数字农业的前景范文

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二、数字化设计技术应用于农业机械设计的前景

由于现今农业机械的设计水平相对落后，所以数字化设计技术必然在农业机械的设计过程中有更广阔的应用前景。比如，可以将虚拟技术运用于农业机械设计中、数字化设计技术与农业机械设计协同设计以及在农业机械的设计中注重增强创新意识，下面将对这些数字化设计技术在农业机械设计中的运用前景进行详述。

2.1将虚拟技术运用于农业机械设计中

虚拟技术是利用计算机技术来生成产品的三维图像设计，通过虚拟技术可以使设计人员更加清楚地了解产品的形状，另外虚拟技术可以对机械运动进行仿真模拟，即可以模拟所设计的产品的功能，这样就便于设计人员对产品进行改进，更大程度上保障了产品设计的可行性。通过虚拟技术还能够加快产品设计的速度，完善产品的质量。

2.2数字化设计技术与农业机械设计协同设计制造

在农业机械的制造过程中运用数字化设计技术能够最大程度提升产品的可靠性，降低产品设计过程中的成本费用和设计时间。利用这一技术能够使设计方案得到较快地更改，避免不够完善的计划造成生产成本浪费。

2.3农业机械数字化设计过程中更加注重创新设计

现今的农业机械种类和样式差异不大，没有较大的改良，所生产的农业机械不能完全满足农民的需要，而且作用较单一，如果能够对农业机械进行创新设计，那么将会使农业产品的种类更加完善，并且能够更大限度的提高农业生产率。数字化设计技术可以较快捷、可靠地帮助研发人员设计出不同的农业机械，这将是未来农业机械的设计的必然发展方向。

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其次，是对农业机械进行概念化的设计。事实上这种设计理念就是对于农业机械进行设计的早期阶段，要拥有一个非常清晰的设计思路以及产品设计模式。换句话说，设计师在进行产品设计的时候，就要对设计出来产品的具体需求做出一个总结。在进行产品功能、产品原理以及整体布局的设计的时候，进行必要的规划。要能够做到在产品的设计过程中融入这些构思，使得最后生产出来的产品更加具有实用性以及创新性。设计师可以在产品的设计过程中将需要用到的知识以及其他资源进行一个综合性的总结，然后把得到的结果充分融入到数字化模板中去。将CAD作为一款重要的开发工具，制作出关于产品的设计经验、设计原理以及设计手册，帮助农民们在实际的生产生活中充分地了解产品的性能，让他们对产品做出合理的使用。

最后，对产品进行虚拟设计。许多的产品在设计最初的时候都会存在许多不合理的地方，这些不足都不可能一次性的解决，那么，就需要对产品进行虚拟设计，要对产品所需要的知识以及资源进行总结，建立一个基础模型，利用所建立起来的虚拟模型，进一步地对产品进行分析，对产品进行不断地完善。最终在产品的功能上做到尽善尽美，设计出需要的产品。

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中图分类号TH16 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）92-0074-02

随着科技的进步和国家对高效农业的支持，我国的农业生产正在想着“数字化”、“精确化”发展。数字农业的快速发展，将大大地提高我国的农业生产力，将有效地实行精确化、远程化操作，这也会彻底地改变传统农业的生产模式，在不就的未来，我们面对的将是以信息化、智能化的农业机械装备来作业的生态。

我国的农业机械化的水平完全不能够适应建设和发展农业产业的具体要求。尤其是农业机械化的技术条件，技术运用能力和技术科研能力。这些都是制约农业发展的重要因素。随着信息化科技化的到来，我们面临着又是新一轮的机遇和挑战。农业产业结构的调整，经济发达地区开始重视和扶持农业生产，加大资金投入和农业机械化的普及。这都为我国农业机械化的发展增加了一把熊熊烈火。数字化技术在农业机械中的运用将极大的将农业机械推向另一个农业发展的新顶峰。下面笔者就来结合自己对数字化技术在农业机械中的应用理解来谈一下自己的看法，希望能起到抛砖引玉的效果。

