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农业信息技术

第一章农业信息技术基础

第一节农业信息技术的形成、内涵与特点

（一）、农业信息技术的概念简腹地说，农业信息技术是运用现代高新技术研究和调控农业生产活动中信息流的科学，也能够归纳为研究农业信息、熟悉农业信息和利用农业信息的科学。

（二）理论基础：

农业信息的结构、性质、分类及其表达

农业信息的传输机制与信息流的形成机理

农业信息的治理与调控技术

要紧学术思想是将信息系统原理与信息治理技术等制造性地应用于农业产业系统的研究和治理。

技术体系：

农业信息获取信息处置信息模拟信息模拟

三）、农业信息技术的特点

一、农业信息技术是一种信息科学体系。

农业信息学具有系统化、模型化、知识化、智能化、可视化、网络化等特点。

2、农业信息技术是一个多维技术体系。

农业信息技术是农业治理信息系统、农业决策支持系统和精准农业技术等系统的综合。

3、农业信息技术是一种应用系统平台。

第二节农业信息技术研究的关键技术

一、农业数据库技术

二、农业信息监测技术

3、农业空间信息治理技术

4、农业系统模拟技术

五、农业人工智能技术

六、农业决策支持技术

7、农业信息效劳技术

（三）农业空间信息治理技术

农业空间信息治理技术要紧包括地理信息系统（GIS）技术和全世界定位系统（GPS）技术。

GPS是有24颗卫星组成的空间定位系统，能够在任何时刻确信任何物体的三维空间坐标，即空间位置属性。

农业上的应用包括：

①空间变量信息搜集的定位，如作物产量的定位计算等；②用于农田面积和周边的测量；③引导农业机械实施操作。

五）农业人工智能技术

人工智能（ArtificialIntelligence，AI）人工智能的应用要紧包括专家系统、神经网络、遗传算法等。

六）农业治理决策技术DSS

根据职能可概分为农业宏观治理决策支持系统和农业生产治理决策支持系统

第六章农业数据库及治理信息系统

一）数据库系统概念

1．数据库系统

数据库系统是运算机应用系统中的一种专门治理数据资源的系统，由数据库、数据库治理系统和数据库治理员三部份组成。

（1）数据库的功能和特性

数据库是彼此关联的数据的集合

用综合的方式组织数据，可降低数据的冗余度，实现数据共享

具有较高的独立性

能够保证数据是平安的、靠得住的

能最大限度地保证数据的正确性和完整性

数据库中的数据能够并发利用并能同时保证数据的一致性

（2）数据库治理系统（DBMS）

DBMS的功能

存储数据

成立并保护数据结构

许诺多个用户并发访问

增强平安性和保密性

许诺提取和操作已存储的数据

实现数据录入和数据加载，提供对指定数据快速提取的高效索引机制

提供不同记录的一致性

通过备份和恢复进程保证数据免遭丢失

（3）数据库治理员

专门用来对数据库中的数据进行治理和保护的人叫做数据库治理员（简称DBA）。

（二）数据治理技术的产生及进展

1．人工治理数据时期

2．文件系统治理数据时期

3．数据库系统时期

数据库系统时期的特点

1）数据是结构化的

2）数据库系统的数据冗余度小、数据共享度高

3）数据库系统的数据和程序之间具有较高的独立性。

4）数据库系统通过数据库治理系统（DBMS）进行数据平安性和完整性的操纵。

（三）数据库系统的组成

一个数据库系统有数据、用户、硬件和软件组成。

（四）数据模型

数据模型应知足三方面要求：

一、真实地反映现实世界

二、容易被人明白得

3、便于在运算机上实现

数据模型分成两个不同的层次：

一、概念模型，也称信息模型，是按用户的观点来对数据和信息建模，要紧用于数据库设计。

二、数据模型，要紧包括网状模型、层次模型、关系模型等，是按运算机系统的观点对数据建模，要紧用于DBMS的实现。

一、概念模型—大体概念

实体属性域键

实体型：

用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体，称为实体型。

实体集：

某个实体型下的全数实体，叫做实体集。

实体型之间的关联能够分为三类：

一对一关联（1:

