農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息技術(shù)鏈研究與設(shè)想

1、農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息技術(shù)鏈研究與設(shè)想病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警是農(nóng)作物保護(hù)的基礎(chǔ)性工作，長(zhǎng)期以來，積累了大量病蟲害的資料，這些監(jiān)測(cè)資料用于病蟲害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和防治指導(dǎo)，發(fā)揮了重要的作用。但是，在信息化迅速發(fā)展的今天，各級(jí)病蟲測(cè)報(bào)部門基本上仍采用傳統(tǒng)的工作模式，對(duì)信息技術(shù)手段應(yīng)用較少，因而存在工作量大、工作效率低、監(jiān)測(cè)預(yù)警信息的時(shí)效性差等問題。迅速發(fā)展的信息技術(shù)能夠?yàn)椴∠x害監(jiān)測(cè)預(yù)警工作提供完善的技術(shù)支持。但到目前為止，應(yīng)用示范的范圍較小，采用的技術(shù)也只是某一個(gè)單獨(dú)的技術(shù)，尚無成熟的滿足病蟲害監(jiān)測(cè)各環(huán)節(jié)技術(shù)配套的應(yīng)用案例。本項(xiàng)目針對(duì)目前病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警現(xiàn)狀，提出了研究開發(fā)多傳感器信息融合的病蟲害監(jiān)測(cè)及預(yù)警智能裝

2、置，通過自動(dòng)采集裝置采集圖像、光譜、氣體揮發(fā)物、溫度等作物小氣候信息，采用小波分析、主成分分析預(yù)處理數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)方法進(jìn)行特征信息融合，采用D-S證據(jù)理論、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行決策層信息融合，實(shí)現(xiàn)病蟲害的智能檢測(cè)及預(yù)警。以此開發(fā)的智能監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、預(yù)處理、存儲(chǔ)、自動(dòng)值守控制和無線、有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，?shí)現(xiàn)病蟲害自動(dòng)監(jiān)測(cè)的全天候和無人值守。使用簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)費(fèi)用低，適合于農(nóng)村大田使用，具有廣闊的推廣價(jià)值。為此，筆者在總結(jié)病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警工作相關(guān)信息技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，就病蟲測(cè)報(bào)部門開展信息技術(shù)應(yīng)用的總體技術(shù)框架進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)具體實(shí)施提出建議。一、病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警各環(huán)節(jié)所涉

3、及技術(shù)進(jìn)展的研究病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息鏈各環(huán)節(jié)中涉及到傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、全球定位技術(shù)（GPS下稱）、地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS,下稱）等。這些技術(shù)單獨(dú)或部分集成應(yīng)用的研究在國(guó)內(nèi)、外均有報(bào)道。我國(guó)對(duì)其應(yīng)用、研究如下。1、數(shù)據(jù)采集獲取技術(shù)傳統(tǒng)的病蟲害監(jiān)測(cè)主要是根據(jù)農(nóng)業(yè)部發(fā)布的病蟲害監(jiān)測(cè)調(diào)查規(guī)范進(jìn)行調(diào)查通過人工調(diào)查、人工記錄，以檔案形式保存數(shù)據(jù)一些數(shù)據(jù)還需通過計(jì)算得到。在一些具備數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的部門，數(shù)據(jù)需要人工輸入計(jì)算機(jī)，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中；從數(shù)據(jù)的調(diào)查到記錄、計(jì)算、再到錄入計(jì)算機(jī)，環(huán)節(jié)較多，監(jiān)測(cè)人員的工作量大，容易造成人為錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)應(yīng)用的時(shí)效性差。對(duì)于一