1就当今农业机械设计的特点进行分析探讨

传统型的农业机械设计根深蒂固，如果不积极地应对当今的发展潮流，我国的农业机械只会停滞不前的。因此就要是时候抓住机会，迎接挑战积极发展。这样才能将农业发展提上日程，将农业产品优化，提高农业产品的质量，解放生产力，提高企业的效益。

1）农业机械产品结构单一，复杂程度小。一般的农业播种机都是由简单的轴轮，机件，传动系统，开沟器和镇压器等基本的零件组成。虽然不同性能的播种机有差别，但是基本的机器结构是大同小异的。这样就非常有利于数字模块化的设计。这种播种机器的结构也非常适用于数字参数的设计；

2）农业机械产品结构类型繁多。例如播种机的运用。在不同的农耕地中农作物的不同就不能之运用一台机器，而是需要根据不同作物的特点，设计出符合农作物播种的机器。通过这些特点，就发明出了很多类型的播种机。例如有精密的播种机，条播机和穴播机等特种机器。还有按工作原理而分类的播种机和按作业量而分类的播种机。就此看来，农业机械以播种机为例的机械种类还是相当多的；

3）农业机械产品受农产品成熟季节的不同，农业机械的试验也就会随着季节的变化而变得不同。这就需要在研究农业机械的同时，充分考虑农作物的季节性，调整科研时间，有效地降低科研成本。

2剖析农业机械中的数字化技术

1）数字化技术指的是用多媒体计算机技术及网络实现产品的科研和开发的一种新型信息化的技术。就是利用计算机和网络的有利环境，对产品进行设计，分析和研发。建立一个产品模型，通过对产品模型的不断分析检验，达到产品最终的最优化；

2）数字化技术在农业机械中的应用，极大地提高了农业机械的开发水平和科研时间，还降低了研究成本和研究所花费的时间等。运用数字化的技术，还能使我国农业机械产品设计更加现代化和自动化。在设计的同时，还可以增加企业间的技术交流和技术能力，取长补短，积极吸取先进的数字化技术知识，提高整体的数字化知识水平，增加企业竞争力，还增进同企业间的团结协作精神。

3数字化技术的具体应用

1）计算机作为数字化技术应用的重要工具，对数字化的阐述是很重要的。通过对计算机的操作，最大化的将数字技术运用起来。其中，CAD/CAPP/CAM/CAE分别是计算机的辅助设计，计算机辅助工艺设计，计算机辅助制造和计算机辅助工程的英文缩写。这些技术是现代计算机技术的核心。他们的不同作用为产品的设计和研发具有重要意义；

2）可以将产品设计过程需要的用的知识资源进行综合，融入到CAD中去。将计算机的辅助设计作为开发的重要工具。设计出产品知识中的设计原理，设计经验和设计手册。帮助了解产品的基本信息和合理运用；

3）虚拟设计和创造。通过对产品的初步设计，就可以开始综合知识和资源，建立基础模型。利用建立模型，分析研讨，仿真实验等虚拟技术对产品进行完善。在连接网络的前提下，可以和业内人士一起交流讨论。通过模型来评估产品的综合实用性。在产品的功能，性能上加以研究，达到产品的最优化。对产品的设计，加工，质检都能够进一步的调节和掌控；

4）概念化设计就是在设计产品的过程的早期阶段，有一个清晰地设计结构和产品的基本模式。也就是说，在产品设计的时候，要将产品的需求到运用进行一个总结化的分析。从产品的功能设计，产品的原理设计和布局设计等方面进行一个基础性的规划。在产品设计的过程中，将人的具体构思加入到产品的设计中去也是很重要的。比如对产品色彩的选择等人性化方面进行合理添加。把设计员的创造性思维和审美与产品设计相结合，是产品更具有创新性；

