数字农业现状范文

导语：如何才能写好一篇数字农业现状，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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（一）农业高新技术及其应用分类众所周知，传统农业由于技术停滞而发展缓慢。农业高新技术产业的发展顺应时代要求，通过多渠道增加农业高科技投入，促进农业增长。农业高新技术可以划分为农业生物技术、农业信息技术、现代农业资源与环境工程技术等三大类。农业高新技术的领域范畴比较广，产业应用层面较多。自20世纪90年代以来，我国为了推动农业高新技术产业的发展，重点培养和发展了一批农业高新技术产业示范区，其典型代表为陕西杨凌农业高新技术产业示范区，通过体制改革和技术创（二）农业生物技术20世纪以来，世界生物技术取得了突飞猛进的发展：70年代DNA分子水平的基因拼接及重组，90年代之后人类基因组序列“工作框架图谱”的完成。改革开放之后，我国农业生物技术研究水平在发展中国家处于领先地位，某些优势领域已经能够与国际发达国家同步发展、自主创新。例如，重要农艺性状基因的克隆与基因功能研究、生物技术育种、动物克隆及转基因动物技术、动植物生物反应器研究、生物农药、生物饲料、生物肥料、重组工程疫苗、转基因安全性评价技术研究等。在“十一五”期间，我国培育的主要农作物新品种有2600多个，良种覆盖率达95%以上，农作物耕种收综合机械化水平达52%，农业科技进步贡献率达52%。此外，国家政策大力支持农业生物技术研究，2011年12月31日《农业科技发展“十二五”规划》的，以及2012年1月29日科学技术部印发的《高新技术产业化及其环境建设“十二五”专项规划》，都提出了明确的发展方向。（三）农业信息技术从全球的视角来看，农业信息技术的使用始于20世纪60年代，经历了由简单向综合、由低级向高级、由单机到网络化的发展过程。目前，欧美等发达国家的农业信息技术应用已进入产业化发展阶段，各类信息技术和相关产品已经在农业生产各类经营管理中广泛应用。例如，美国的农业生产中有82%的土壤采样使用GIS，74%用GIS制图，38%收割机带测产器，61%采用产量分析系统，90%采用精确农业技术。我国自20世纪80年代引进农业信息化之后，农业信息化发展非常迅速，取得了众多农业信息化成果，某些领域已达到国际先进水平。当前，随着物联网时代的到来，智能农业成为物联网重点领域应用示范工程之一。农业信息化依托物联网，其整体水平迅速提升。（四）现代农业资源与环境工程技术在现代农业资源与环境工程技术方面，农业工程技术是通过运用现代技术成果、工业生产方式、工程建设手段和工程管理方法将农业生物技术、农艺措施、农业生产过程和农业经营管理紧密结合，利用先进适用的技术装备，形成农业的标准化作业、专业化生产和产业化经营，以促进农业现代化发展。以水资源利用效率为例，当前我国水资源利用效率比较低，水资源浪费严重，主要在于我国对水资源的利用属于粗放低效利用，加上现有的农业资源管理体制已经不能适应市场经济发展对农业资源利用和保护的要求。因此，需要提高水资源利用效率，建立节水型社会，实现水资源利用的可持续性。总之，我国农业高新技术产业发展已经取得了一定的进步，但仍然处于初期发展阶段，因此需要引入新的动力，促进我国农业高新技术产业发展，而这一新的动力则为风险投资。

二、我国农业高新技术产业的风险投资

（一）我国农业高新技术产业风险投资的现状当前，我国的宏观经济仍然表现出良好态势，我国农业在未来10-15年之内都将保持长期稳定成长，农业行业“抗周期性”强、投资风险小，而且具有很大的劳动力成本优势[13]。早在1999年我国政府就明确指出要培育适合于高新技术产业发展的资本市场，建立风险投资机制。同时，对农业高新技术产业的发展，在税收、贷款、土地使用费、土地租赁费及其他费用方面给予外资各种优惠条件。经过多年的发展，我国的风险投资公司逐渐发展并积累经验，这使风险投资进入农业高新技术产业有了良好基础。截至2011年底，我国创业风险投资机构累计投资项目数9978项，较2010年增加1285项，增长14.8%。其中，投资高新技术企业项目数5940项，占比59.5%。我国创业风险投资机构累计投资金额2036.6亿元，较2010年增长36.6%。其中，投资高新技术企业金额1038.6亿元，占比51.0%①。可见，风险投资对高新技术企业的投资强度不断加大。2006年5月，国际知名的红杉资本首度进军农业领域，向福建利农集团投资500万美元。随后，风险投资进军农业领域并不断深入。据统计，自2006年至2011年上半年，我国农业领域已经披露的投资案例累积达到114起，其中披露了金额的104起涉及投资金额17.6亿美元②。2006年之后，我国风险投资领域已扩展至农机生产与销售，环保农药，花卉、林业、有机农产品种植，农、牧、渔产品深加工等其他更广泛的领域。风险投资的投资方向集中于农业产品改良、农副产品深度加工、规模化养殖、农产品及农需品连锁经营、循环经济型农庄等。2011年我国创业风险投资机构投资行业（按项目数统计）前五大行业依次为新能源与环保产业、软件和信息服务业、计算机和通信设备制造业、其他行业、其他制造业，合计占比59.9%。我国创业风险投资业的投资行业集中度略有下调，行业领域不断细分，投资重点仍以制造业为主体，主要聚焦于高新技术产业，对战略性新兴产业领域的投资依然是行业热点，但相对比重略有下降。与其他行业风险投资相比（见表2），农业风险投资项目数仍然相对较少，所占比例也表现出较大的变动。农业风险投资项目所占比重从2004年的3.8%下降到2007年的1.2%，随后上升到2011年的5.85%。农业风险投资相对较少，主要根源于农业高新技术产业发展水平不高。农业科技投入严重不足和农业高新技术产业化过程中资金供给主体缺位，成为制约农业科技开发和转化的关键因素之一。（二）我国农业高新技术产业风险投资存在的问题1.政府对农业高新技术产业风险投资的支持力度不足。Pereira研究发现，美国政府投资对私人投资产生了挤入效应，其中政府投资用于工业设备和运输设备时对私人投资的挤入效应尤其明显。刘忠敏等人的研究也表明，无论是从长期还是短期看我国政府投资都“挤入”了私人投资。可见，政府在吸引和刺激私人投资参与农业科技活动中的作用不容忽视。目前，我国政府对农业科研的投资非常少，农业科研经费占国家科研经费的比例较低，远低于世界平均水平。政府对农业高新技术产业风险投资的支持不足，对私人风险资本介入的带动作用较小。此外，我国政府没有提供有效的制度吸引民间资金参与，退出机制不完善，限制了风险资本的流动性，造成风险投资资金供给不足。2.农业高新技术产业风险投资机制不健全。我国农业高新技术产业风险投资机制不健全，直接影响农业高新技术产业的风险投资项目。张雨认为，受高新技术成果本身的复杂性、开发推广转化能力的局限性、外部环境的不确定性等因素影响,农业科技成果转化过程存在技术风险、转化风险、配套风险和市场风险等多种风险，农业科技成果转化的风险投资机制不健全。此外，我国风险投资的退出机制也不健全。据统计，风险投资退出方式包括公开上市（IPO）、出售、清算等。其中，IPO由于具有较高收益而成为风险投资的最佳退出方式。目前，我国资本市场主要服务于国有大中型企业，难以顾及中小及民营企业，农业高新技术企业大多是中小型企业，很难满足公开上市的种种条件。缺乏良好的风险投资退出渠道，在相当程度上限制了风险投资在农业高新技术产业的发展。3.农业企业制度及运行机制无法满足风险投资的要求。现代企业制度强调产权清晰、权责明确、政企分开、管理科学，因而企业需要建立良好的经营制度、分配制度、风险规避机制等。风险投资对农业高新技术产业的要求非常高，发达国家农业产业链的发展水平非常高，但我国农业整体的产业化还不够发达，且企业规模较小，没有具备完整的产业链，从种植到加工，再到渠道和品牌，无法实现对产品的完全控制，以保证产品安全。我国农业企业制度尚未完善，运行机制也不够健全，加上风险投资的特殊性，农业高新技术产业发展仍处于初级阶段，高素质的既熟悉农业高新技术产业又熟悉农村金融的复合型农业风险投资管理人才非常缺乏，远未能达到风险投资的要求。4.农业高新技术产业发展步伐相对较慢。2007年，我国对农林水事务的财政支出占国家整个财政支出的比重仅为6.84%，2011年这一比例达到9.08%①。然而，我国农业高新技术产业发展步伐相对缓慢，究其原因：一方面，我国农业科技成果转化率仍然较低，每年评出的省部级农业科技成果转化率只有30%-40%，获奖农业科技成果的平均转化率为53.5%，真正形成规模的不到20%。另一方面，我国农业科技经费投入不足。目前，我国农业科研经费主要是靠政府财政拨款，农业科研经费增长的速度赶不上农业经济增长速度。由此反观，以科技进步推动农业发展，促进农业高新技术产业发展步伐，有利于风险投资进入农业领域。

