自動化信息技術在農業生產領域中的應用

烏晨虎 郭佳妍 牛薌潔

（北京農學院，北京 100096）

自動化信息技術在我國經濟與社會發展中得到了廣泛應用，信息水平已成為衡量一個區域現代化水平的重要指標。推動自動化信息技術在現代農業生產領域中的運用，促使農業走向精細化管理，有助于農業實現更高的經濟效益。傳統的農業生產模式以農民為主體，農民進行手工勞動以及利用牲畜耕作進行農產品產出。然而，隨著我國人口的大量增加，人們對糧食的需求量日益增加。傳統的農業生產模式不能滿足人們對糧食產量的需求。自動化信息技術的出現與發展，為農業生產模式創新提供了關鍵思路。農業工程與自動化信息技術的結合，可使設備通過自動控制技術、運用大量算法，幫助農民進行農業生產活動。自動控制設備有著人類所沒有的優點[1]，運用自動控制設備可以使生產效率始終保持在同一水準。應用自動控制設備，可以減少人力勞動成本，提高生產效率，促進農業經濟高質量發展。現總結一些農業生產領域應用的自動化信息技術，以期為自動化信息技術的發展提供參考。

1 地理信息系統

任何農業工程的實施都與地區地質環境存在密切的關系。地理信息系統結合地域信息將空間范圍內的情況進行前期收集再集中到計算機中進行存儲，依托大數據分析系統對收集信息進行分析和管理，并實現分類，形成數字化的地理信息。這項技術需將計算機、地理、信息數據、管理學、測繪學等學科進行融合，從而真實地反映一個地區的地理信息。依托地理信息系統，可以對土地進行分析，實現精細化作業，也可以收集土地種植管理、土壤情況、自然環境因素、病蟲害等信息并匯總到計算機中，實現動態化管理[2]。通過地理信息系統，還可以收集各類農業資源信息，通過其實時定位來收集影像資料，結合氣候圖和各類環境數據構建完善的數據庫，將地圖和資源情況進行詳細的匹配，為后續農業自動化進行服務。通過地理信息系統，收集土地資源使用情況，便于正確掌握土地形態和所屬種類，便于國土部門開展土地規劃利用。

2 衛星遙感系統

衛星遙感系統通過電磁波進行物體的準確識別，也可以通過電磁波反映環境情況。其通過遙感設備發射和接收信號，用于現實物體的識別過程，可以進行遠距離精細化作業。遙感技術目前大多用于農作物種植過程的監督，人們借助遙感技術可以清晰地識別農作物生長情況，并預測當年或季度產量。通過遙感技術，人們可以對土壤情況進行動態化分析，這對自然災害的預防有重大作用。針對不利于人工管理的種植區域，遙感技術可以實現大面積管理，也可以在短期過程中實現全天候觀察，精準度也較高，能夠動態反映作物生長情況以及土壤成分變化情況等，并通過計算機實現數據傳輸，便于種植戶及時預知風險[3]，及早采取預防措施，避免較大損失。工作流程如圖1所示。

在我國農業發展中運用時間較長的是GPS，其主要由衛星和地面信號接收系統等多個部分組成。在精細農業管理中，通過GPS可以有效監控農業作業者的區域位置。在農業生產上應用GPS，可以輔助其信息化系統進行工作，從而使作業過程更準確，實現現代精細化農業管理要求。

3 虛擬儀器技術

在科學和技術領域開發的新儀器和設備被稱為虛擬儀器。虛擬儀器技術產生于20世紀90年代，其將多個技術進行綜合運用，通過計算機系統將儀器儀表技術和傳感器技術等融為一體，依托計算機系統提供的軟件來實現現實生產過程的模擬。通過虛擬儀器技術，可以實現動態化跟蹤，將收集的信息最終匯總到計算機進行存儲，便于隨時使用。虛擬儀器技術將虛擬技術與智能化管理充分結合，產生新的資源應用效應。在播種過程中運用虛擬儀器技術，可以自動監測試驗過程，獲取各項生產數據，如種植間距、顆粒數量、播種精度等，并可使生產畫面可視。針對種子成長的虛擬系統可以更加直觀反映種子生長需要的條件，模擬種植生長過程。種子成長虛擬系統的出現突破了環境對農作物的制約，農戶可以根據不同區域的環境來設置參數，進行反復驗證，從而輔助農業生產過程。其工作過程如圖2所示。

從技術構成來看，虛擬儀器技術是在計算機技術和儀器技術的基礎上，融合傳感器技術而產生的一種新技術。虛擬儀器技術也可以說是新時代背景下計算機技術和儀器技術的一次創新。從實際應用角度來看，這類技術的硬件平臺主要由計算機組成，充分發揮了計算機的特定智能功能，如操作、存儲和回放。為了保證傳統儀器的正常使用，軟件發揮控制作用，使傳統儀器與計算機緊密結合，形成一個外部條件與傳統機器相同而內部功能獨特的儀器設備系統。