5）绿色环保设计。它是针对资源的优化和能源的节约，防止污染的一项新型的绿色环保设计。主要就是应对在研发产品的过程中，对于产品资源的优化，对于污染的防止和对于资源循环利用废物的处理等设计。因此在进行产品设计的同时，还是要以绿色环保为主，这样才符合可持续发展的战略。

总而言之，随着社会的进步，信息化的普及。我国对数字化技术也有了一定的了解和一定的发展。虽然对比其他产业领域，我国农业发展相对来说有些落后。但是有些发达地区早已经开始了数字化的农业机械设计，并且也取得了很大的成效。这就说明数字化技术在我国农业机械中还是具有很广阔的发展前景的。

参考文献

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关键词：数字农业；时空推理；专家系统

数字农业应用涉及大量的气象、环境、水文、地质、土壤等领域的时空数据。这些时空数据分散在异构系统中，有着不同的数据格式和规范，采用不同的概念和术语，基于不同的数学模型和分析推理方法。这些多领域时空信息对农业生产、决策均起着重要作用。但是以前由于缺乏高效、合理的技术手段，即使付出很高的代价，也很难将这些时空信息完整无损地共享和融合集成到数字农业应用中，在很大程度上制约了数字农业的应用发展。同时GIS等商业软件平台成本较高也不利于大规模应用推广。

为此，本文基于自主版权GIS、专家系统等系统软件，应用时空推理、本体论、语义Web、关系数据挖掘和专家系统等技术，建立一个数字农业时空信息智能管理平台，对多源、异构的数字农业时空数据和推理分析方法进行集中统一的规范化管理，便于在实际应用中进行融合、集成和共享。基于该平台快速建立起了数字化测土施肥系统、大豆种植标准化管理系统、无公害水果蔬菜栽培指导系统等一批智能应用系统。这些应用系统精确控制农田每一地块种子、化肥和农药的施用量，在提高作物产量的同时，能够实现精确控制农业生产过程，有效降低成本，充分保证农业资源科学地综合开发利用，减少和防止对环境和生态的污染破坏，保持农业生态环境的良性循环，是实现“绿色农业”的重要途径。

1主要关键技术研究现状

1．1数字农业

数字农业是在“数字地球”的基础上提出并发展的，是21世纪新型的农业模式和挑战性的国家目标，包括精准农业、虚拟农业等内容，其核心是精准农业。以3S技术应用为核心的数字农业空间信息管理平台开发研究是数字农业研究的突破口[1,2]。美国于20世纪80年代初提出数字农业的概念，它是针对农业生产稳定性差、技术措施差异程度大等情况，运用卫星全球定位系统控制位置，用计算机精确定量，把农业技术措施的差异从地块水平精确到平方厘米水平，从而极大地提高种子、化肥、农药等农业资源的利用率，提高农产量，减少环境污染。法国农业部植保总局建立了全国范围内的病虫测报计算机网络系统。日本农林水产省建立了水稻、大豆、大麦等多种作物品种、品系的数据库系统。新西兰农牧研究院利用信息技术向农场主提供土地肥力测定、动物接种免疫、草场建设、饲料质量分析等各种信息服务。同时，我国紧跟国际研究的前沿，开展了系统工程、数据库与信息管理系统、遥感、专家系统、决策支持系统、地理信息系统等技术在农业、资源、环境和灾害方面的应用研究。

1．2时空推理

近年来，时空推理（Spatio－temporalReasoning）已成为十分活跃的研究方向，在军事、航天、能源、交通、农业、环境等领域有着广泛的应用。近十年来我国国家基础地理信息中心、清华大学、信息大学、中国科学院、武汉测绘科技大学、武汉大学、吉林大学等单位在时态GIS、时空数据模型、时空拓扑、时空数据库等时空推理相关领域开展了大量研究工作。

1．3时空数据标准与共享

不同领域和应用环境对时空数据的理解存在很大差异，这造成了异构时空系统集成的困难，因此时空数据共享、互操作和标准化的研究具有重要意义。这方面研究最初从空间数据入手，近期开始向时间数据和时空结合数据发展。时空数据的共享有以下方式：