三、发达国家农业高新技术产业的风险投资

我国农业高新技术产业发展比较快速，其风险投资也越来越受青睐。目前，发达国家农业高新技术产业风险投资如何？本文就此进一步探讨发达国家的实际情况，以便为我国未来农业高新技术产业风险投资发展提供借鉴。（一）美国农业高新技术产业的风险投资美国是风险投资的发源地，1946年在马萨诸塞州波士顿成立的美国研究发展公司（AR&D），标志着现代意义上专业化与制度化风险投资的开始，是风险投资发展史上的一个重要里程碑。20世纪90年代之后，美国的风险投资发展快速，得益于信息产业、生物工程、医疗保健等行业蓬勃发展以及相关的政策制度扶持。在生物技术风险投资方面，2011年风险投资公司向美国446家生物技术公司总共投资了47.3亿美元，同比增长22%，创下自2007年以来的最高水平。美国是世界上最发达的国家，也拥有非常高的农业劳动生产率，其生产的主要农产品占世界总产量的1/5。美国有一套协调高效的农业科技推广体制，从而使现代农业科学得到广泛而又大规模的推广应用。美国建立了高新技术推广运用激励机制，其农业发展资金来源也多样化，包括政府和私人两大投资主体。其中，私人投资包括企业和风险投资。目前，建立风险投资机制已经成为美国推动技术创新和科技产业化的重要途径，美国有4000多家风险投资公司每年为1000多家高新技术企业提供资金支持。美国每个农业比重大的州都有许多专业风险投资公司，每年为农业企业提供风险投资支持，资金总额达上亿美元。（二）加拿大农业高新技术产业的风险投资众所周知，加拿大生物技术具有极强的竞争力，而农业生物技术成为仅次于医疗保健领域的第二大生物技术领域，集中了加拿大22%的生物技术公司，5%的生物技术科研经费，17%的生物技术从业人员。1952年，加拿大成立了第一家风险投资公司——加拿大查特商斯有限公司。20世纪80年代之后，加拿大信息技术、生物技术、新材料技术兴起，带动了风险投资业的迅速发展。加拿大实施了产业研究支持计划（IRAP），引导和推动高新技术产业的发展。2004年，加拿大拨款2.5亿加元建立种子基金和运作风险投资，资助生命科学、生物技术、医学技术、环境技术等优先领域技术的早期开发和商业化，并对私人投资产生示范效应。2011年，加拿大的风险投资总额为15亿加元（约合15亿美元），加拿大风险投资机构共投资了444家企业。在投资的行业分布方面，2011年加拿大生物制药、医疗器械和其他生命科学领域的风险投资为3.43亿加元，占23%；可再生能源等清洁技术领域的风险投资额为2.45亿加元，占16%②。总之，加拿大非常注重生物技术的发展，并大力引入风险投资，在推动生物技术进一步发展的同时，也有助于农业高新技术产业风险投资的发展。（三）欧盟农业高新技术产业的风险投资早在1997年，欧洲投资银行和欧洲投资基金两大金融机构就合作建立了“欧洲技术便捷启动基金”（ETF），该基金将25%的股本引入风险资本基金，支持风险资本基金投资于有新研发成果的研究中心和科学园区的中小企业。随后，欧盟各成员国纷纷建立了各种风险投资基金。欧盟农业高新技术产业发展的典型代表为德国。长期以来，德国生物技术在欧盟中一直处于领先水平，其生物育种水平雄踞欧盟各国之首。德国将生物技术分为白、红、绿三种，其中绿表示生物农业（包括育种）。2012年5月，德国联邦教研部了《德国生物技术行业报告2012》，指出2011年德国专门从事生物技术业务的公司年总产值达到26.2亿欧元，该类公司的数量达到552家。此外，德国还有126家非专门从事生物技术业务的公司，聘用员工总数达1.7万人。风险投资是德国生物技术行业的主要融资方式。2011年，私营部门在德国生物技术产业领域的投资为1.42亿欧元，政府公共研发经费投入依然保持在4500万欧元水平，为广大中小型企业开展研发创新活动提供重要动力。（四）亚洲农业高新技术产业的风险投资在亚洲，日本、韩国和印度等国家农业高新技术产业的风险投资发展比较迅速。日本风险投资的发展主要经历如下三个阶段：20世纪50年代至1973年的初步发展阶段，1974年至1982年的调整消化阶段以及1983年至今的全面发展阶段。在农业生物技术领域，日本生物技术风险企业数为334家。日本政府为了促进基因制药的研究及生物技术风险企业的培育，出台了一系列有关政策。生物技术在韩国占据重要地位，韩国农业高新技术产业中的发酵技术处于国际领先水平，发酵工业是韩国生物技术产业中具备国际竞争力的领域，仅氨基酸产品就占全球市场的20%。此外，韩国在体细胞克隆牛、艾滋DNA疫苗开发、抗除草剂作物等领域达到世界水平。长期以来，印度一直把扶持的高新技术产业重点锁定在信息、生物和材料三个领域。其中，生物技术受到更多的重视。早在1983年，印度就制订了生物技术产业发展的长期计划，确定了生物技术产业发展的国家发展目标，提出了生物技术的产业化问题。2003年，印度的风险投资位居亚洲第二，风险投资主要集中在信息技术产业和生物技术产业，一些风险投资商建立了生物技术孵化基金，风险投资者主要以私营中小企业为主。总之，西方发达国家以及亚洲一些国家的农业高新技术产业发展基本上以农业生物技术为主，风险投资发展迅速，具有较强的国际竞争力。

四、主要结论与启示

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论文摘要:本文探讨了数字农业空间管治信息质量指标。提出数字农业空间管治起源于农业发展中土地结构的更新改造，任何一项农业更新改造规划与实施，都需要对更新项目进行空间准人审批和空间管制决策评价。基于对农业更新改造的评价，建立了空间准入评价与空间管制决策指标体系。通过分析影响数据质量的因素，构建数字农业空间管治质量指标体系。

1.前言

农业空间管治是强调控制和协调，对农业地域空间资源的计划性配置的新理念川。跨人21世纪，国家正在建设信息高速公路、构筑数字农业。农业空间管治面临着发展的机遇和挑战。一方面，数字农业可为农业空间管治提供多元、分散、网络型和多样性的农业管理和控制决策支持信息流，利用数字农业信息高速公路网络构建农业管治决策支持系统，实现科学化的最佳决策。对现代农业这一规模庞大、结构复杂、功能综合的自然与系统施行科学管理，对农业问题做出全面、准确地分析和评价，对农业未来发展进行科学、合理的推断与预测，使其协调可持续发展，并对农业空间管治决策进行科学论证。另一方面，经济的网络化、全球化，使农业空间格局发生变化，农业构造单元的活动已不再局限于本物理空间。若不采取新的农业空间管治模式，即没有数字化、网络化信息平台支持，农业空间管治就会失控失调。

农业空间管治是以农业空间资源分配为核心，将经济、社会、生态等可持续发展，以及资本、土地、劳动力、技术、信息、知识等生产要素，在虚拟四维时空中的数字化实现。数字农业空间管治可为政府部门和非组织管治决策提供多要素、多层次、多时态的农业自然、生产、社会与经济信息，使其能更好、更有效地实现农业空间管治目标。

数字农业空间管治信息是农业空间管治最基本和最重要的数据组成部分。农业空间管治所涉及的信息须按一定的标准和规范置于统一管理之下，使农业空间管治工作有一个规范标准化的高质量数据基础。信息数据质量的好坏，直接影响着空间管治分析评价与决策结果的可靠程度和空间管治目标的真正实现。对于农业空间管治，由于其操作对象具体，功能目标明确，应用范围集中于农业区域，空间信息的尺度变化较大，数据质量对应用结果的影响非常明显，在数据质量方面的要求也就更高。因此，在数字农业空间管治研究中，信息数据质量体系研究是一项十分重要的基础研究工作。

2数字农业空间管治信息数据质量的影响因素

数字农业空间管治信息数据主要有图形数据和属性数据两大类。图形数据包括基础数据和专题数据，如土地测量数据、地图数据和遥感图像数据等。这些数据的各种数据源都带有一定的误差因素，并将之引人数字农业空间管治信息管理的数据库中。另外，数据源在时间精度(即现势性)和数据空间范围与数据内容方面，若不能满足农业空间管治应用的需要，也会严重影响农业信息数据应用的质量。

数字农业空间管治信息数据的质量问题，实际上是伴随着数据的采集、处理与应用过程而产生并表现出来的。第一个阶段是空间管治信息数据的采集和保存;第二个阶段是数字农业空间管治信息系统数据库的建立，包括数字化、数据录人和必要的数据转换、数据处理;第三个阶段则是在数字农业空间管治决策支持信息系统中对数据的操作、分析评价和决策。每一个阶段都包含前一个阶段所带来的原有误差，并增加了本阶段所引人的新的误差因素。因而，数据质量的影响因素可以数据获取和应用过程的这三个阶段为线索来考查。