1）一对多关联（1：

n）多对多关联（m:

n）

2、数据模型

目前经常使用的数据模型有三种：

层次模型网状模型关系模型

他们之间的全然区别在于数据之间联系的表示方式不同。

关系模型的优势

①数据结构简单

②具有很高的数据独立性

③能够直接描述多对多的关联。

④有坚实的理论基础。

编码的原那么：

唯一性可扩充性识别性简单性完整性

第三章农业数据库系统

（一）数据库的概念与结构

1．数据库的概念

数据库系统是基于数据库的运算机应用系统。

它包括了以数据为主体的数据库和治理数据库系统的系统软件DBMS，

还包括了支持数据库系统的运算机硬件环境和操作系统环境、治理和利用数据库系统的人、方便利用和治理系统的各类技术说明书和利用说明书。

2．数据库的功能和特性

数据库的功能和特性要紧有：

（1）数据库是彼此关联的数据的集合；

（2）用综合的方式组织数据，可降低数据的冗余度，实现数据共享；（3）具有较高的独立性；（4）数据库技术能够保证数据是平安的、靠得住的；（5）能最大限度地保证数据的正确性和完整性；（6）数据库中的数据能够并发利用并能同时保证数据的一致性。

3．数据库治理系统

数据库治理系统（DBMS）能够被概念为是能够用来治理并与数据库彼此作用的工具。

大多数DBMS可完成以下功能：

存储数据；成立并保护数据结构；许诺多个用户并发访问；增强平安性和保密性；许诺提取和操作已存储的数据；实现数据录入和数据加载，提供对指定数据快速提取的高效索引机制；提供不同记录的一致性；通过备份和恢复进程保证数据免遭丢失。

分类：

（1）层次DBMS

（2）网络DBMS（3）关系DBMS（RDBMS）（4）面向对象的DBMS

4．数据库治理员

专门用来对数据库中的数据进行治理和保护的人叫做数据库治理员（简称DBA）。

（二）农业数据库系统的特点

1．农业数据库的分类

1）农业资源库

2）农业技术库

3）农业统计库

2．成立农业数据库的要求

（1）平安；

（2）系统；（3）方便；（4）全面；（5）准确

3．农业数据库技术进展趋势

1）散布式数据库

2）多媒体数据库

3）面向对象数据库

（4）进一步适应Internet进展

第二节农业数据库系统的研制与应用

一、农业数据库的研制

一）．农业信息综合基础数据库的设计

（1）数据库的设计目标

（2）数据库的数据分析

（3）数据库的概念设计

（4）数据库的逻辑结构设计

（三）农业数据库的应用

1．农业数据库的应用

世界上初期形成了四个大型数据库，即联合国粮农组织的农业系统数据库（AGRIS）、国际食物信息数据库（IFIS）、美国农业部农业联机存取数据库（AGRICOLA）、国际农业生物中心数据库（CABI）。

（2）我国农业数据库应用现状

1995年中国农业科学院构建了中国最大的“中国农业科技文献数据库”