（1）空间数据交换

空间数据交换的基本思想是各系统使用自身的数据格式，通过标准格式进行数据交换。目前空间数据交换标准有：SDTS、DIGEST、RINEX等国际标准；以色列的IEF、英国的MOEPSTD、加拿大的SAIF、我国的CNSDTF等国家标准；AutoDesk的DXF、ESRI的E00、MapInfo的MIF等厂商标准。尽管各GIS软件厂商提供了公开的交换文件格式来进行空间数据的转换，但由于底层数据模型的不同，最终导致不同的GIS的空间数据不能无损的共享。虽然空间数据交换仍然在使用，但效果并不理想。空间数据互操作标准是当前国际公认的，比空间数据交换标准更有前途的数据标准。

（2）基于GML的空间数据互操作

开放式地理信息系统协会(OpenGISConsortium，OGC)提出了简单要素实现规范和地理标记语言(GeographyMarkupLanguage，GML)。OGC相继推出了一整套GIS互操作的抽象规范，包括地理几何要素、要素集、OGIS要素、要素之间的关系、空间参考系统、定位几何结构、存储函数和插值、覆盖类型及地球影像等17个抽象规范，2003年1月推出GML3.10版[3]。近年来，国内外众多学者基于GML在空间数据共享等方面开展了大量研究。2001年Rancourt等人[4]将GML与先前所定义的空间标准进行比较，认为GML能有效地满足空间数据交换标准。2002年，ZhangJianting等人[5]提出了一种基于GML的Internet地理信息搜索引擎。2003年，ZhangChuanrong等人[6]在网络环境下以GML作为异构空间数据库交换共享空间数据的格式，成功实现数据的互操作。2003年，崔希民等人[7]提出了GIS数据集成和互操作的系统架构，在数据层次上实现GIS数据的集成和互操作。2003年，张霞等人[8]提出一种基于GML构造WebGIS的框架结构,给出实现框架技术。其中采用GML作为空间数据集成格式。2004年，朱前飞等人[9]提出了一种新的基于GML的数据共享解决方案。2005年，陈传彬等人[10]提出了基于GML的多源异构空间数据集成框架。GML数据类型较完整，支持厂家较多，相关研究丰富，是目前最有前景的时空数据标准。本文选择GML作为农业时空数据标准。

1．4时空本体

1．4．1本体、语义Web和OWL

本体方法目前已经成为计算机科学中的一种重要方法，在语义Web、搜索引擎、知识处理平台、异构系统集成、电子商务、自然语言理解、知识工程等领域有着重要应用。尤其是目前随着对语义Web研究的深入，本体论方法受到了越来越多的关注，人们普遍认为它是建立语义Web的核心技术。OWL是当前最有发展前景的本体表示语言。2002年7月29日,W3C组织公布了本体描述语言(WebOntologyLanguage,OWL)的工作草案1.0版。目前工作草案的最新更新为2004年2月10日的版本[11]。

1．4．2时空本体

基于本体方法对时空建模的相关研究工作如下：

1998年，Roberto考虑了作为地理表示基础的某些本体问题，给出了关于一般空间表示理论的某些建议[12]。2000年ZhouQ.和FikesR.定义了一种考虑时间点和时段的时间本体[13]。2000年，Córcoles基于XML定义了一个类似SQL的时空查询语言，该语言包含八种空间算子和三种时态算子用于表达时空关系[14]。2003年，Grenon基于一阶谓词逻辑定义了时空本体，使用斯坦福大学的Protégé环境实现[15]。2003年，Bittner等人[16]提出了用于描述复杂时空过程和其中的持续实体的形式化本体。以上工作中Grenon的时空本体研究相对完整，相关研究成果已经在网上共享，本文在此基础上开展研究，建立农业时空本体。