(1)数字城市空间管治数据源影响数据质量的因素

数字农业空间管治的数据源，通常包括外业测量、勘丈、调查记录的数字化数据、图纸、图像和文档材料等。数字农业空间管治数据源的质量问题，包括这些数据源的采集和生成过程中产生的误差，如测量中由测量方法、仪器及人员操作带来的误差，遥感的系统误差及干扰误差，文档材料在社会调查和统计时产生的误差，地图本身固有的误差(包括数学基础的展绘、编绘、清绘、制图综合、地图复制以及套色误差)，遥感解译过程中产生的定位和分类误差等等，以及数据源在保存过程中产生的误差，如图纸变形误差等。

(2)数字农业空间管治决策支持数据库建立中对数据质量产生影响的因素

根据目前的技术方法和设备条件限制，数字农业空间管治决策支持信息系统所采用的数据源，主要还是来自土地利用规划图、外业测量和调查、统计资料等。这类数据源，必须经过数字化和数据录人以及二者之间的连接配准，也许还要经过一定的格式转换，才能进人空间管治决策支持系统，成为数字农业空间管治决策支持信息系统数据库中的原始数据。

这一部分数据质量问题，包括决策支持信息系统数据获取、数字化和数据录人以及数据格式转换所引起的质量问题。影响这部分数据质量的因素主要在于数字化采集仪器的精度、数字化方法以及数字化操作精度、统计数据录人中的差错等。这类数据质量问题相对比较简单，影响因素容易发现，可控制程度相对较高。

(3)数字农业空间管治分析和处理过程产生的数据质量问题

在数字农业空间管治评价和决策过程中，运用农业空间管治决策支持信息系统分析和处理，可能影响其数据质量问题的因素包括计算、拓扑、叠加。这一部分的数据质量问题，是由数字农业空间管治决策支持系统的分析和处理过程引人的问题比较复杂，影响因素较隐蔽，产生的误差也比较难估计。

3数字农业空间管治信息的质量指标

3.1数字农业空间管治评价与决策指标体系

数字农业空间管治是一项起源于农业发展中土地结构的更新改造活动，促进农业可持续发展的工作。从任何一项农业更新改造规划开始，到更新方案实施，农业空间管治都需要依据国家的各种法规对更新项目进行空间准人审批和空间管制决策评价。从规划控制的系统结构来看，评价对农业更新改造有着十分重要的意义。

(1)农业空间管治评价类型与结构。根据农业空间管治评价对象和方法的不同，农业空间管治的评价可分为三种不同的类型:

现状评价:分析和评价土地利用、农业生产结构和环境质量优劣程序，确定现状综合评定值。对现状息信进行评价是农业更新规划控制的起点。一方面，总体上根据现状评价的结果在整个农业区划范围内界定更新的对象，排列土地结构更新的先后次序。另一方面，针对具体更新区域的不良因素进行罚分评价，为下一步制定更新目标提供充分的现状信息。

空间准人评价:针对农业发展目标，评判农业更新改造项目对现状的改进程度，确定更新方案的综合评定值，是确立正确的土地利用规划目标所依靠的有力手段，它不仅可以对单一的目标进行评价，以确定它是否符合农业区划建设，社会、经济、环境发展的原则和农业更新的实际需要，而且可以对多种土地利用方案和目标进行比较和优选，从中选出最为合理的方案和目标。

空间管制评价:评价土地利用规划目标的实现程度，确定更新后的综合评定值，是对于更新以后的土地利用所进行的检测。它一方面对前一阶段的土地利用规划目标进行检验，另一方面为下一步的土地利用规划控制提供新的决策信息。

其评价体系主要由两大部分构成，即评价指标体系和评价方法体系。指标体系是整个评价程序的框架和基础，也是建立科学的评价方法的必要前提。因此，我们有必要建立一套较为完善的农业空间管治评价指标体系，使农业空间管治的评价在内容上趋于客观和全面.在结构上趋于系统和严密，使得农业空间管治的决策更为科学和合理。

(2)农业空间管治评价指标体系的建立

影响因素分析:影响农业空间管治的因素很多，诸如国家对国土资源开发利用、耕地保护、建设社会主义新农村的农业政策，国家的经济实力，农业的整体结构和功能，社会对土地利用规划更新的期望值，以及更新区域的社会物质条件等等。其中，对农业空间管治最具直接影响的因素是土地结构更新区域的物质和社会状况，农业的社会物质条件所包含的内容极为丰富，既包括土地结构、建筑建造、农业基本设施、道路交通等，也包括社会组织、历史文化、人文景观、农民收人等经济文化因素。它是土地结构更新地区农民生活质量和农业现代化的尺度和标志，也是农业土地结构更新评价指标的原始素材。因此，需要根据国家现行的各类相关法规和规程规范，全面综合地考虑农业空间管治的各种影响因素，建立评价指标体系。评价指标体系:根据其不同内容将其分为两大类。即空间准人评价体系和空间管制评价体系。

评价体系均以统一标准的位置(坐标)、高程、面积三种几何物理量作为评价指标。无缝镶嵌于数字农业空间管治信息分类体系中。图1为空间准人评价指标体系之一:农业生产控制评价指标体系。

3. 2数字农业空间管治信息数据质量指标确定

数据质量指标是农业空间管治数据质量控制的重要依据。根据对数据误差来源、性质、类型和大小以及产生的原因的分析。提出数据质量控制指标确定思路。

首先，数据质量是一个相对的概念，甚至衡量数据质量的标准也会随具体应用的特点和要求而变化。其次，数据质量本身具有不确定性，除了可度量的空间和属性误差外，许多质量因素是很不明显或是很难确定的。因此，数据质量问题中，有可以减小甚至消除的误差，也有很难检测和控制的因素。本文研究数字农业空间管治信息的数据质量控制，先仅针对其中可度量和可控制的质量问题而言，主要集中在数据源的信息采集、数字化处理和过程部分。数据质量不确定性另设专题研究。例如土地使用与管理单项空间管治数据质量指标确定，土地资源调查质量指标确定如图2所示。

根据上述确定的空间管治信息质量分类指标，可将空间管治信息质量分类指标归纳统计于表1.

从表1可确定出数字农业空间管治各种信息质量需求及数据采集所适宜的必要精度、方法与等级。

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《现代设计方法及应用》是实用性非常强的课程，对农业机械化领域一线的农业推广硕士来说有重要的意义．但在实际教学过程中，存在诸多问题制约了教学的效果和质量．1）从教学内容上讲，课程所讲的内容与本科生课程《现代设计方法》无本质区别，导致学生对专业的发展前沿动态知之不多，兴趣不浓厚．信息时代，数字化设计与制造的研究方兴未艾，知识在不断更新，因此课程内容的陈旧，易给学生造成所学知识过时，与本科课程毫无区别的错觉．2）从教学方法和教学手段上讲，仍是以课堂讲授为主，教师主导，学生被动接受，对项目教学和讨论教学等没有足够的重视，教学实践环节薄弱，形式单一．课程中的设计方法、算法大都已经集成到成熟的商业软件中，学生却没有机会接触这些软件，而它们恰恰是现在成熟装备设计制造类企业，如汽车，重工机械企业等研发过程中使用的主流软件．相对于装备设计制造类企业较成熟的与国际接轨的数字化设计与制造来说，农机行业，特别是中西部的企业稍显落后．攻读农业机械领域农业推广硕士的学生很多来自一线农机设计与制造类企业，如果他们不熟悉这些软件将十分不利于农业机械的发展与创新．对于攻读农业推广硕士学位的研究生来讲，学习《现代设计方法及应用》应该强调其应用性，然而现在的课程教学更多的是侧重数学、力学知识的讲解，课堂教学枯燥乏味．教学内容、教学方法和教学手段的相对滞后以及实验教学环节教学方式设计不合理是造成上述结果的主要原因．

2数字化设计与制造发展现状

“数字化”作为信息时代的显著技术特征初露端倪．机械工业是国家支柱产业，近年来在重大技术装备、汽车产品、农业机械装备和基础产品四个领域的发展也尤为迅速，对于产品的创新性以及数字化的要求也越来越高，机械工业的发展需要信息技术的支撑［9］．随着信息技术与机械工业的结合，以C3P（CAD／CAPP／CAM／PDM）为代表的计算机辅助设计工具CAX在机械工业界得到广泛普及，C3P更多地以软件接口实现数据集成，但对更高层次的设计如动力学分析、系统优化设计缺乏有效的支持．针对这些不足，现在计算机辅助设计更多地强调基于多体（Multibody）系统复杂机械产品的设计、基于本构融合的多领域（Multidomain）统一建模和基于多学科（Multidisciplinar－y）协同集成框架的优化设计，并逐步形成计算机辅助工程（Computer－AidedEngineering，CAE）相关平台工具．在企业信息化的设计管理方面，产品数据管理（PDM）得到拓延，已形成产品全生命周期管理（PLM）技术，M3P（Multibody／Multidomain／Multidisciplinary／PLM）已成为当前机械工业技术研究、开发和应用的时代特征［10］．农业机械现代化的战略制高点是农业机械设计数字化［11］．数字化设计与制造是从“中国制造”转向“中国创造”的新途径．将数字化设计与制造引入农业机械行业，将改变传统农业机械的设计与生产方式，使数字化技术能够改造传统农业机械设计与制造产业［12］，实现信息技术在农业机械领域的新应用［13］．

