趙艷麗

(鄒城市植保站，山東 鄒城 273500)

隨著社會的快速發(fā)展，人口總數(shù)不斷增長，預(yù)計到2050年世界糧食需求將會翻一番。由于地下水儲量減少、極端氣候頻發(fā)，耕地面積減少以及病蟲害泛濫等，糧食增產(chǎn)極為困難。病蟲害泛濫是造成糧食減產(chǎn)的主要原因之一[1]。目前，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)已逐步應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可以在監(jiān)視、預(yù)防和控制3個方向?qū)Σ∠x害進(jìn)行干預(yù)。新的大數(shù)據(jù)信息技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測病蟲害，可以在農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)中心中收集相關(guān)信息，用以全面分析農(nóng)作物及其生長狀況、生長環(huán)境等，以便隨時調(diào)整和干預(yù)農(nóng)作物生長，預(yù)防病蟲害泛濫，增加農(nóng)作物產(chǎn)量。

傳統(tǒng)病蟲害的預(yù)測存在準(zhǔn)確性不高和處置時間滯后等缺點，而病蟲害智能預(yù)測技術(shù)則在農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對這些缺陷進(jìn)行了改進(jìn)，使其朝著智能化和精確化的方向發(fā)展。在基于大數(shù)據(jù)的現(xiàn)代信息技術(shù)中，從信息的收集到傳遞再到分析，病蟲害的預(yù)警越來越數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化[2]。本文針對農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)在病蟲害智能化預(yù)警和監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1 信息技術(shù)在農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

1.1 利用3S(RS、GIS、GPS)技術(shù)的病蟲害預(yù)警和監(jiān)測

3S技術(shù)是指遙感技術(shù)(RS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)以及地理信息系統(tǒng)(GIS)的結(jié)合[3]。3S技術(shù)是一種多學(xué)科相互交叉的技術(shù)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、處理和通信等操作。

遙感技術(shù)(RS)通過各種傳感器收集并處理目標(biāo)物體輻射和反射的電磁波，最后形成圖像，然后檢測并識別標(biāo)的物。遙感技術(shù)可以監(jiān)測病蟲害發(fā)生、發(fā)展情況。遙感技術(shù)手動收集的方法既費時又費力，并且可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞，而遙感技術(shù)則彌補了這方面的缺點。遙感技術(shù)使用圖像處理和識別技術(shù)來處理所觀測的數(shù)據(jù)，是人們監(jiān)測植物生長、調(diào)節(jié)環(huán)境因素和防治病蟲害的數(shù)據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。

GIS具有強大的地理空間信息處理能力，已廣泛用于研究區(qū)域病蟲害防治。GIS可以收集環(huán)境因素、氣象數(shù)據(jù)、病蟲害類型和作物生長信息，并預(yù)測病蟲害的傳播趨勢，而且可以通過直觀的圖形來進(jìn)行展示，在病蟲害信息管理和預(yù)警功能程序中應(yīng)用比較普遍。

過去由于RS和GIS技術(shù)應(yīng)用還不夠成熟，因此RS和GIS的2個系統(tǒng)通常分開使用。隨著這2種技術(shù)的發(fā)展，3S集成技術(shù)可以更方便地用于環(huán)境監(jiān)測、氣候變化和災(zāi)難預(yù)測中。GIS對通過RS采集的圖像進(jìn)行圖像處理，數(shù)據(jù)分析和專家系統(tǒng)則預(yù)測并分析蟲害的發(fā)生程度和區(qū)域，然后使用GPS準(zhǔn)確定位地理位置，以查明病蟲害發(fā)生地點。

1.2 利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對病蟲害進(jìn)行預(yù)警和監(jiān)測

影響病蟲害的因素包括物理因素和環(huán)境因素，每個因素與對有害生物的影響之間的相互作用不是線性的[4]。因此，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計和分析方法很難訓(xùn)練適用的模型，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過模擬人腦的思維結(jié)構(gòu)，具有較強的自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)和容錯能力，適用于處理非線性問題，在農(nóng)業(yè)病蟲害預(yù)警與監(jiān)測中有廣泛應(yīng)用。

