPS、GIS、RS技術和自動化技術的綜合應用,按照農作物生長的田間每一個操作單元具體條件準確計算,提出投入產出轉換效率,從而相應調整化肥、農藥等物質投入,避免過量施用化學產品而帶來污染風險,達到減少投入,增加收入,保護農業(yè)生態(tài)環(huán)境的目的。它是一種超前性的高新技術農業(yè),是世界農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的新趨勢。近年來,我國農業(yè)生產將從資源消耗型、粗放管理型向節(jié)約型、優(yōu)化精確控制型轉化,土壤、作物、農產品安全和農業(yè)機械化等把質量問題、效益問題、農民增收和環(huán)境保護問題始終作為近期農業(yè)研究的重點。

      3.2 智能溫室

      以微型計算機為核心的溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng),可經(jīng)由傳感器檢測,根據(jù)溫室植物生長要求,對溫室內的溫濕度、光照度、二氧化碳濃度、營養(yǎng)液或水肥濃度等的需求,實現(xiàn)對各個環(huán)節(jié)的智能調控。溫室種植里常用的遮陰幕,就可以通過無級調節(jié)的天窗通風系統(tǒng)和濕簾與風扇配套的降溫系統(tǒng)進行室內控溫。使用軟件系統(tǒng)控制熱風機或熱水鍋爐對溫室進行加熱,使用灌溉系統(tǒng)進行定時定量的作物澆灌,還有二氧化碳施肥系統(tǒng)和各種先進的智能型農業(yè)機械已經(jīng)越來越頻繁的出現(xiàn)在現(xiàn)代溫室的設計需求里。工作人員僅需在計算機上輸入作物的各項參數(shù),系統(tǒng)在結合農業(yè)專家系統(tǒng),通過傳感器檢測之后,隨時自動調整出最適合作物生長的環(huán)境。這些系統(tǒng)的操作,已不再是簡單的計算機數(shù)據(jù)輸入控制,而是能夠基于地域和環(huán)境變化,更加動態(tài)地人工智能控制。

      3.3 農業(yè)機械化

      科技進步帶動現(xiàn)代高效農業(yè)向更深層次發(fā)展,隨著農村勞動力轉移,人力成本不斷攀升,大力發(fā)展農業(yè)現(xiàn)代化就必須走農業(yè)機械與高科技相結合的道路。計算機技術與農業(yè)機械化相結合,是農業(yè)機械化發(fā)展的必然趨勢,它將促進農機具的自動化和智能水平進一步提高,向優(yōu)質、高效、安全、簡便、經(jīng)濟的方向發(fā)展。農業(yè)機械計算機管理專家系統(tǒng)、計算機控制田間機械作業(yè)、計算機視覺在農業(yè)機器人上的應用、計算機控制的自動土壤測量分析系統(tǒng)、作物病蟲害監(jiān)測預警和防控系統(tǒng)等高新技術的普及和應用,將為農業(yè)現(xiàn)代化插上騰飛的翅膀。

      參考文獻:

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