3应对措施

在《现代设计法及其应用》的教学中，拟以数字化设计统领课程的教学，从授课内容、方式和方法上进行课程建设，突出设计方法“计算机辅助（Computer－Aided）”的理念．从教学内容、教学方法和教学手段三个方面的改革与创新来进行课程建设，框架如图1所示：在教学内容方面，主要是优化课程内容结构，在实验教学中采用“基于项目的教学”．在教学方法上紧紧抓住“数字化”这一主线，突出计算机在设计方法中的作用．在教学手段上应用多媒体、CAI课件，讲课的过程中即时通过集成设计方法、算法的软件演示来讲授方法、算法的应用效果，打破以往的教学体系中课堂教学与实验环节相脱节的授课方式，在课堂教学中引出实验环节的内容，使课堂教学与实验教学做到相互贯通、互为补充、相辅相成，以提高总体教学效果，使得学生能更全面、系统地掌握专业知识．1）从教学内容上讲，课程讲授内容更新及时、紧扣前沿．对于《现代设计方法及应用》课程，拟主要讲授多体动力学仿真（柔性多体动力学会引入有限元分析）和多领域仿真的内容，补充讲解多学科优化方面的内容，这些都是CAE研究的热点，也是数字化设计的核心．通过项目组老师前期教学和科研的积累，可以为学生指定并提供相关内容的经典著作、文献参考资料．讲解框架如图2：对于整个现代设计方法体系，在C3P的基础上，着重讲解M3P的构架，成系统地讲解使得学生明确《现代设计方法及应用》在整个企业流程中所处的位置．PLM使学生了解企业如何进行数字化设计与制造的统筹管理以及产品全生命周期管理，让他们对现代企业设计制造工作流程有深入的了解．2）从教学方法和教学手段上讲，立足实践，把“应用现场”搬入课堂，改进实验教学环节．课程内容以讲解企业的实际应用为主，增加学生兴趣．授课过程中，在方法、算法讲解的基础上，辅助集成这些方法或者算法的成熟软件演示，使得学生在理论学习完成后，马上知道方法、算法的企业级应用，以达到强烈的“学以致用”的效果，把“应用现场”搬入课堂，使得学生了解现代设计方法的高效、直观和快捷的特点，引发学习热情，引入并倡导启发式、讨论式教学方法，将学生在实际工作中遇到的问题引入课堂，实现“以学生为主体、以教师为主导”的教学模式．针对学生设计工作中遇到的设计问题或农业机械类企业的设计需求．强调集成现代设计方法软件的应用．如动力学分析的MSC．ADAMS软件，有限元分析的ANSYS软件，多领域仿真分析的Dymola软件，优化设计方面的iSIGHT软件和Matlab软件的Optimization工具箱等等，采用企业设计需求的实验教学，提高学生使用现代设计方法分析问题和解决问题的能力．

4结论

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关键词:农牧业信息化;发展现状;发展趋势

0引言

进入21世纪以来,虽然基于工业社会要求的农业机械化、化学化、水利化和电气化在世界许多国家还没有全面完成,但随着信息技术的迅猛发展,以数字化为核心、网络化为趋势的信息化产业逐渐深入到社会的各个领域。信息化技术同时不断深入到农牧业生产的各环节中,形成了以数字化为特征的“数字农业”,给农牧业这个传统领域注入了新的活力[1]。农牧业信息化对于农业经济深入增长具有深远的影响,并且可以促进传统农业向现代化农业的转变[2]。加强农牧业信息化建设是发展现代农业的重要内容。

农牧业信息化是现代农业的重要标志,在驾驭农村市场经济中处于前置性的基础地位,是提高农业的综合生产力和经营管理效率的有力手段[3],是农业实现现代化的必经途径。随着信息社会和知识经济时代的到来,农业信息技术将在农业和农村经济的发展中发挥越来越大的作用[4]。没有农牧业的信息化,就没有国民经济的信息化,也就没有整个社会的信息化。农牧业信息化应当成为中国这个农业大国一种必然和必须的发展趋势,深入研究农牧业信息化是一项亟待探讨而且具有重大意义的课题[5]。

1农牧业信息化的概念

1.1信息化信息化概念包括信息和信息化两个最基本的概念。信息化是一个过程,与工业化和现代化一样,是一个动态变化的过程。在这个过程中包含3个层面和6大要素。所谓3个层面,一是信息技术的开发和应用过程,是信息化建设的基础;二是信息资源的开发和利用过程,是信息化建设的核心与关键;三是信息产品制造业不断发展的过程,是信息化建设的重要支撑。6大要素是指信息网络、信息资源、信息技术、信息产业、信息法规环境与信息人才。信息化就是在经济和社会活动中通过普遍采用信息技术和电子信息装备,更有效地开发和利用信息资源,推动经济发展和社会进步[6]。

1.2农业信息化

农业信息化有狭义和广义之分:狭义的农业信息化是指农业的数字化和网络化;广义的农业信息化是指农业全过程的信息化,在农业领域全面地发展和应用现代信息技术,使之渗透到农业生产、流通、消费以及农村社会、经济和技术等各个具体环节的全过程,从而极大地提高农业效率和农业生产力水平[7]。贾善刚指出:农村信息化的概念不仅包括计算机技术,还应包括微电子技术、通信技术、光电技术和遥感技术等多项信息技术在农业上普遍而系统的应用过程。

梅方权年认为,农村信息化是一个广义的概念,应是农业全过程的信息化,是用信息技术装备现代农业,依靠网络化和数字化支持农业经营管理,监测管理农业资源和环境,支持农业经济和农村社会信息化[8]。

农业信息化可以从4个方面来加以描述和概括:一是农业劳动者的高度智能化;二是农业基础设施装备信息化;三是农业技术操作自动自控化;四是农业经营管理信息网络化[5,9]。农业信息化不仅包括计算机技术,还应包括微电子技术、通信技术、光电技术和遥感技术等多项技术在农业上普遍而系统应用的过程。

农业中所应用的信息技术包括计算机、信息存储和处理、通讯、网格、多媒体、人工智能以及“3S”技术(即地理信息系统GIS、全球定位系统GPS和遥感技术RS)等。在发达国家,信息技术在农业上的应用大致有以下方面:农业生产经营管理、农业信息获取及处理、农业专家系统、农业系统模拟、农业决策支持系统和农业计算机网络等[5,10]。数字化作为农业信息化的核心内容,就是按人类需要的目标,对农业所涉及的对象和全过程进行数字化和可视化的表达、设计、控制和管理。在数字水平上,对农业生产、管理、经营、流通、服务以及农业资源环境等领域进行数字化设计、可视化表达和智能化控制,使农业按照人类的需求目标发展。数字农业主要包括农业要素(生物要素、环境要素、技术要素和社会经济要素)的数字信息化、农业过程的数字信息化(数字化实施和数字化设计)以及农业管理的数字信息化[1,11]。农业信息化实质是充分利用信息技术的最新成果,全面实现农业生产、管理、农产品加工、营销以及农业科技信息和知识的获取、处理、传播与合理利用,加速传统农业的改造,大幅度地提高农业生产效率、管理和经营决策水平,促进农业持续、稳定、高效发展进程。农业信息技术就是实现农业各种信息采集、处理、传播和贮存等方面的技术。

根据信息技术在农业应用领域的不同,主要分为气象遥感技术、卫星定位技术、农业专家系统和农业自动化技术等[4]。数字农业的本质是把信息技术作为农业生产力重要要素,将工业可控生产和计算机辅助设计的思想引入农业,通过计算机、地学空间、网络通讯和电子工程技术与农业的融合,在数字水平上对农业生产、管理、经营、流通、服务以及农业资源环境等领域进行数字化设计、可视化表达和智能化控制,使农业按照人类的需求目标发展[1]。

笔者认为,农业信息化是指涉农领域(农、林、牧、副、渔)所有对象的数字信息化,具体体现在农业基础设施装备的数字信息化、农业生产过程的数字信息化、农业资源环境的数字信息化、农业生产管理的数字信息化、农业经营管理的数字信息化、农业市场流通的数字信息化、农业劳动者的高度智能化以及农民生活的数字信息化,应用计算机技术、微电子技术、人工智能技术、自动控制技术、“3S”技术、通信技术和网络技术等高新技术实现农业的数字信息化,并付诸实施于农田精耕细作、病虫害防治、林区规划管理、畜禽渔业的生产操作自动化和数字化管理以及农民生活消费的网络信息化等方面,集农业科学、计算机科学、地球科学、信息科学以及网络科学等高端科学于一体的综合性领域。

