天津设施农业中病虫害预测预报专家系统应用分析

摘要:浅析了专家系统的概念、发展阶段以及基本结构,概述了国内外专家系统在植物保护领域的研究水平和应用现状,阐述了结合天津市设施农业发展情况开展病虫害预测预报专家系统研究应用的必要性,并对该技术成果的应用前景做出展望。

关键词:设施农业;病虫害;计算机;预测预报

中图分类号:S126 文献标识码:A DOI编码:10.3969/j.issn.1006-6500.2010.04.036

Analysis on the Application of Expert System for Diseases and Insect Pests Forecasting in Facility Agriculture in Tianjin

MA Xiang-you, SONG Zhi-wen, WANG Jian-chun, LV Xiong-jie

(Information Institure,Tianjin Academy of Agricultural Sciences,Tianjin 300192,China)

Abstract:Expert system"s concept, the development phase as well as the basic structure were analyzed in this article, the domestic and foreign research level and the application situation of expert system in the plant protection domain were outlined, the necessity to launch the expert system of diseases and insect pests forecasting was also elaborated based on the situation of Tianjin facility agricultural development, and the forecast to this technical achievement"s application prospect were made.

Key words: installation agriculture;disease;computer;forecasting and prediction

设施农业是一种先进的高技术含量的生产方式,能够给与农作物相对稳定的生长环境,进行优质高效生产。但是长期封闭的生产环境条件也为蔬菜病虫害的发生提供了适宜条件,病虫害种类增多,为害加重,影响农业生产的高效益。农业信息技术特别是植物保护专家系统经过多年的研究发展,已经为设施农业病虫害的预测预报提高准确度提供了可能。随着天津设施农业的深入发展,及早研究并推广应用数字化病虫预测预报技术,对于保证天津农业的高效优质和可持续发展具有非常重要的意义。

1专家系统概述

1.1专家系统概念

专家系统是一个智能计算机程序系统,能够利用人工智能技术和计算机技术处理大量来自某研究领域专家的知识和经验,根据提供的各种条件,通过模拟人类解决问题的方法,进行判断和推理,达到与专家同等的解决问题的能力,它能解释决策的过程和步骤,并有自主学习的功能,能自动增长所需的知识。简而言之,专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。目前,专家系统(Expert system)是人工智能应用研究最活跃和最广泛的课题之一。

1.2专家系统发展阶段

专家系统已经历了3个阶段,正向第四阶段发展。第一代专家系统专业化程度高、对专门问题的求解能力强。但在体系结构方面不够完整、可移植性差。第二代专家系统属单学科专业型、应用型系统,其体系结构和移植性方面有较大改善,而且在系统的知识获取技术、不确定推理技术、增强专家系统的知识表示和通用性等方面都有所改进。第三代专家系统属多学科综合型系统,采用多种人工智能语言,综合采用各种知识表示方法和多种推理机制及控制策略,并开始运用开发工具和环境来研制性能更强的综合系统。第四代专家系统开始采用大型多专家协作系统、多种知识表示、综合知识库、人工神经网络知识获取及学习机制等最新人工智能技术来实现更加强大的功能。

1.3专家系统基本结构

专家系统与传统的计算机程序系统体系结构完全不同,它由知识库、推理机、解释机制和人机接口等几个相关部分所组成。

知识库(Knowledge base)是存储专业领域知识的部分,是结构化、易操作、易利用、有组织的知识集群,其存放知识的方式由它的知识表示策略决定。知识库包含所有用“如果:〈前提〉,于是:〈结果〉”形式表达的知识规则。

推理机(Inference engine)是专家系统中实现基于知识推理的部件,是专家系统中实现推理和控制功能,进行求解问题不可缺少的重要组成部分。

专家系统中知识库、推理机、解释机制和人机接口等相关组成部分各司其职,在求解问题的过程中构成一个完整的流程,根据用户提供的前提条件给出最终的决策结论。

2专家系统在植物保护领域的应用现状

作物病虫害预测长期以来由于数据处理能力的限制,采用的大多是经验型分析和较为简单的数理统计方法, 其结果误差也是显而易见的。20世纪70—80年代以后,随着科学技术的快速发展,各种最新成果开始在植保领域发挥越来越大的作用。如周期分析、时间序列分析、光谱分析等用于病虫害预测,用数学模型来显示、描述病虫发生流行规律。

植保领域中应用专家系统始于20世纪70年代末期的美国,随后在世界各地得到较大发展,美国、日本、澳大利亚、法国、德国、荷兰、意大利等都花了大量的人力和财力从事信息技术在农业生产病虫害预测的应用研究。从美国伊利诺斯大学开发大豆病虫害诊断系统PLANT/ds以及用于向棉花种植者推荐棉田管理和病虫害防治措施较为成功的一个农业专家系统Comax/gos—sym,日本千叶大学研制的番茄病虫害诊断专家系统MTCC,瑞士开发出谷物病害预测预报系统EPRPRE,到德国病虫害预测预报计算机决策系统PRO-PLANT,在农业生产病虫害的预测预报和诊断防治方面,研究应用农业专家系统取得了良好的实际效果。