2主要研究内容

（1）农业时空数据规范

现阶段我国还没有公认的农业时空数据标准出台。本文基于时空推理技术，研究通用性更强的时空数据表示模型，能表示气象、土壤、环境、水文、地质等各领域的农业时空数据。GML是目前公认的时空数据标准，利用上述模型扩充GML，兼容中国农业科学院的“农业资源空间信息元数据的分类及编码体系草案”等国内现有的地方性标准，构建针对数字农业中时空数据的DA－GML标准，作为数字农业基础时空数据的规范。现有的土壤、环境等基础空间数据库均支持到GML格式的转换。

（2）农业基础时空数据库

基于笔者自主开发的GIS平台建立农业基础时空数据库，该平台具有运行稳定、资源占用少、结构灵活、功能可裁减、成本较低、便于移植等特点。采用了时空推理技术，支持对空间和时空信息的表示和推理。通过DA－GML能够直接从现有系统中获取领域农业基础时空数据，主要包括土壤数据库、环境数据库、气象资料数据库、农业生产条件数据库、林业信息数据库、影像数据库等。

（3）农业时空分析方法库与农业时空知识库

时空推理是研究时间、空间及时空结合信息本质的技术，通过时空推理技术将现有面向农业领域的时空分析技术进行整合和规范化表示，形成农业时空分析方法库。对领域农业时空知识进行归纳、整理，同时通过数据挖掘方法从基础数据中提炼知识，建立农业时空知识库。

（4）农业时空本体库

在(2)、(3)中存储的数据、方法和知识需要一个有效的机制进行组织和管理。就目前技术而言，本体是表达一个领域内完整的体系（概念层次、概念之间的关联等）的最有效工具，所以本文选择建立农业时空本体库。具体包括本体获取、本体管理、本体服务与展示三个模块。使用Protégé做本体开发环境编辑。Protégé是斯坦福大学开发的基于Java的本体编辑与知识获取工具，带有OWL插件的Protégé可以支持OWL格式的本体编辑与输出。

以上三个库通过WebService方式提供基于Internet的服务，可以在线对库中信息进行维护和检索，并能无缝集成到应用系统中。

（5）系统体系结构

系统工作原理如图1所示。首先，外部系统的时空数据转换成GML格式（现在绝大多数系统支持该数据标准），进入农业基础时空数据库。通过本体获取与编辑模块将时空数据和时空知识整理，形成本体库。外部系统的请求通过WebSer－vices发给仲裁者，仲裁者区分各类情况调用三个库调用服务、提取数据和执行操作，结果返回给用户。

（6）基于平台开发农业生产智能应用系统

基于数字农业时空信息管理平台建立数字化测土施肥系统、作物种植标准化管理系统、无公害水果蔬菜栽培指导系统等一批农业生产智能应用系统，解决实际问题。

3相关系统对比分析

3．1数字农业空间信息管理平台

平台基于信息和知识支持的现代农业管理的集成技术，对农田信息进行动态采集、分析、处理和输出，从而根据农田区域差异、农事安排进行模拟分析、决策支持管理和指挥控制，并对农业生产过程的区域差异进行精确定位、动态控制等定量操作[17]。

3．2全国农业资源空间信息管理系统

全国农业资源空间信息管理系统(NASIS)实现对全国农业资源空间信息的查询分发，具有系统管理、动态数据字典、数据检索、查询、数据分发、制图、报表统计、数据分发等功能。该系统已经用于全国农作物遥感监测、农业资源调查、农业科研和农业政策信息支持服务等方面[18]。

3．3中国西部农业空间信息服务系统

计算机技术、互联网技术的迅速发展为建立基于Web的中国西部农业空间信息服务系统提供技术支撑。本文从西部农业空间信息服务系统的数据库构建开始，全面地介绍了系统的运行模式和数据库访问技术，详细论述了系统的总体结构、平台环境和开发实现等。

（1）基于平台提供的开发框架，能方便、高效地建立大量的数字农业智能应用系统，基层农业科技人员也能快速开发出技术含量高的应用系统，各应用系统能互通、共享，便于升级维护。