1.3畜牧业信息化

畜牧业信息就是对畜禽品种资源的遗传育种、饲养管理、饲料营养、疫病防制、器械设备、畜产品加工及其经济利用的有关理论和应用研究中表现出来的信息,主要包括各种畜禽遗传育种信息、饲料营养信息、畜禽经济信息、生产和经营管理信息、疾病防治信息以及专家人才信息等内容。根据畜牧业结构和研究内容,畜牧业信息可以划分为畜牧业自然资源信息、畜牧业生产信息、畜牧业科技信息、畜牧业经济信息、畜产品市场流通信息、畜产品加工信息、疫病防治信息、饲料营养信息、器械设备信息和单位属性信息等类别[12]。畜牧业信息化指的是在畜牧业领域充分利用信息技术的方法手段和最新成果的过程。具体来说,就是在畜牧业生产、流通、消费以及农村经济、社会和技术等各个环节全面运用现代信息技术与智能工具,实现畜牧业的科学化与智能化过程。畜牧业信息化不仅包括计算机技术,还包括微电子技术、通信技术、光电技术和遥感技术等多种技术在农业上普遍而系统的应用。

畜牧业信息化的内涵至少包括以下领域:一是畜牧业生产管理信息化,包括畜禽疫病防治、畜禽饲养管理等各个方面;二是畜牧业经营管理信息化,包括与畜牧业经营有关的经济形势、畜禽供求、国民收入、固定资产投资、物资购销和物价变动等;三是畜牧业科学技术信息化,是利用信息技术快捷与方便的特点,改变传统的畜牧业技术推广方法和手段,加快科技成果的传播和转化,提高畜牧业的科技含量和竞争力;四是畜牧业市场流通信息化,指畜牧业生产资料供求信息、动物产品流通(需求量)及收益成本等方面的信息化[13]。畜牧业信息化具有丰富的内涵,主要包括:畜牧业信息服务系统化和网络化;畜牧业生产设施装备信息化;畜牧业技术操作机械化和自动化;畜牧业管理决策信息化;畜牧业劳动者的信息化和知识化等[14]。

笔者认为,畜牧业信息化是指畜牧业饲养设施的操作自动化及数字信息化、畜牧业生产管理的数字信息化、畜牧业经营管理的数字信息化、畜牧业市场流通的数字信息化和畜牧业劳动者的高度智能化等,运用计算机技术、人工智能技术、自动控制技术、无线射频识别技术、“3S”技术、通信以及网络技术,实现精细饲喂、科学育种、饲养环境的监控、疫情监测、疾病防治以及产品溯源等。

2农牧业信息化的发展状况

2.1国外发展状况世界农业信息化技术的发展大致经过3个阶段:第1阶段是20世纪五六十年代的广播、电话通讯信息化及科学计算阶段;第2个阶段是20世纪七八十年代的计算机数据处理和知识处理阶段;第3个阶段是20世纪90年代以来农业数据库开发、网络和多媒体技术应用、农业生产自动化控制等的新发展阶段。

农业自动化技术在美国、西欧和日本已广泛应用于工厂化养殖、工厂化蔬菜花卉生产、仓库管理、环境监测与控制以及农产品精深加工中,如配合饲料全部生产流程的自动控制、日光温室中温湿度控制、灌溉及采收自动化控制。通过研制和使用农业机器人,代替人从事一些繁重的农事操作,如苹果收获、挤奶、喷药、组织培养以及作物育种等方面。

美国自20世纪70年代以来将计算机应用逐步推广到农场范围。典型的农业信息化系统有:1975年,美国内布拉斯加大学创建了AGNET联机网络,现在已发展成为世界上最大的农业计算机网络系统;美国国家农业书馆和美国农业部共同开发的AGRICOLA;信息研究系统CRIS可提供美国农业所属各研究所、试验站和学府的研究摘要。

美国计算机在农牧业信息化中的应用已相当普遍。譬如:畜禽饲养的计算机化,有管理猪生产的计算机信息系统;管理农业机械化的计算机以及在在农副产品加工方面也有广泛的应用;其中,计算机在温室环境方面的应用最显其能。

早在20世纪80年代,日本农林水产省就“人工智能与农业”专门组织了一个调查委员会,列出了知识工程在农业中应用的一整套实施项目;日本已建立了一些农业生产自动化管理系统,如植物工厂的蔬菜生产管理系统(菠菜、番茄、黄瓜、茄子、西红柿和草莓等已进入批量生产)、陆田水田耕作、畜牧生产、家畜卫生系统、农业工程和机械管理系统等。

德国在农业科学研究中,已广泛使用电子、信息技术等监测和自动控制各种试验场所的温度、湿度、光照时间和强度、风向风速等各项要素,均自动监测和记录;德国还研究出许多用计算机编程控制的试验仪器和设备;在农业生产中,装有遥感地理定位系统的大型农业机械可以在室内计算机自动控制下完成各项农田作业[15-16]。

荷兰在畜禽养殖基础设施以及温室种植方面的信息化工作水平处于世界前列。荷兰的科研人员在十多年前应用数字化技术,在奶牛自动饲养管理系统Porcod系统的基础上研发成功母猪自动饲养Velos管理系统[17]。

目前,农业信息技术研究主要集中在以下各方面:农业信息网络技术、农业数据库系统、农业管理系统、农业专家系统、“3S”系统、农业自动化控制技术、多媒体技术、精准农业、生物信息技术以及数字化图书馆技术[15,18]。

2.2国内发展状况

20世纪70年代中期,计算机应用技术开始进入我国农业领域,少数农业研究机构开展了计算机农业应用研究,从此农业信息化逐步在我国农业生产当中得以发展应用,具体发展阶段[19]如表1所示。

表1我国农业信息化发展阶段

阶段时间主要内容起步阶段1981-1985年科学计算、科学规划模型和统计方法应用普及发展阶段1986-1995年数据处理(EDP)、大型数据库的建立和MIS系统开发提高阶段1996-2000年国家在“攻关”和“863”项目中都分别设置农业信息技术重大专题和课题快速发展阶段2000至今农业信息化技术全面向农业生产实际渗透.

我国农业信息化进程起步较晚。20世纪80年代以来,将系统工程、数据库与信息管理系统、遥感、专家系统、决策支持系统和地理信息系统等技术应用于农业、资源、环境和灾害方面的研究,已取得一些重要成果,不少成果已得到应用,有些成果已达到国际先进水平。如中国农业科学院草原研究所应用现代遥感和地理信息技术建立了“中国北方草地、草畜平衡动态监测系统”[20]。

中国国家科技部从1990年开始连续支持“农业智能应用系统”的研究与应用,“数字农业”渐成气候,已研制出棉花、水稻、芒果等多种作物的生育全程调控和农事管理专家系统,以及鱼病防治和苹果生产管理专家系统。“十五”期间,国家科技部等部门继续加大对以“数字农业”为主要内容的农业信息技术研究,以“精准农业”、“虚拟农业”、“智能农业”和“网络农业”等内容为切入点,组织实施“数字农业科技行动”。通过该行动的实施,突破一批“数字农业”的关键技术,建立数字农业技术平台,开发国家农业信息资源数据库,研究开发一批实用性强的农业信息服务系统,初步构建我国“数字农业”的技术框架,从而加速了我国农业信息化进程[1]。

2003年,科技部“863计划”在生物与现代领域启动实施了“数字农业技术研究示范”重大专项。这些专项以突破一批关键技术、研制一批数字农业产品、开发数字农业技术平台、集成示范应用为目标,构建我国“数字农业”的科学技术体系及示范应用体系。在农田信息自动采集、农田植物生长模拟与数字化设计、稻麦品质遥感检测、数字化种植技术平台构建等方面取得了突破性进展[21]。“863计划”智能计算机主题连续支持“农业智能应用系统”的研究与应用,已研制出棉花、水稻、芒果等多种作物的生育全程调控和农事管理专家系统,以及鱼病防治、苹果生产管理专家系统[22]。由农软开发的农牧场管理系统、育种分析系统和目前尚待完善的实验室数据分析系统、专家系统、决策支持系统等已在部分科研管理部门和现代化农牧场推广使用[15]。现在,国内研制的多媒体小麦管理系统(WMS)和棉花生产管理系统(COTMAS)都可以应用于生产[23]。我国与世界各国一样,畜牧业信息建设与利用也是从单机到网络的一个发展过程。在单机应用方面,主要用于生产管理和决策应用[12]。我国畜牧业充分利用以计算机为核心的信息资源优势,走畜牧业现代化和信息化的道路[24]。