第五章农业专家系统

一、专家系统的概念

功能上，专家系统概念为“一个智能程序，它能对那些需要专家知识才能解决的应用难题提供专家水平的解答”；

结构上讲，可把专家系统概念为“由一个专门领域的知识库，和一个能获取和

运用知识的机构组成的一个问题求解系统。

二、专家系统的类型

1.诊断专家系统

2.预测专家系统

3.说明专家系统

4.设计专家系统

5.计划专家系统

6.监视专家系统

7.操纵专家系统

8.咨询专家系统

9.教学专家系统

三、专家系统大体原理

专家系统的核心是知识，专家系统的关键技术是知识获取、知识表达和知识运用技术。

四、专家系统的特点

1．专家系统具有显示表达的专门领域的大量知识。

2．能进行符号处置。

3．具有智能性

4．能对推理进程进行说明

5．包括知识库、数据库、模型库，涵盖了领域专家解决实际问题所需的大体信息。

6．人机界面友好。

第四章农业模拟模型

第一节农业模拟模型的概念、特点与功能

（一）农业模拟模型的概念和类型

农业模拟模型以农业系统中的内在规律和彼此关系为基础，综合系统内在特点、环境效应、技术调控之间的因果关系，是对系统成份及其彼此关系的一种简化的数学表达。

2．模拟模型的类型

农业模拟模型按不同的功能特点和建模的目的和方式大致能够分为以下几种类型。

（1）体会（Experiential）模型和机理（Mechanistial）模型

（2）描述性（Descriptive）模型和说明性（Explainatory）模型

（3）统计（Statistical）模型和进程（Process）模型

（4）应用（Application）模型和研究（Research）模型

（二）、农业模拟模型的特点

系统性；动态性机理性预测性通用性便用性灵活性研究性

一、与动态分析的比较

模拟模型研究的要紧对象是生物与非生物系统的进程及进程间的彼此关系，因此具有规律上的说明性和持续的时空转变特点。

动态分析的要紧研究内容是不同时段系统的整体输出结果，而未涉及系统内不同成份的转变进程及其机理关系，具有简单描述性和中断性的特点。

二、与农业统计的比较

（1）农业统计一样只对农业生产系统的最终结果（如产量）进行比较，而不揭露结果（产量）形成的机理性进程及因果关系。

而农业模拟模型完全能够揭露生物生长与生产进程及其动态关系，帮忙人们更好地明白得生物生长和生产的机制与结果。

（2）农业统计一样只能考虑与结果（如产量）有关的少数技术方法（如品种、肥料、密度等），无法用农业统计的方式综合研究和分析。

模拟模型能够对农业生产系统进行综合。

分析和合成，同时考虑许多因子的作用，并可进行大量的运算机模拟实验。

（3）农业统计的研究结果具有明显的地域性和季节性；而模拟模型同时受外部环境和内在特点所驱动，因此具有较强的动态性和灵活性，能够应用于不同的地址、时刻和生产系统。

三）农业模拟模型的作用与功能

1．模拟模型的意义

农业模拟模型最重要的意义是对整个农业生产系统的知识进行综合，并量化机理性进程及其彼此关系，即综合知识和量化关系。

2．模拟模型的功能

明白得、预测、调控。

第二节农业系统的品级性和水平

（一）农业生产系统的品级性

依照系统分析的原理，农业生产系统一样可分解成区域、农区、农田生态、作物群落、群体、个体、器官、组织、细胞等不同层次或品级。

农业模拟研究的一样规那么是，关于一个机理性和体会性兼顾的农业模拟模型而言，模拟的层次应低于研究目标的两个级别。

（二）农业生产系统的水平和进程

1．光温潜力辐射强度、光能截取和利用效率是研究的关键因子。

2．水分限制在这一水平，关键因子是土壤水分的蒸发程度和作物利用效率。

3．氮素调控

4．磷钾等养分的调控

5．病虫草害等生物灾害的阻碍

第三节农业系统模拟的原理与技术

（一）系统分析方式

二）机理性与体会性的关系

机理性或体会性的选择取决于以下四个因子：

一是应用与研究，应用性模型有较强的体会性，研究性模型那么注重机理性；二是资料的可用性，丰硕的资料可深化对机理性进程的熟悉。

三是黑箱模拟的运用，有助于增强机理性，但要以合理的假设为基础。

四是系统的级别，级别低的模型具有较强的机理性。

体会性模型的优缺点要紧表现为：