4、些個(gè)體較小的昆蟲（如麥蚜等）來說，由于蟲體較小，長(zhǎng)時(shí)間的人為眼睛觀察不僅勞動(dòng)量很大，效率極低，而且計(jì)數(shù)存在很大誤差，各個(gè)調(diào)查者之間的調(diào)查結(jié)果可比性差。針對(duì)這些問題。一些相應(yīng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)已見報(bào)道。如微小昆蟲自動(dòng)計(jì)數(shù)技術(shù)、昆蟲誘捕自動(dòng)記錄裝置和PDA+GP斂據(jù)采集記錄技術(shù)。微小昆蟲自動(dòng)計(jì)數(shù)技術(shù)，主要是利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)解決田間麥蚜、溫室蚜蟲、白粉虱等微小昆蟲調(diào)查困難，數(shù)據(jù)難于獲取等問題。只需通過適當(dāng)方式獲取害蟲圖片進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)即可完成數(shù)據(jù)調(diào)查工作。昆蟲誘捕自動(dòng)記錄裝置是利用性誘劑對(duì)昆蟲的引誘作用，對(duì)通過掃描光柵的昆蟲數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了小菜蛾、桃小食心蟲等昆蟲的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。PDA+GP散據(jù)采集記錄

5、技術(shù)主要用于常規(guī)病蟲害的人工調(diào)查，記錄數(shù)據(jù)的同時(shí)記錄GPS定位信息，為GIS提供定位數(shù)據(jù)。上述技術(shù)可減少調(diào)查、記錄數(shù)據(jù)的中間環(huán)節(jié)，避免數(shù)據(jù)錄入電腦過程中的人為錯(cuò)誤。根據(jù)調(diào)查的原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算出一些必需的數(shù)據(jù)參量，減輕工作人員的工作量，并通過數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸提高數(shù)據(jù)的時(shí)效性。病蟲害測(cè)報(bào)不僅需要病蟲害發(fā)生動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還需要相應(yīng)的環(huán)境因子數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的環(huán)境因子數(shù)據(jù)主要來源于氣象部門，而與病蟲害發(fā)生動(dòng)態(tài)密切相關(guān)的環(huán)境岡子主要是田間小氣候數(shù)據(jù)。田問小氣候數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)技術(shù)已相對(duì)成熟，主要是利用傳感器技術(shù)和GPRSi用分組無線服務(wù)）網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)自動(dòng)獲取病蟲害監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的實(shí)時(shí)小氣候數(shù)據(jù)，并將其上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)中備用。近年

6、來全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心的測(cè)報(bào)部門建立了中國(guó)農(nóng)作物有害生物監(jiān)控信息系統(tǒng)和北京市農(nóng)作物重大病蟲害遠(yuǎn)程預(yù)警信息系統(tǒng)，也都提供了田間病蟲害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)卜傳的用戶接口。數(shù)據(jù)管理主要是利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)病蟲害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，通過后臺(tái)管理界面可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、刪除、修改，以及原始數(shù)據(jù)的歸納計(jì)算，地區(qū)、氣象、小氣候區(qū)域統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)管理等操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的維護(hù)功能。中國(guó)農(nóng)作物有害生物監(jiān)控信息系統(tǒng)和北京市農(nóng)作物重大病蟲害遠(yuǎn)程預(yù)警信息系統(tǒng)嘲都具備較為完善的數(shù)據(jù)管理機(jī)制。其他一些關(guān)于病蟲害測(cè)報(bào)方面的研究也大都涉及數(shù)據(jù)管理技術(shù)。3、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的相關(guān)研究報(bào)道較多，大體上可以分為以下兩類：一類是以網(wǎng)絡(luò)

7、地理信息系統(tǒng)(WebGIS下稱)為底層框架，通過Ja-va語言將病蟲害數(shù)據(jù)庫(kù)、氣象數(shù)據(jù)庫(kù)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型數(shù)據(jù)庫(kù)有機(jī)結(jié)合，將數(shù)字結(jié)論轉(zhuǎn)化為直觀易懂的電子地圖，通過地理信息系統(tǒng)顯示出來，有效、方便地為農(nóng)業(yè)病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供服務(wù)。類似的研究包括基于WebGIS的病蟲數(shù)據(jù)庫(kù)及自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)(WPDAWS)基于GIS的全國(guó)主要糧食作物病蟲害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、農(nóng)作物病蟲害防治決策支持系統(tǒng)和蘋果病蟲害管理信息系統(tǒng)等。這些研究主要是利用GIS結(jié)合模型技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等進(jìn)行病蟲害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。另一類是近幾年來國(guó)內(nèi)外都有很大發(fā)展的病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)專家系統(tǒng)，涉及的對(duì)象主要包括糧食作物、棉花、果樹、草原病蟲害等。其中以