1.3 利用支持向量機(jī)(SVM)技術(shù)的病蟲害預(yù)警和監(jiān)測

向量機(jī)適用于小樣本、非線性和高維模式，基本原理是應(yīng)用核函數(shù)展開定理將樣本空間映射到高維特征空間，并在高維空間中獲得最優(yōu)的分類面，使原本的非線性可分離問題成為可能，從而在病蟲害預(yù)警和監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析中得以應(yīng)用。SVM還具有一定缺點，如小訓(xùn)練樣本集的收斂速度慢等，通常需要結(jié)合其它算法進(jìn)行優(yōu)化[5]。

1.4 使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行病蟲害的預(yù)警和監(jiān)測

物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)相關(guān)的互聯(lián)網(wǎng)中提供了一系列服務(wù)，如在線監(jiān)視、定位和跟蹤、命令和調(diào)度、安全預(yù)防和決策支持等服務(wù)[6]。在病蟲害預(yù)測方面，傳感器用于連續(xù)監(jiān)測植物的生長環(huán)境，如溫濕度和光照強度等，以實現(xiàn)農(nóng)作物監(jiān)測和病蟲害防治。同時，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅使收集到的信息在數(shù)量上實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，而且在維度上也實現(xiàn)了飛躍，可以提高病蟲害的預(yù)測準(zhǔn)確性。

1.5 利用圖像處理技術(shù)對病蟲害進(jìn)行預(yù)警和監(jiān)測

圖像處理是指將圖像信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號再進(jìn)行處理，通過在機(jī)器視覺和計算機(jī)視覺中不斷應(yīng)用圖像處理技術(shù)，病蟲害的智能識別準(zhǔn)確率逐步提高，為病蟲害早期識別的預(yù)防奠定了基礎(chǔ)[7]。

1.6 利用粗集理論對病蟲害進(jìn)行預(yù)警和監(jiān)測

粗集理論是將不確定的或不準(zhǔn)確的知識用已知知識庫中的知識進(jìn)行描述[8]。粗集理論是基于大量現(xiàn)有知識，描繪信息中的等價關(guān)系，然后根據(jù)每個等價關(guān)系中的依賴關(guān)系刪除兼容信息，從而簡化和挖掘隱藏關(guān)系，是病蟲害早期預(yù)測和預(yù)警的一種重要技術(shù)。

1.7 使用手機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)對病蟲害進(jìn)行預(yù)警和監(jiān)測

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)了許多用于預(yù)測病蟲害的專家系統(tǒng)。隨著智能手機(jī)的進(jìn)一步普及和電子商務(wù)的迅猛發(fā)展，移動互聯(lián)網(wǎng)用戶的快速增長也使得利用手機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)預(yù)測病蟲害的發(fā)生成為可能，同時手機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)預(yù)警監(jiān)測的實現(xiàn)極大地促進(jìn)了病蟲害預(yù)測的發(fā)展進(jìn)程。

2 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)病蟲害預(yù)警與監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

近些年，隨著國家層面對農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的重視，我國農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，很多地方都建立了農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)在病蟲害防治方面的應(yīng)用項目。

當(dāng)前，使用最多的是ZigBee系統(tǒng)，其可以有效地收集、分析和傳輸數(shù)據(jù)信息，從而提升農(nóng)業(yè)管理的數(shù)字化、現(xiàn)代化和信息化。ZigBee系統(tǒng)在設(shè)計過程中包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。在硬件設(shè)計中，通過終端的設(shè)計可以合理利用太陽能，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制；實現(xiàn)對CPU應(yīng)用電路端子擴(kuò)展的有效控制。在設(shè)計無線傳輸電路的過程中，可以實時動態(tài)監(jiān)視農(nóng)田，并通過形成各種網(wǎng)絡(luò)來有效地提高實際應(yīng)用的便利性。如，在設(shè)計害蟲捕獲器檢測電路的過程，可以通過紅外方法實現(xiàn)。