4 機器視覺技術及圖像處理技術

所謂圖像處理技術就是賦予計算機人類視覺功能，即讓計算機理解和感知客觀事物所處的三維環境。圖像處理技術的發展時間并不短，它可以追溯到20世紀50年代。通過不斷創新和應用，這類技術已在現階段應用于不同行業，常見的有工業機器人內部視覺系統、智能交通系統的電子眼和CT技術。

從農業發展角度來看，成像技術最早應用于農業是在20世紀70年代。當時，這項技術主要用于水果和蔬菜行業。進入新時代后，在計算機技術、電子技術和人工智能技術的共同作用下，成像技術進入了快速發展階段，在技術實踐和理論上都取得了新的突破。關于成像技術在農業生產中的應用，現階段可大致概括如下。一是農業機器人。農業機器人是信息技術的自動化產品，現階段廣泛應用于我國農業生產中。機器視覺技術的作用是收獲具有正常視覺功能的機器人[4]。例如，日本北海道大學的農業機械利用地磁定向傳感器和圖像傳感器，可以實現田間自動收獲和運輸。二是農產品收割與分揀包裝。圖像處理技術的出現為自動化機器提供了光學和定位基礎。整合遷移組織后，自動收割機可自行執行大規模收割作業。隨著數字技術和信息技術的發展，現階段圖像處理技術已應用于農產品的收獲、加工、智能識別、分類等環節。三是農作物生長狀態監控。機器視覺技術可以應用于作物管理。人們借助機器視覺技術，可以收集和分析溫室或溫室中的植物圖像，結合不同時期的植物圖像識別封閉系統的內部環境，并提出環境溫度控制策略。與以往僅控制溫度變化相比，這種基于工廠控制的溫度控制更加合理。

5 專家系統

專家系統主要是通過獲取農業工程師的知識，以一定的知識表達形式進行處理，然后轉移到知識庫中備用。在實際生產過程中，可以在知識庫中調動知識，并通過人機交互解決問題。專家系統中的知識庫是領域知識的存儲介質。與其他組件相比，它具有一定的獨立性，也是整個系統解決問題的核心。論證機制的重要性在于控制整個專家系統，實現問題解決控制。在實際應用過程中，主要是解決用戶“為什么”等問題。人機界面實際上是一個用戶界面，主要用于輸出檢測結果等信息內容。在國內外農業生產中，專家系統越來越受到重視，是農業自動化信息技術應用熱點之一。

農業專家系統是將農業生產中常見的理論和實踐知識在計算機中進行存儲，使用者只需要借助數據進行查閱。一般通過搜索關鍵詞來進行查找，可以找到很多關于類似問題的互動信息。但是，這個系統的形成需要大量數據參與，前期基本會出現很多的重復性工作，而中期階段需要農業專家收集信息并進行梳理和問題解答，從而構建農業專家系統。不同的種植者都可以通過計算機進行訪問，并了解到相應的知識，從而實現農業生產科學化。

6 數據挖掘技術

農業不僅包括生產，還包括其他方面，過程比較復雜。在現代化農業中，人們可以借助信息化系統、智能化系統來獲得生產數據。在這些信息收集之后，對各類信息進行分析和整合，并將其劃分到不同類別中，實現數據整合和智能化入庫，并構建深挖途徑，是當前數據分析領域中的研究重點。這項技術涉及諸多學科，其中，計算機學科是基礎，同時結合統計學、數據學以及人工智能。在獲取數據的階段，可以采用收集模式，對數據實現存儲和加工，但是這樣獲取的數據僅僅是一部分，無法找出數據中的深層聯系。深層次的信息對現實決策有重大意義。農業信息系統的構建，各地區農業數據的迅速增長，促使人工獲取信息的難度增加，對其分析也變得更加困難。因此，需要對數據進行整合和分析，并發現內在聯系。在日常生產數據監控中，人們需要對各類數據進行維護，并實現動態化分析，結合其中特征進行系統整合，最終發現深層次的農業生產影響因素，從而對各項因素實現有效管理。因此，建立更加適合農業數據收集和查詢的渠道，對當前農業資源整合具有重要意義。

7 結語

基于當前我國農業情況，自動化信息技術是適合農業發展趨勢的，也是實現農業現代化的有效途徑之一，對保障國民經濟持續發展和社會穩定有重要作用。自動化信息技術為確保農業生產提供了很多便利條件，也讓農業有了新的發展方向，促使農業生產勞動力得到解放，也讓生產效率得以提升，為我國現代化發展作出了貢獻。