8、糧食作物居多。高靈旺等(2006)開發(fā)了農(nóng)業(yè)病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)專家系統(tǒng)平臺(tái)，以數(shù)據(jù)庫(kù)形式來存放有關(guān)的專家知識(shí)，結(jié)合專家知識(shí)與案例進(jìn)行推理，具有專家知識(shí)庫(kù)的維護(hù)、用戶數(shù)據(jù)輸入、推理確認(rèn)、病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果顯示、案例庫(kù)管理(包括案例確認(rèn)、補(bǔ)充信息及案例統(tǒng)計(jì))及預(yù)測(cè)結(jié)果解釋等功能。系統(tǒng)具有開放、自學(xué)習(xí)、易操作等特性?？蓮V泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)等病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)專家系統(tǒng)的構(gòu)建。這兩類預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)也有一些交叉的實(shí)際例證。如劉明輝等(2009)開發(fā)了基于WebGIS的具有瀏覽器/服務(wù)器(B/S,下稱)3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的農(nóng)業(yè)病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)專家系統(tǒng)。4、預(yù)報(bào)信息發(fā)布技術(shù)隨著信息技術(shù)的發(fā)展，病蟲害預(yù)報(bào)發(fā)布技術(shù)也已經(jīng)發(fā)生了很大

9、的變化，一些植保部門利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)紙質(zhì)文檔進(jìn)行預(yù)報(bào)發(fā)布。如采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合WebGIS發(fā)布預(yù)報(bào)信息，具有直觀、易理解等特點(diǎn)。但到目前為止，由于網(wǎng)絡(luò)還不能覆蓋廣大的農(nóng)村地區(qū)，使得基于網(wǎng)絡(luò)的預(yù)報(bào)信息發(fā)布的用戶范圍極其有限。為解決這一問題，全國(guó)農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控中心構(gòu)建了病蟲害電視預(yù)報(bào)視頻素材管理系統(tǒng)，對(duì)主要病蟲害的視頻素材采集技術(shù)、預(yù)報(bào)節(jié)目制作加工技術(shù)和送播技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究構(gòu)建了病蟲害電視預(yù)報(bào)技術(shù)體系，在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行推廣，大大提高了病蟲害預(yù)報(bào)信息發(fā)布的時(shí)效性與覆蓋面。二、關(guān)于病蟲害測(cè)報(bào)部門信息技術(shù)應(yīng)用的一些建議病蟲測(cè)報(bào)信息鏈各環(huán)節(jié)的研究不是十分均衡。其中以數(shù)據(jù)管理和電視預(yù)報(bào)技術(shù)較為成熟，應(yīng)

10、用也最多：數(shù)據(jù)傳輸利用網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)即可滿足需求。相對(duì)而言。病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的研究較多，但實(shí)際應(yīng)用較少；數(shù)據(jù)采集獲?。ㄌ貏e是病蟲害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲?。┘夹g(shù)研究較少，實(shí)際應(yīng)用也較少。另外，大多數(shù)研究只涉及整個(gè)信息鏈中部分環(huán)節(jié)，且多數(shù)針對(duì)1種作物或1種病蟲害，因此推廣應(yīng)用范圍有較大的局限性。從技術(shù)應(yīng)用的區(qū)域范圍來看，全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心及一些經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用技術(shù)的種類較多，規(guī)模較大，但大多數(shù)地區(qū)還未涉及這些技術(shù)的應(yīng)用?？傮w上病蟲害測(cè)報(bào)體系中信息技術(shù)的應(yīng)用水平還較低。目前，國(guó)家植保工程項(xiàng)目正進(jìn)入第3期的準(zhǔn)備階段。如果能結(jié)合植保工程項(xiàng)目的開展，將病蟲害測(cè)報(bào)信息鏈中的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行推廣應(yīng)用，將極大地提升病蟲