20世纪80年代以后,随着信息技术的不断进步以及在植物保护研究领域的不断深入,中国也已开始计算机预报研究,经过近年来各地科技人员的努力,探索出多种利用计算机技术进行不同层面测报和诊断的理论和方法,建立了一些软件和系统。例如,浙江省农科院植物保护研究所、计算技术研究所等单位于1984年到1986年采用计算机进行稻瘟病和麦类赤霉病预测预报这项技术,对浙江17个县29.3万hm2晚稻稻瘟病和12万hm2麦类赤霉病的发生情况进行了预测预报,准确率分别达80%和75%。中国气象局新技术推广项目小麦条锈病日传染率预报模型以及其他项目水稻稻瘟病和螟虫危害预报模型等已在小范围内应用。罗菊花的基于GIS的农作物病虫害预警系统,使用国产SuperMap IS.NET的GIS软件作为开发平台,以C++语言作为编程语言,建立农作物病虫害预警系统,用甘肃省庆阳地区西峰区2002年的小麦条锈病相关数据,来展示该预警系统中病害预测功能的实现过程,并获得了与实际报道相吻合的预警结果。随后,贾启勇的基于Web GIS的病虫害预测预报预警平台系统,孟志军的农作物病虫害防治管理信息系统,温亮宝基于网络的森林病虫害诊断咨询专家系统,杜雅刚的基于模糊技术的大豆病虫害诊断专家系统,惠学英等的农作物病虫害诊断专家系统,高灵旺的农作物病虫测报信息管理与预测系统都取得了一系列不错的成果;另外,“北京市蔬菜病虫害远程诊治专家系统”是一个针对北京地区蔬菜常见病虫害进行远程辅助诊治和信息查询、管理的网络型专家系统,ES能够为各类用户提供有关蔬菜病虫害诊治的远程服务,令人关注;国家863计划中的智能农业专家系统平台在全国18个省市示范区的推广应用,涉及水稻、小麦、棉花、大豆、水果、蔬菜等大多数农作物,大多包含各类作物植物保护的病虫害诊断和防治方面的内容,在实际应用中产生很大的经济效益。

综观上述各种作物病虫害预测和防治方面的信息系统,大多都是针对露地蔬菜或者大田作物病虫害而研制,涉及设施农业病虫害方面的基于计算机技术的预测预报尚未见报导,这一领域的研究尚急需引起相关单位和科研工作者的密切关注。

3天津市设施农业应用病虫害预测预报专家系统的必要性

设施农业是借助温室及其配套装置来调节和控制作物生产环境条件的新型农业生产方式,是一种高产、高效、优质和技术密集型的农业。2007年8月7日,天津市委市政府下发了《关于推进城乡一体化发展战略,进一步加快社会主义新农村建设的实施意见》,提出到2010年天津市设施农业面积发展到6.67万hm2的战略目标,并出台了一系列补贴政策,设施农业在天津进入了快速发展期。

无容置疑,设施农业采用比较先进、系统的人工设施.改进农作物生长环境,进行优质高效生产,是一种高投入、高产出、知识与技术密集的集约型产业。但是,同样不容忽视的是,设施农业的发展也为蔬菜病虫害的发生提供了有利条件。有害生物周年存活,病害的发生和流行相对频繁,并成为露地蔬菜和大田作物的外来侵染源,导致病虫害种类增多,为害加重。病虫为害已成为制约设施农业可持续发展的重要因子。

设施农业生产大多属于反季节栽培,病虫害的发生受环境条件等因素影响较大,每个品种病虫害发生的特点、危害程度及防治方法又不尽相同,因此,菜农对复杂多变的病虫害难以做到合理、有效的防治。在蔬菜作物病虫害防治过程中,如果防治不及时、防治措施不当,会导致产量损失和生态环境污染严重,因此,在生产中采取先进的技术手段进行病虫害的预警和诊断,帮助菜农对生产中出现的病虫害尽早做出正确有效预警,防范于未然,对发生的病虫害做出科学准确度的诊断和防治,成为农业科研工作者面临的重要而紧迫的研究课题。

目前急需通过综合运用人工智能技术、多媒体技术、网络技术等现代高科技手段,结合天津市设施农业小气候特点和蔬菜作物优势布局特点,充分收集相关病虫害资料,研制适合功能丰富、使用便捷的蔬菜病虫害预警与诊断数字平台统,为天津市农业生产中的病虫害防治提供科学合理决策依据,为天津市生产出高产优质农产品提供进一步技术支撑。

4设施农业病虫害预测预报技术在天津的应用前景

目前,天津设施农业所占比重逐年增加,津郊已初步形成了一批设施农业产业聚集区,如蓟县津蓟高速(蓟县段)两侧设施蔬菜生产聚集区;武清北部河西务、下伍旗、大良、河北屯设施蔬菜生产聚集区;静海沿运河两侧设施蔬菜生产聚集区;宁河蓟运河东岳龙、丰台、板桥、苗庄四镇设施蔬菜生产聚集区等。一些聚集区打破区县界域,如西青辛口镇和静海北部独流、台头、良王庄等乡镇的设施聚集区连成一片。但是从另一个角度讲,设施农业的规模越大,发生病虫害造成巨大损失的危险也越大。因此,通过现代高新技术,针对设施农业生产的具体特点,研制应用病虫害预测预报数字化平台,不断地收集各种作物的生产信息,结合历年的气象数据,建立与之相对应的预测预报模型,科学准确地对病虫害的发生走向做出判断,从而有效地防止大规模的发生流行,降低对农业生产危害和影响的作用显而易见,对促进天津农业持续、稳定和协调发展具有重要意义。

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