2012年，黑龍江省以稻瘟病為突破口，建立了全覆蓋病蟲害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)?？梢蕴嵩绔@取田間病蟲害發(fā)生的全面信息，并依靠已建立的制度，直接向農(nóng)民發(fā)布防控指導(dǎo)信息，已達(dá)到實現(xiàn)精確防控的目的，不僅實現(xiàn)了有效的危害控制，而且減少了農(nóng)藥的盲目使用，達(dá)到了控害、減藥的目的。該系統(tǒng)的建立，不僅從根本上解決了重大病蟲害監(jiān)測信息的獲取，而且為植物保護(hù)技術(shù)指導(dǎo)準(zhǔn)確、到位找到了最佳途徑。

山東省將重點放在3個項目的實施上，并正在加速建設(shè)覆蓋整個山東省的智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。目前大部分站點已經(jīng)完工并正常運行。到2020年，建立1個省級農(nóng)作物病蟲害智能監(jiān)測中心和900多個裝備精良、高度智能的病蟲害智能監(jiān)測點，并建成擁有1000名基層測量員的病蟲害預(yù)警網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這將大大提高重大病蟲害監(jiān)測預(yù)警的自動化和信息化水平。

安徽省于2019年啟動了基于大數(shù)據(jù)平臺的安徽省農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[12]。實現(xiàn)了對小麥、水稻等主要農(nóng)作物病蟲害的數(shù)字監(jiān)測和預(yù)警，并對該省主要農(nóng)作物有害生物數(shù)據(jù)實行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，查詢更方便，并可以實時共享監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過視頻監(jiān)控，可以直觀、生動地查看農(nóng)作物的生長狀況、實時天氣狀況以及病蟲害的實際狀況；通過可視化頁面，可以清楚地了解各種農(nóng)作物數(shù)據(jù)和生長、分布，每個縣級和市級植物保護(hù)站的報告時間和數(shù)據(jù)類型可以通過直觀的圖表來表達(dá)，從而獲得病蟲害的預(yù)警信息，使病蟲害預(yù)測過程更加清晰、快速、便捷。

3 對農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)病蟲害預(yù)警監(jiān)測技術(shù)未來發(fā)展建議

我國農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的發(fā)展應(yīng)堅持以問題為導(dǎo)向，以應(yīng)用為導(dǎo)向，著力于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、管理精度、信息對稱、控制智能和服務(wù)智能，在農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)環(huán)境下，秉承綠色發(fā)展理念，運用“互聯(lián)網(wǎng)+”理念升級和完善病蟲害監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測設(shè)備，進(jìn)行電網(wǎng)監(jiān)測和智能化模型預(yù)警。逐步實現(xiàn)對有害生物的有效性監(jiān)控，即對病蟲害發(fā)生地點、發(fā)生時間以及需要預(yù)防的情況等有精量化的準(zhǔn)確預(yù)判，以創(chuàng)建綠色、生態(tài)、高效、安全和環(huán)境可持續(xù)的農(nóng)業(yè)之路。

3.1 加強農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)的整合與創(chuàng)新

僅憑農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)難以推進(jìn)整個農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和病蟲害的預(yù)警與防治，要形成良好的大數(shù)據(jù)生態(tài)鏈，就必須走大數(shù)據(jù)集成與創(chuàng)新之路[13]。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)以對重大疾病和蟲害的綠色預(yù)防和治理的需求為指導(dǎo)，全面應(yīng)用了互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)和設(shè)備。大數(shù)據(jù)集中和共享主要表現(xiàn)為，整合和升級現(xiàn)有的中國作物病蟲害監(jiān)測信息系統(tǒng)、國家重大作物病蟲害數(shù)字監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)、國家農(nóng)業(yè)植物檢疫信息管理系統(tǒng)等多個系統(tǒng)，促進(jìn)技術(shù)集成、業(yè)務(wù)集成和數(shù)據(jù)集成。國家以協(xié)調(diào)的方式使用并以統(tǒng)一的方式連接共享平臺，構(gòu)建國家植物保護(hù)信息資源共享系統(tǒng)，形成一個網(wǎng)絡(luò)空間。該網(wǎng)絡(luò)空間將一切人機(jī)交互以及植物保護(hù)領(lǐng)域融合在一起，實現(xiàn)跨級別、跨區(qū)域、跨系統(tǒng)、跨部門和跨業(yè)務(wù)的協(xié)作管理和服務(wù)。通過建立和完善大數(shù)據(jù)輔助科學(xué)決策機(jī)制，充分利用大數(shù)據(jù)平臺，綜合分析各種因素，改善植物病蟲害的感知、預(yù)測、預(yù)防和控制，促進(jìn)發(fā)展數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能工廠。