11、害測(cè)報(bào)部門的技術(shù)水平和工作效率。根據(jù)上述研究，推廣應(yīng)用可以分為幾個(gè)階段進(jìn)行。首先是現(xiàn)有技術(shù)的組裝配套應(yīng)用，其次是在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步摸清病蟲害發(fā)生為害規(guī)律，提高預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，更好地為我國(guó)糧食安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。1、現(xiàn)有技術(shù)的組裝配套如前所述，目前信息技術(shù)在病蟲害測(cè)報(bào)工作中的應(yīng)用大多只涉及整個(gè)測(cè)報(bào)信息鏈中的部分環(huán)節(jié)，而且多數(shù)技術(shù)針對(duì)的也只是1種作物或1種病蟲害，因此，需要根據(jù)測(cè)報(bào)信息鏈這條主線將各種技術(shù)進(jìn)行改造，開發(fā)出更多普適性的技術(shù)。如將數(shù)據(jù)采集獲取技術(shù)作為系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)、可靠的病蟲害及小氣候監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將基于WebGIS的具

12、有BS3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的農(nóng)業(yè)病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)專家系統(tǒng)與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及預(yù)報(bào)信息發(fā)布的相關(guān)功能進(jìn)行集成，以數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的病蟲害及環(huán)境因子等數(shù)據(jù)作為專家系統(tǒng)預(yù)測(cè)的輸入項(xiàng)，驅(qū)動(dòng)專家系統(tǒng)的推理機(jī)，進(jìn)行病蟲害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并通過預(yù)報(bào)信息發(fā)布系統(tǒng)發(fā)布測(cè)報(bào)信息，指導(dǎo)植保工作。圖1所示為按照該思路將各環(huán)節(jié)技術(shù)組裝配套的整體框架。在這個(gè)框架中還可以進(jìn)一步豐富各環(huán)節(jié)的方法和手段，如模型預(yù)測(cè)技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)技術(shù)等。另外還需要根據(jù)不同層次的病蟲害測(cè)報(bào)部門自己工作的實(shí)際需要進(jìn)行一些框架內(nèi)容的修改、補(bǔ)充與完善，形成適合不同層次病蟲害測(cè)報(bào)部門應(yīng)用的技術(shù)體系。2、各環(huán)節(jié)新技術(shù)的進(jìn)一步研究在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上。未來應(yīng)進(jìn)一步在以下幾

13、個(gè)方面進(jìn)行深入研究，完善病蟲害測(cè)報(bào)工作的技術(shù)體系。（1）加強(qiáng)信息鏈薄弱環(huán)節(jié)的技術(shù)研究。如加強(qiáng)數(shù)據(jù)獲取環(huán)節(jié)上技術(shù)的研發(fā)，提高數(shù)據(jù)獲取的自動(dòng)化程度。進(jìn)一步降低測(cè)報(bào)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。（2）對(duì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中積累的病蟲害及小氣候監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等手段建立相關(guān)病蟲害預(yù)測(cè)模型，將模型預(yù)測(cè)與專家系統(tǒng)預(yù)測(cè)結(jié)合起來，進(jìn)一步提高病蟲害預(yù)測(cè)的技術(shù)含量及預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。（3）進(jìn)行遙感技術(shù)的應(yīng)用研究。將遙感信息作為病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的信息源，并與GPSGIS技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行病蟲害分布空間特征的分析，掌握病蟲害發(fā)生為害的空間動(dòng)態(tài)與時(shí)間動(dòng)態(tài)。技術(shù)的進(jìn)步是無止境的，隨著信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將有更多的實(shí)用性技術(shù)應(yīng)用于病蟲害測(cè)報(bào)工作，更好地為其服務(wù)。三、討論信息技術(shù)在