容易明白得和利用、输入变量和资料少，但模型的说明性和广适性差。

机理性模型的优缺点是：

具有内在的动态反馈机制、较强的说明性和广适性，但难以明白得和利用、输入多而输出欠稳固。

三）模拟研究的尺度

农业模拟的尺度具有三维的特性：

时刻性、空间性、复杂性。

四）支持研究

一样以为，需要从事的农业模拟支持研究要紧有两个方面：

一是已知因果关系或大体模式，但缺乏特定的数量表达或算法程序；二是相对不了解而有待探讨的某些进程，称为黑箱。

五）析因方式与系数化

析因法的要紧特点是以系数的形式来别离成立不同单因子的响应模型或效应因子模型，然后以必然的数学方式来定量这些系数间的互作，即将多因子响应模式进行简化处置。

系数互作的计算方式要紧有最小法和乘积法。

（六）遗传参数

遗传参数是指描述非逆境下品种大体遗传性状的一组特点值。

一个品种的遗传系数一样以10－15个左右为最适，最多不超过20个。

（七）模型开发环境与工具

（八）构件化程序设计

构件化程序设计的特点

（1）构件具有重用性；

（2）构件的重用是黑箱重用，不必明白源代码；（3）构件的重用不受开发环境的制约；（4）即插即用，便于修改和保护。

2．软构件的大体标准

（九）农业生长系统的表示方式

1．系统的界定

2．农业模拟模型的结组成份

3、输入输出资料

模型的输入资料以最少为原那么，既可容易取得，又可简化模拟运算。

模型的输出要求动态、完整、易于明白得，具有先进的可视化及多媒体特点。

第四节农业模拟模型的研制步骤

一）模型选择与系统概念

二）资料获取与算法构建

一是自己已有的工作积存或文献资料。

二是通过合作途径，能够从同行科学家那里获取相关资料。

三是必需通过补充实验或支持研究，围绕某个方面取得全新的资料。

三）模块设计与模型实现

（四）模型查验与改良

1．灵敏性分析

2．校正

3．核实

将模拟结果与实际结果进行回归分析；

将实际结果与模拟结果按同一时刻坐标绘1:

1图进行比较；

查验模拟与实际值的平均误差。

（1）平均离差（MeanDeviation，MD）

即预测值与实际值之差总和的平均值。

（2）平均预测误差（MPE）即预测值与实际值之差绝对值总和的平均值，反映模型的精度。

（3）预测均方式

（4）均方差根

（5）拟合指数

（6）偏斜度

二）模拟模型与其它技术的耦合

1.与专家系统或知识模型的结合

2与RS技术的结合

3．与GIS的结合

4．与全世界定位系统（GPS）的结合

5．与可视化技术及虚拟现实技术的结合

6．与组件技术的结合

7．与网络技术的结合

第四章3S农业

一、农业遥感的概念、作用、进展动态

（一）农业遥感的概念

是指从不同高度的遥感平台（Platform）上，利用各类传感器（RemoteSensor），接收来自地球表层各类地物的各类电磁波信息，并对这些信息进行加工处置，从而对不同的地物及其特性进行远距离的探测和识别的综合技术。

1）间接性

2）光谱特性

探测波段从可见光波段向双侧延伸，不仅能取得地物在可见光波段的电磁波信息，而且还能够取得紫外、红外、微波等波段的信息。

（3）时相特性

（4）信息数据齐全

（5）遥感的分类

⑴依照所利用的电磁波的光谱波段，遥感能够分为可见光－反射红外遥感、热红外遥感和微波遥感三种类型

⑵按传感器的工作方式不同可分为被动遥感和主动遥感

被动遥感是指传感器自己不发射信号，而是接收目标物辐射的电磁波或反射的太阳辐射；

主动遥感那么是传感器向目标物发射电磁波，然后搜集从目标物反射回来的电磁波的遥感方式。

⑶按传感器的扫描方式又可分为扫描式遥感和非扫描式遥感

⑷按传感器图像取得方式可分为图像方式和非图像方式

⑸依照探测目标不同可分为海洋遥感、气象遥感、农业遥感等。

⑹依照遥感平台可分为地面遥感、航空遥感和航天遥感。

3.遥感技术系统

遥感技术系统要紧有遥感平台、传感器及遥感信息的接收和处理等三部份组成。

（1）遥感平台

搭载传感器的工具统称遥感平台（Platform），按高度可分为地面平台、航空平台、航天平台等。

2）传感器

传感器（RemoteSensor）是记录地物反射或发射电磁波能量的装置，是遥感技术系统的核心部份。

数据记录方式:

非成像传感器成像传感器

工作的波段:

可见光传感器红别传感器微波传感器

工作方式:

主动传感器（雷达）被动传感器（摄象机、扫描仪、辐射计）

（3）遥感信息的传输与处置

1）遥感信息的传输

一种为直接回收；另一种为视频传输。

二）农业遥感的作用

第一是提高制图精度。

2.经济效益

第一表此刻节约时刻，再次，节省了人力和财力。

第二节

农业遥感原理

一、电磁波和电磁波谱

电磁波的波段从波长短的一侧开始，依次叫做γ射线、χ射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。

二、太阳辐射与大气窗口

太阳辐射能量随波长的散布称为太阳辐射光谱

由于大气对电磁波的选择性吸收，使大气在不同波段对电磁波的衰减程度各不相同。

换句话说，大气对不同波段的电磁波有不同的透射率，因此有些波段电磁波能顺利透过去，而在另一些波段的电磁波那么很少透过，乃至完全不能透过。

大气对电磁波衰减较小，透射率较高的波段叫“大气窗口”。

１）可摄影窗口

是目前遥感上应用最广的窗口，被气象卫星、陆地卫星及其它遥感探测所利用

2）短波红外窗口

不能用胶片摄影，只可用扫描仪和光谱仪来测量和记录。

可探测农作物叶片温度状况，某些波段对区分蚀变岩石有较好的成效,是遥感地质应用上很有潜力的一个窗口。

3）中红外窗口

信息只能用扫描仪和光谱仪进行探测与记录

（4）热红外窗口

若是用扫描仪和热辐射计来取得地面目标的电磁波信息

（5）微波窗口

是全天候的遥感波段。

第三节农业遥感方式

一、地面遥感实验研究

具有本钱低，精度高，方便灵活，适用性强，可用数据多等特点。

地面遥感传感器要紧有一般相机、数码摄像机、摄影经纬仪、ASDFieldSpecProFRTM光谱仪等光谱辐射计等摄影仪

地物波普：

物体在同一时刻，空间条件下，其辐射、反射、吸收和透射电磁波的特点是波长的函数。

将这种函数关系，即物体或现象的电磁波特性用曲线的形式表现出来时，就形成了地物电磁波波普。

遥感的依据为地物波普

ASD的测定条件：

太阳垂直辐射、天气晴朗，风小云少、身着深色或黑色衣服、北京时刻10:

30—14:

30测定

其一，传感器波段选择、验证、评判的依据；其二，成立地面、航空和航天遥感数据的关系；其三，将地物光谱数据直接与地物特点进行相关分析并成立应用模型。

二、空间遥感数据处置方式

空间遥感信息的获取要紧有两类，一类是航空相片；另一类是各类卫星影像资料

1）遥感影像变形的缘故

1）遥感平台位置和运动状态转变的阻碍

2）地形起伏的阻碍

3）地球表面曲率的阻碍

4）大气折射的阻碍

5）地球自转的阻碍

（2）辐射校正

（3）大气校正

所谓大气校正确实是指排除要紧由大气散射引发的辐射误差的处置进程。

方式要紧有回归分析法、直方图法和公式计算法。

回归分析法

直方图校正法

4）几何纠正

在用几何纠正法处置遥感影象信息时，经常使用的几种具体的大体空间变换有：

①平移变换；②以y轴为对称轴的变换；③以x轴为对称轴的变换；④以原点为对称点的变换；⑤缩小变换；⑥放大变换；⑦旋转变换。

几何校正的原理

一是像元坐标变换；二是像元灰度值从头计算

像元坐标变换

第一要确信原始图象和纠正后图象之间的坐标关系。

有直接法和间接法两种。

数字图象灰度值的重采样

有三种方式：