3.2 建立農(nóng)業(yè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)體系

目前我國農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程還不完善，數(shù)據(jù)儲存和分析的結(jié)構(gòu)不夠合理，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)市場的快速發(fā)展。因此，必須建立和完善農(nóng)業(yè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，改善數(shù)據(jù)收集技術(shù)的形式、內(nèi)容和時間，規(guī)范數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?、方法、?shù)據(jù)存儲的形式，還需要建立物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、移動終端軟件等基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備。應(yīng)建立數(shù)據(jù)指標(biāo)、樣本標(biāo)準(zhǔn)等標(biāo)準(zhǔn)體系，構(gòu)建用于開發(fā)和利用農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。加強對病蟲害發(fā)生規(guī)律的研究，明確病蟲害發(fā)生和傳染的主要因素，建立生物學(xué)模型與統(tǒng)計模型、短期預(yù)警模型、中長期模型相結(jié)合的主要蟲害預(yù)測系統(tǒng)模型。

3.3 建立健全促進(jìn)和保障機(jī)制

建立健全智能農(nóng)業(yè)建設(shè)促進(jìn)和保障機(jī)制，進(jìn)一步加強與有關(guān)部門、高校以及科研院所的聯(lián)系與合作。協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)信息、平臺等各個行業(yè)的資源，共同組成農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的力量，大力推動智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)進(jìn)程。應(yīng)將智能網(wǎng)絡(luò)的運營成本納入預(yù)算，提供年度項目運營資金，以確保項目的正常運行，并指派專業(yè)人員維護(hù)設(shè)備，及時解決問題，以確保智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、器材正常運行。

3.4 農(nóng)業(yè)有害生物預(yù)警信息平臺使用日?；痛蟊娀?/h3>

隨著智能手機(jī)的迅速普及和G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，技術(shù)人員需要配備更加專業(yè)和智能的設(shè)備，以便在基層監(jiān)測過程中便于攜帶。特別是隨著5G時代的到來，基層數(shù)據(jù)檢測工作正在進(jìn)行，通過使用智能設(shè)備有效拍攝照片并收集有關(guān)農(nóng)作物病蟲害的數(shù)據(jù)，可以有效提高技術(shù)人員的工作效率，大大降低了工作的難度和強度。還要做好用戶量和需求持續(xù)增加的應(yīng)對準(zhǔn)備，實現(xiàn)預(yù)報信息的大眾化，使人們能夠及時、準(zhǔn)確地接收到信息，從而改善廣大農(nóng)戶對農(nóng)作物病蟲害的預(yù)防和控制能力。通常情況下，在田間現(xiàn)場調(diào)查病蟲害，并使用病蟲害統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自動處理和自動傳輸數(shù)據(jù)。如果某些地區(qū)的病蟲害更為嚴(yán)重，則可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄＜业闹悄茉O(shè)備終端，讓專家能夠遠(yuǎn)程辦公，共同商討，制定出具有針對性的病蟲害解決對策。

4 結(jié)語

在農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測與預(yù)警中充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，是進(jìn)一步提升作物病蟲害監(jiān)測與預(yù)警的重要手段。農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)要緊跟現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展步伐，不斷吸收和利用新技術(shù)，及時開發(fā)和升級系統(tǒng)功能，加強對病蟲害監(jiān)測和預(yù)警的基礎(chǔ)研究；對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究科學(xué)實用的預(yù)警模型，重視對重大病蟲害實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)，加強有害生物預(yù)測大數(shù)據(jù)建設(shè)，促進(jìn)全國有害生物監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣候數(shù)據(jù)共享；促進(jìn)建立病蟲害預(yù)測物聯(lián)網(wǎng)，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)接口，連接到病蟲害智能自動監(jiān)測設(shè)備領(lǐng)域，提高病蟲害數(shù)據(jù)收集的自動化和智能化水平。這樣才能改善我國農(nóng)業(yè)病蟲害的預(yù)防和控制機(jī)制，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，增加農(nóng)民的收益，實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)代化、智能化和自動化。