3我国农牧业信息化发展面临的问题

目前,我国农业信息化存在的问题有:农民素质不高、信息化意识和利用信息的能力不强;农业产业化程度不高,难以形成正常的信息需求;网络成本较高,阻碍了信息化的普及;农业信息化基础工作水平低;信息技术实用性差,农业信息服务体系还没有完成,农业信息网络人才缺乏[25]。信息技术的进一步发展必须建立在网络化的基础上。我国的农牧业信息网络化的发展虽然对我国农牧业的发展起到了一定作用,但在建设过程中存在许多问题[12]。我国畜牧业信息化水平与发达国家相比还有很大差距,主要表现在:畜牧业基础设施薄弱,畜牧信息资源缺乏,尤其是能提供给用户的有效资源严重不足;畜牧信息技术成果应用程度低,严重阻碍了畜牧业现代化的发展,这也正是当前实施畜牧业信息化迫切需要解决的问题。目前,在畜牧业生产部门及基层畜牧场,由于受地域的限制和传统畜牧业的束缚,信息技术的普及远远不能同其他行业相比,从事畜牧行业的人员平均素质也远低于其他行业部门,尤其是基层的管理人员及边远的农牧场,其受教育程度普遍较低[26]。

笔者认为,我国农牧业信息化发展亟待解决的主要问题依然是农民科学素质的提高、信息化基础设施的建立与完善及完全解决“最后一公里”的难题。

4我国农牧业信息化的发展方向

1)网络化。信息技术发展是以微电子技术为基础、计算机技术和网络技术相互融合的高新技术。

2)智能化。信息技术的智能化发展进步很快,在农业上的应用也将得到长足的进展。农业专家系统、农业管理信息系统和农业决策支持系统的开发与应用是其中最突出的表现。

3)数字化。数字化内涵包含两层意思:一是随着数字技术的发展,原来的模拟信号被转换成数字信号,实现了在计算机网络上的高保真和快速传播,可以制成数字视频和音频信号在网络上传递,实现远程教育等;二是表现在科学计算可视化和虚拟现实技术[25]上。

建立统一的技术标准和规范,突破一批数字农业关键技术,建立数字农业技术平台,开发国家农业信息资源数据库,建立数字农业应用服务系统,通过系统集成和应用示范,逐步建立我国数字农业的科学技术体系。在统一的技术标准下,对数字农业关键技术进行研究开发,通过系统集成构建数字农业技术平台,初步形成我国数字农业技术框架。在我国不同生态经济类型和不同农业生产管理类型地区,对数字农业技术进行集成应用示范,取得显著的社会经济效益,促进当地农业信息化的跨越发展,加速农业生产由传统、粗放、经验型向智能、精准和数字化方向的转变,提高农业生产力水平。通过该行动的实施,突破一批数字农业关键技术,建立数字农业技术平台,开发国家农业信息资源数据库,研究开发一批实用性强的农业信息服务系统,初步构建我国数字农业的技术框架,加速我国农业信息化进程,并逐步实现农业生产的精确化、远程化、自动化和虚拟化[1]。

我国的畜牧业发展已经进入到了新的发展阶段,建设集约化、专业化和优质高效的现代畜牧业已经成为必然[27]。在推进信息化的过程中,要通过计算机网络及通讯技术,把畜牧信息及时与准确地传达到用户手中,实现畜牧生产、管理和畜产品营销网络化,加速传统畜牧业的改造和升级,大幅度提高畜牧业生产效率、管理和经营决策水平[26];改变传统的畜牧业模式,使农民依靠信息引导进入市场、组织生产,走畜牧业现代化和信息化之路;加强对畜牧信息化工作的宣传,提高人们的信息意识和利用信息的能力积极促进畜牧业信息化的发展[24,26]。当前,现代信息技术与农业融合所衍生的“精准农业\"、“虚拟农业\"、“智能农业\"和“网络农业\"等均是数字农业的不同侧面,成为农业信息化发展的方向[28]。

笔者认为,我国农牧业信息化应逐步实现农牧业生产的操作的全面自动化以及完全智能化,并最终进入网络化农牧业。

5我国农牧业信息化的作用

农业信息化、智能化、精确化与数字化将是信息技术在农业中应用的结果,必将大大推动农业信息化,推动农业向高产、优质、高效及可持续方向发展。

作为21世纪农业的重要标志,发展数字农业及相关技术是我国发展现代农业必然选择的支撑技术,因此将数字农业确立为解决“三农”问题的平台,符合时展的需要。数字农业展现了美好的前景,它将极大解放农业生产力,改变农业作业方式,实现农业生产质的飞跃[1]。先进的信息收集、处理和传递技术将有效地克服农业生产的分散化和小型化的行业弱势。

强大的计算能力、智能化技术和软件技术,使农业生产中极其复杂和多变的生产要素定量化、规范化和集成化,改善了时空变化大和经验性强的弱点。将信息技术与航空航天遥感技术(RS)、农业地理信息系统技术(AGIS)以及全球定位系统(GPS)等相结合,加强了对影响农业资源、生态环境、生产条件、气象、生物灾变和生产状况的宏观监测与预警预报,提高了农业生产的可控性、稳定性和精确性,并能对农业生产过程实行科学与有效的宏观管理[5]。信息自动化技术使现代的养殖业有了根本性的改变,是形成统一标准化饲养的一种优化养殖方式。它有利于优化畜牧业区域布局;有利于解决人畜混居、相互交叉感染问题;有利于减少与外界接触,减少传染病的预防发生;有利于改善农民的生活环境,保护人们的身体健康;有利于改善畜禽养殖环境和生产性能的发挥;有利于提高畜禽的品质;有利于先进技术和设备的推广和生产效率的提高;有利于畜禽生产的宏观管理和相互之间的协调,从而促进畜禽业迅速发展,提高养殖者的经济效益[29]。同时,利用计算机控制实现自动补料、补水和补光等作业,节约劳动力。另外,通过多媒体模拟,可以在最适宜时期扩大生产,在市场行情最佳时销售,从而获得最大利润[30]。

广泛应用现代信息技术,促进农业和农村经济结构调整,增强农业的市场竞争力,发展农村经济,建设现代农业,增加农民收入,加速农村现代化进程,促进农业生产过程实现自动化和高效益化;通过计算机对来自于农业生产系统中的信息进行及时采集和处理,根据处理结果迅速地去控制系统中的某些设备、装置或环境,从而实现农业生产过程中的自动检测、记录、统计、监视、报警和自动启停等,实现农业自动化生产和对自然环境的实时监测[4,23]。传统的农业生产方式得以改造,农业生产效率将大幅度提高,生产成本下降;加快新品种选育,提高病虫害预测、预报和防止水平,减少损失,增加产出,获得更大的效益,这将提高人类对自然的认知能力,最大限度地控制和利用水、土、气等自然资源,减少农业生产的不稳定性[29]。科学指导农业生产管理,增加农副产品产量,提高农产品质量,降低农业生产成本,提高经济效益;实现科学化管理,提高对农业和农村经济发展的政策决策水平,最大限度避免自然灾害对农业造成的损失。

6结束语

推动农牧业信息化有利于实现农牧业生产的全面自动化及数字化;有利于降低农业生产的成本,提高农业生产的效率;有利于农牧业生产的集中管理,有利于降低传统农业靠天吃饭的不稳定性;有利于减少农产品市场波动,提高农业市场流通效率,从而增加农业生产的经济效益。

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篇5

摘要：数字农业中大量时空数据分散在异构系统中，有着不同格式规范、概念术语、数学模型和分析推理方法。采用时空推理、本体论、语义Web和专家系统等技术建立一个数字农业时空信息管理平台，对多源、异构的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。基于该平台构建数字农业应用系统更加方便快捷。

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。

（2）由于大量的底层服务、数据、知识和方法由平台集中统一提供，简化了开发数字农业应用软件的工作，节约了成本。

篇6

[关键词] GIS；可视化；数字高程模型

[作者简介]李原存（1986—），男，东华理工大学测绘工程学院土地资源管理专业硕士研究生，主要研究方向为土地信息技术。（江西南昌 330013）

一、引言

土地资源是人类赖以生存和发展的物质基础，是不可再生的自然资源。土地的总面积是有限的，同时，一定区域内不同利用方式的土地也是有限的。我国是一个农业大国，人口众多，土地资源分配不平衡，山地、丘陵多，平地较少，后备耕地资源不足且耕地质量差。20世纪90年代，我国城市化进程加快，为了满足城市发展用地的需求，大量耕地被征用转为建设用地，致使耕地流失严重，给我国的粮食安全和土地的可持续利用带来了不利的影响。

土地整理能有效地增加耕地面积和提高耕地质量，改善农业生产条件，成为新时期协调人地关系，缓解人地矛盾，促进土地利用动态平衡的主要措施，受到政府的高度重视。土地整理是一项复杂的系统工程，可分为前期研究阶段、规划设计阶段、施工设计阶段，以及工程施工阶段。在整个过程中涉及自然、经济、社会等诸多因素，需要多技术支持。近年来，国内的一些学者对土地整理及其规划技术进行了大量研究，改进了传统的整理方法，促进了土地整理体系的建立和完善。

GIS技术作为计算机空间科学的一个分支，在计算机技术快速发展的背景下也有了突破性的发展，其强大的空间分析功能，空间插值等功能，在土地评价、土地利用规划、土地分等定级等方面得以广泛的应用。近年来，众多学者开始研究将GIS技术引入到土地整理过程中，使土地整理在GIS平台上直接进行，借助于GIS技术的图形编辑功能和空间分析功能建立虚拟地理环境可视化模型，使土地平整、农田水利、道路、其他土地整理规划设计直接在可视化模型下进行并取得了良好的效果。

