基于模型的智慧农业平台的构建

分类：论文范文 发表时间：2020-04-20 08:46

　　摘要：为进一步深化与促进农业模型发展，阐述了模型的重要性及基于模型的智慧农业平台的需求，并以钟模型为例，提出了基于模型的智慧农业平台近期、中期和远景构建目标，以期充分发挥模型在物联网和智慧农业中的重要作用，为多学科模型融合及基于模型的智慧农业平台构建提供参考。

　　关键词：智慧农业；物联网；农业模型；模型平台；钟模型

　　近年来，对信息农业的表述发生了几轮更新，产生了数字农业、精确农业、智慧农业等多种提法¨‘41。但不论是数字、信息、精确还是智慧等，都包括了信息的获取、传输、处理、分析和反馈这几个环节¨“1。信息的获取和传输是为了对信息进行分析利用和反馈，反馈又以分析为前提。获取、传递和反馈都是上述“各种”农业的重要组成部分，但都无法代替分析。模型就具有分析农业信息的作用。以智慧农业为例，在物联网框架下，可以通过各种传感器获取信息o”；可以基于多种协议通过各种网络传递信息饽1；还可以通过移动智能终端、无人机旧。…、机器人n“12o等设备反馈信息并实施调控。用人工方式处理物联网系统中的信息，既只能是经验性的，又将是繁重、低效而容易出错；而利用农业模型，不仅增强了机理性，而且使海量信息经过筛选、提炼、分析，最终有序地传送给智能设备高效地执行。因此，模型是赋予物联网以智慧和灵魂的有效方式，是上述“各种”农业的核心。

　　1智慧农业的需求

　　以作物生产为例，信息获取中需要监测模型等；信息传输过程中需要传输模型等；信息分析过程中需要生长模型等；反馈过程中需要优化模型、调控模型等。以往这些模型往往各自分散。近年来，很多学者尝试模型与模型的耦合，提出了优化决策系统、知识模型和功能一结构模型等，也出现了模型和遥感、GIS等技术耦合的尝试。DSSAT(decisionsupponsystemforagmtechrIolo移砸msfer)㈣、APSIM(a画clllturalproductionsystemssimlll砒or)¨“、0RYzA2000¨纠等主流模型系统具备许多新特性，如生理生态过程的选择性模拟、多作物多模型联合收稿日期：2014—11—25基金项目：国家自然科学基金(编号：31171455、31201127、31471415)；国家高技术研究发展计划子课题(编号：2013AAl02305一1)；江苏省农业科技自主创新资金[编号：cx(13)3054]。作者简介：张文宇(1983一)，男，江苏无锡人，博士，助理研究员，主要从事数字农业研究。E—mail：research@wwery．cn。通信作者：曹宏鑫，博士，研究员，主要从事数字农业研究。E—majl：caohongxin@hotIIl8il．c嘲。模拟、重复运行(聊枷s)和情景分析、多平台版本、并行计算和高性能计算、3s及物联网接口等。但这些发展都局限在某些模型之间或模型和少数技术之间，没有深层次改变模型的运行、输出以及和其他模型及技术的耦合方式。因此，需要一个以现代软件工程技术构建的、开放的、多模型、多技术耦合协同工作的“基于模型的智慧农业平台”。

　　2基于模型的智慧农业平台建设目标(以钟模型为例)

　　“钟模型”和CCSODS(cropcultivationalsimulation—opIi111ization—decisionmakingsystem)系统是我国最早的作物模型系统¨叫之一，早在20世纪90年代就发表推广并引起国内外广泛关注。但要适应智慧农业对模型系统越来越高的要求，就需要将现有模型调整和扩充，将现有系统升级和重构，实现模块化、组件化、综合化、开放化基于模型的智慧农业平台。调整是指在充分领会作物栽培模拟优化思路的前提下，对模型结构进行微调，使之既符合作物生长固有规律，又可满足不同使用情景和人员、不同模拟尺度和精度等要求；扩充不仅指对作物类型和品种、环境条件、栽培管理措施等的增加，还包括了增加经济、动物、安全等方面模型，以适应宏观尺度模拟；升级和重构是指用现代程序设计语言升级系统，用现代程序设计方法重构系统框架，使之具有较高兼容性、扩展性、可重用性和执行效率。在此基础上，将不同模拟过程封装为模块，将不同功能制作成组件，综合其他类型的农业模型，并为信息获取、传输和反馈提供高效安全接口，最终形成一个基于模型的智慧农业平台。为达到这个目标，具体可分近期、中期和远景目标3步。

　　2．1近期目标

　　近期主要是按照总体目标，构建模型和系统框架，并尝试用现代软件工程技术结合作物模型算法特性¨”，编写作物光温潜力模拟组件，形成以某作物为例的模型系统雏形。具体包括平台框架搭建和核心模型重构2部分。

　　2．1．1平台框架搭建平台框架包括模型框架和系统框架2部分。模型框架可包括5个部分作物模块、环境模块、栽培耕作措施模块、灾害模块和其他模型组件(图1)。其中，作物模块可包括生长、发育、结构和基因模块；环境模块可包括光照、温度、水分、空气、土壤和养分等模块；栽培耕作管理措施模块可分栽培和耕作2个模块；灾害模块可分为病害、虫害、草害、极端气候、污染和其他灾害等模块；其他模型组件可包括其他植物、养殖、经济和政策等模型组件。

　　2．2中期目标

　　中期目标是在模型系统雏形基础上，面向不同人员(农户、农技推广人员、科研人员等)和终端(PC、浏览器、移动设备、智能控制设备、田间服务器等)的需求，形成一整套具有一图3面向对象的作物模块抽象模式(以冬油菜为例)定扩展性，且精确、易用的作物模型系统。分为如下4个方面：2．2．1模型本身的发展作物模型本身在不断发展一1，这一部分目标主要从科研角度出发，使模型更具机理性，具体包括：(1)引入环境限制。包括光、温、水、气、土、肥等，使模型更具普适性。(2)加入更多作物。包括常见的粮油作物和园艺作物，形成模型体系，也为耕作模式及连续模拟奠定基础。(3)引入栽培耕作管理措施响应。包括播期、密度、茬口、轮作、间作、套作等，对于特定作物，如水稻，还可引入旱育秧、机插秧、抛秧等，使模型切合当前生产实际，更具实用性。(4)利用最新研究成果优化各生理生态过程。如土壤养分循环、光合作用、呼吸作用等，使模型更具机理性。(5)功能一结构融合。如加入形态结构对生理生态过程的影响，并将生理生态过程结果反映到形态结构上，实现作物生长模型的功能与作物形态模型结构的有机结合。(6)引入灾害的影响。如病害、虫害、草害、污染，以及极端气候等对作物生理生态过程及形态的影响。(7)探索基因建模。

　　3结论与讨论

　　随着农业信息学不断发展，智慧农业概念的提出和农业物联网建设的不断提速，对模型模拟的精度、范围以及不同模型及技术之间的协作程度提出了更高要求。未来，基于模型的智慧农业平台或将成为模型开发和运用的新形式。他将以农业模型学研究为基础，向微观和宏观2个方向不断拓展模型模拟的生物、地理、时间尺度；以现代软件工程技术为依托，不断优化模型算法，将各种模型和技术融合为一个高效协同工作整体；以大数据处理、云计算技术为信息处理手段，不断提高数据分析能力；以物联网技术为载体，不断多样化信息获取和反馈渠道，提供高效优质的各种服务，基于模型的智慧农业平台设想见图4。应当指出，基于模型的智慧农业平台还处于设想阶段，其中多个方向已有较深入研究，但整个平台构建涉及多学科深层次的专业知识，需要各专业科学家共同不懈努力。

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