可视化技术作为一门新兴的实用技术，由于能直观、动态、多角度地表达地学现象，已在城市设计、水土保持、土地监督、土地整理等领域发挥着日益重要的作用。它不仅可以应用到土地整理的规划设计阶段，还可以应用到土地整理潜力评价和土地整理效益评价当中。目前已有一部分学者研究将可视化技术运用到这两个方面并且取得了一些成就。本文是关于可视化技术在土地整理运用方面成果的总结。作者希望，本文不仅为读者提供有关土地整理可视化研究成果的综述，让读者了解可视化技术在土地整理过程中运用的方法，还能从中找出可视化技术在土地整理中运用的新方法，拓宽可视化技术在土地整理中的运用方式。

二、国内外研究概况

（一）国外研究现状概述

土地整理的概念首先出现于德国巴伐利亚王国的法律中，德国、法国、前苏联、加拿大沿用至今，日本称为土地整治（整备）、台湾称为土地重划。

各国学者从不同的角度对土地整理做出不同的定义，同时各国土地整理的任务与研究内容的侧重点也有所区别。德国的土地整理工作在19世纪主要是将分散、零碎的农地集中连片，改善农业生产和劳动条件；20世纪90年代，土地整理趋于综合化，以自然资源和人文景观合理规划协调农业利益与自然保护和景观保护集中于一体。在土地整理可视化技术方面，由于国外的GIS技术发展较早，空间分析与图形编辑功能改进较快，德国在此基础上以GIS为开发平台建立了土地整理信息系统，将土地整理各种数据、图件和权属状况等资料存储于该系统，实现了对土地整理数据与图件的可视化查询与编辑、分析等操作。此外，近年来三维GIS概念的提出？熏使可视化技术在土地整理中运用趋于三维图形的显示，土地整理的各种数据也可以在三维GIS技术的支持下实现3D分析。

（二）国内研究现状概述

我国是开展土地整理最早的国家之一。我国殷周时期的井田制，以及后来的屯田制，北魏时期的均田制可以视为土地整理的雏形。国土资源部将土地整理定义为：按照土地利用总体规划与城市规划所确定的目标和用途，采取行政、经济、法律、工程技术手段，对土地利用现状进行综合整治、调整改造，以提高土地利用率，改善生产、生活条件与生态的过程。我国的土地整理工作的开展主要集中在农地整理，解决农业生产中的土地利用问题，改善农业的用地环境，从而提高农业用地的利用率、产出率，维护景观、生态环境的平衡。

目前我国可视化技术在土地整理的运用主要是借助计算机辅助制图（CAD）软件实现的，单体设施施工图主要是与相关行业的专家协同工作绘制的图形。预算则是根据规划和单体设施工程一起计算得到的结果。但是GIS技术的成熟与快速发展及在交通、电力、电信、城市规划等方面的成功运用，使一些学者开始研究把土地整理建立在GIS平台上实行操作。其中一部分学者把土地整理规划设计的基础数据、规划成果，通过GIS二次开发建立特定的空间信息系统，分图层、分区域，形象地显示地理数据，并运用空间分析可视化技术，直观显示分析过程，为土地整理提供了辅助决策。此外，国内的一些先进的学者在接触到三维GIS的理念后开始研究土地整理的三维可视化，通过获取的整理区的地理数据进行3D分析建立整理区数字高程模型，再在此模型上进行分析整理操作，最后重建数字高程模型，显示整理后的土地利用状况。这种技术目前来说在国内应用还较少但却是以后土地整理可视化的发展方向，并且这种可视化技术能很好地、直观地、动态地、真实地显示整理后的状态，对土地的整理工作提供了很大的帮助和支持。

三、相关文献回顾

当前可视化技术在土地整理中的应用总体上可以分为两个方面：即土地整理三维可视化和二维可视化显示。其中三维可视化在土地整理中的应用还处于刚刚起步阶段。而二维可视化技术却已经应用在了土地整理潜力评价、土地整理适宜性评价和土地整理规划设计中，下面就对以上几种可视化技术在土地整理中的应用进行相关回顾。

（一）土地整理潜力评价可视化

这种整理潜力评价可视化的大致方法为先把土地整理综合潜力分为三步进行。第一是整理区景观改善潜力可视化表达与分析。运用ARCGIS软件的叠加分析将核心景观区、一般景观区、缓冲区需要整理的耕地进行叠加，用遥感影响分析植被指数，根据设定的评分标准对各区域耕地进行景观改善评分。第二是耕地提高潜力可视化表达与分析。耕地质量提高评分体系根据实地调查的数据与预期理想粮食产量的差值来评分。运用Field calculate计算各村耕地质量提高潜力分值，根据评分结果绘制耕地质量提高潜力分析图。第三是耕地面积增加潜力可视化表达与分析。按照耕地的坡度（5度）分别选取典型样区，调查耕地中其他农用地之和占耕地面积的比例，以及整理后其他农用地面积之和占耕地面积之比例，以耕地面积增加比例为依据设定评分标准，根据评分结果绘制耕地面积增加潜力分析图。随后整理地块的不同位置，引进专家决策意见给各评价因子赋予权值，然后对各评价因子进行加权叠加，结果为土地整理综合潜力评分，根据评分结果绘制土地整理综合潜力分析图。最后提取整理区的高程点，运用ARCGIS中ARCTOOL BOX模块中的3D分析功能，建立TIN生成整理区DEM，选择土地利用现状图，土地整理规划图遥感影像作为纹理，根据三维显示需要设定颜色。这样土地整理的综合潜力就在三维地形图显示出来了。

（二）土地整理适应性评价可视化

整理适应性评价化的基本方法是将整理区的的等高线进行栅格化处理，接着利用ARCGIS对高程点文件进行插值处理，然后用ACTOOL BOX模块下的3D分析对已经进行过插值过的高程数据进行处理生成整理区的数字高程模型，这就为土地整理适宜性评价提供了依据。根据整理区的现状，对整理区进行栅格化处理，按照一定的标准划分栅格单元，每个栅格单元作为土地整理潜力评价单元，接下来根据整理区的具体条件确定整理土地的主导制约因素，建立适宜性评价因子。对整理区土地利用现状图数字化，然后对数字化的数据栅格化，以便于加权评价。在获得各评价因子栅格数据的基础上利用ARCGIS软件根据评价模型对各评价单元进行空间叠加运算。利用ARCGIS重分类功能将土地整理的适宜性分为基本适宜（>75）、度适宜（50-75）、临界适宜（25-50）和不适宜（

（三）三维可视化在土地整理规划设计中的应用

这种三维可视化的土地整理规划设计可以模拟出整理规划后的地物场景，具有较强的立体感、真实感。其主要的方法是提取整理区的高程点，在ARCGIS的ARCTOOL BOX模块下用3D分析创建TIN生成整理区的数字高程模型，然后按照田、水、路、林、村分类进行整理规划设计。在农田平整中调用出已经建立好的TIN文件，以规划后每个田块的ID号作为划分TIN文件的单位，从数字高程模型中读取待平整田块的高程值，计算平均高程作为田块的理想高程，通过ID号检索待平整区域，以设计田块的高程值对待平整区域的高程点的属性值进行修改，修改后重建TIN就得到了农田平整后的数字高程模型。道路与沟渠设计的实现，在ARCTOOL BOX模块下调用整理后的道路和沟渠的线数据，运用空间分析的功能对线数据进行加宽使其变为面数据，然后在ARCSCENE中将缓冲区分析后的道路和沟渠数据加载到TIN表面。这时要对道路的基础高程进行选择，选择TIN作为它的基础高程。然后生成整理后的数字高程模型，最后调用三维符号库里的符号对重建的数字高程模型表面上的地物进行替换，这样就形成了整理规划后的三维立体景观图。

四、结论

上述的三部文献都建立了整理区的数字高程模型，很好地模拟出了整理区的地形状态，为项目的进行提供了可靠的依据。在第一部文献中，作者将可视化的技术引入到了土地整理潜力评价当中，不仅实现了评价过程的可视化，还实现了评价结果的可视化，不仅实现了评价结果的二维可视化，还实现了评价结果的三维可视化，这种设计方式很好地直观地显示了整理区内整理潜力的高低，对整理工作具有重要的指导意义。在第二部文献中，作者将整理区的三维平面图形进行栅格化的处理划分成评价单元，并且通过实地调查选取了影响项目区整理工作的限制因素和主要的评价因子，并且通过评价模型对评价因子进行分析，得出了每个评价单元的适宜程度，而且通过二维图形显示出来，这种方法很好地将整理区的适宜程度展现在二维平面图上，但是没有实现评价结果的三维可视化。因此，三维可视化技术在土地整理适宜性中的应用是这方面的研究方向。上述的第三个文献中作者打破了传统的利用CAD进行整理设计，而是运用ARCGIS建立整理区的数字高程模型，在模型中进行整理设计。特别是在田块整理过程中打破了传统的只能设计田块形状的束缚，在数字高程模型下进行田块的整理不仅可以整理其形状还可以进行田块平整，并将结果以三维图形的形式显示出来，直观动态地看到整理后的田块的形状和高度。此外，对于道路沟渠的设计，通过空间分析将其转换成了面状文件并加载到数字高程模型中，打破了传统中只能用线文件表示沟渠和道路的束缚，在数字高程模型中很真实地模拟出了道路的路面状况。这些创新的设计都是值得我们学习的地方。数字高程模型的建立可以很直观、动态地模拟出项目区的地形起伏状况，为整理工作提供了可靠的依据，上述的三篇文献中也都在项目开始时构建了数字高程模型，可见三维可视化技术在土地整理方面的应用是今后此方面的研究热点和重点。

[参考文献]

[1]李睿璞，卢新海，马才学.基于GIS的农用地整理三维可视化[J].农业工程学报，2010，（5）.

[2]许榕焓，张海涛，陈家赢.基于GIS与虚拟现实技术的土地整理规划研究[J].数学的实践与认识，2010，（4）.

[3]李睿璞.基于RS、GIS土地整理的应用研究[D].武汉：华中农业大学，2008.

[4]孙华生，郭熙，李耀兰.基于GIS的耕地整理潜力分析[J].广东土地科学，2004，（2）.

[5]陈家赢.基于虚拟地理环境三维可视化模型的农用地土地整理规划设计[D].武汉：华中农业大学，2007.

篇7

摘要：本文探讨了现代测绘技术的发展现状，并介绍了在矿山测量、湿地、水利工程和精准农业四个方面的应用。关键词：测绘；应用；发展

随着现代测绘技术的出现，无论在学科理论，或在技术体系，以及应用范围上都取得了重大的发展，甚至可以说是重大的变革，从而也将彻底地改变传统测绘的生产方式。现代测绘产业以“3S”技术为特征，现代测绘技术已经成为人类研究地球及自然环境，解释某些自然现象，解决人类社会可持续发展等重大问题的重要工具。一、现代测绘技术的发展概况(一)GPS的发展全球定位系统(GPS)是美国从20世纪70年代开始研制，于1994年全面建成的利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。1996年2月，美国总统令宣布GPS为军民两用系统，标准定位服务对民用开放，2000年5月，美国总统令SA关闭，价格不贵的民用GPS接收机能将其水平定位精度从不低于100m提高到15～20m，民用GPS的具备了真正的实用价值。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，GPS的应用领域正在不断地开拓，目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。GPS已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。GPS作为一项引起传统测绘观念重大变革的技术，已经成为大地测量的主要技术手段，也是最具潜力的全能型技术。GPS定位技术与常规地面测量定位相比，除具有对测站选择更灵活、更适应不利条件、全天候连续作业外。还具有比任何地面常规技术供数量更多、精度更高的数据信息。(二)遥感技术的发展遥感包括卫星遥感和航空遥感，航空遥感作为地形图测绘的重要手段已在实践中得到了广泛的应用，卫星遥感用于测图也正在研究之中并取得一些意义重大的成果，基于遥感资料建立数字地面模型进而应用于测绘工作已获得了较多的应用。自20世纪初菜特兄弟发明人类历史上第一架飞机起，航空遥感就开始了它在军事上的应用，从1972年第一颗地球资源卫星发射升空以来，美国、法国、俄罗斯、欧空局、日本、印度、中国等国家都相继发射了众多对地观测卫星。遥感信息获取技术已从可见光发展到红外、微波：从单波段发展到多波段、多角度、多极化；从空间维扩展到时空维；从低分辨率发展到高分辨率甚至超高分辨率。遥感平台有地球同步轨道卫星、太阳同步卫星、太空飞船、航天飞机、探空火箭，并且还有高、中、低空飞机、升空气球和无人飞机等：传感器有框幅式光学相机，缝隙、全景相机、光机扫描仪、光电扫描仪、CCD线阵、面阵扫描仪、微波散射计、雷达测高仪、激光扫描仪和合成孔径雷达等，它们几乎覆盖了可透过大气窗口的所有电磁波段。(三)GIS的发展地理信息系统作为多个学科、多种技术交叉融合的产物，至今只有40多年的历史。地理信息系统起源于20世纪60年代加拿大和美国学者的在土地和交通方面的地理信息研究。1998年1月31日美国前副总统戈尔在加利福尼亚科学中心的一次讲演，在该讲演中戈尔正式提出数字地球的概念。地理信息系统作为对空间地理分布有关的数据进行采集、处理、管理、分析的计算机技术系统，其发展和应用对测绘科学的发展意义重大，是现代测绘技术的重大技术支撑。二、现代测绘技术的应用现代测绘技术作为一门新的信息科学在经济和社会可持续发展的诸多领域正发挥着愈来愈大的作用。在这里主要介绍现代测绘技术在矿山测量方面、湿地方面、水利工程方面和精准农业方面的应用情况。

(一)矿山测量方面遥感技术在矿山测量中的应用已经历了较长的时间，并积累了丰富的经验。应用遥感资料，可获取矿区实时、动态、综合的信息源，对矿区环境进行监测，为矿区环境保护提供决策支持。遥感资料用于找矿、矿区地质条件研究、煤层顶底板研究等方面都已得到应用，所有这些，都说明遥感技术应用于矿山测量是矿山测量实现其现代任务的重要保证。利用GPS技术进行矿区地表移动监测、水文观测孔高程监测、矿区控制网建立或复测、改造等。其应用于矿山测量工作的地面部分已成为现代矿山测量的一项重要支撑技术。以矿区资源环境信息系统为平台，以各种测量技术为数据获取的途径，可以建立集数据采集、处理、管理、分析、输出于一体的自动化、智能化的技术系统，作为矿山可持续发展的决策支持系统。(二)湿地方面利用遥感技术对湿地生物资源的分布、生长状况及其变化进行估测。利用遥感技术多层次、多时相的动态监测功能获得及时可靠的数据，通过地理信息系统技术进行相关数据的实时更新，并对这些数据进行空间分析，可得到湿地的动态变化情况。应用遥感和地理信息系统技术，获取湿地生态环境质量分析评价所需要的数据，借助GPS技术进行水质采样调查、植被样方调查、土壤采样等常规野外调查。根据湿地信息系统的功能，可将其划分为两大类：查询服务型信息系统和决策支持型地信息系统。(三)水利工程方面遥感技术能够实时地对大江、大河和湖水水位进行监测，可实时监测洪水灾害面积。RS和GIS集成能及早预报洪水淹没范围和干旱灾情范围，为防灾、抗灾提供准确信息。在水利枢纽工程竣工后，需对水库大坝、大型桥梁等进行连续的、精密的监测。现代测绘技术提供了连续、实时的安全运行监控手段。利用全数字摄影测量或数字测图技术建立数字地面模型，应用GIS的分析决策功能，可以方便快速地进行水库大坝选址、库容计算、引水渠修建、受益范围等设计工作，为开发利用水资源提供科学依据。目前，大中城市都有由数字测图技术或全数字摄影测量技术建立的城市数字地形图，给排水管线的规划、设计可在数字地形图上进行。(四)精准农业方面精确农业中，利用GPS技术对采集的农田信息进行空间定位；利用RS技术获取农田小区内作物生长环境、生长状况和空间变异的大量时空变化信息；利用GIS技术建立农田土地管理、自然条件、作物产量的空间分布等的空间数据库；对作物苗情、墒情的发生发展趋势进行分析模拟，为分析农田内自然条件、资源有效利用状况、作物产量的时空差异性和实施调控提供处方信息。GPS、RS、GIS技术及自动化控制技术为支撑的精确农业将促进现代农业的发展。它能够收集土地利用现状、植被分布、农作物的生长情况、农作物的灾情分布、土壤肥力等多种信息，将信息技术与农艺、农机有机地结合起来，最大限度地优化各项农业资源与生产要素的合理分配，获取高产量和最大经济效益，同时又能有效地保护生态环境和农业自然资源，有利于农业的可持续发展。

三、结语以“3S”一体化或集成为主导的空间信息技术体系已逐渐成为测绘学或地球信息学新的技术体系和工作模式，其先进性、时效性明显。现代测绘技术将朝着高科技、自动化、实时化和数字化方向发展。

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Abstract: Digital Earth is a digital earth, with the continuous development of GIS technology. It is through the mass storage, multi-resolution, integrated 3S, simulation and virtual networks, and the advantages such as high-end technology, more and more used in more areas. Means to achieve the digital processing and maximize the use of Earth resources. The establishment of Digital Earth's space technology, information technology, network and technology environment to a certain stage of development of the combination product.

关键词:数字地球;理论基础;应用

Key words: produce;theoretical basis;application

中图分类号:P2 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)29-0110-01

1数字地球产生

随着GIS技术的进一步发展,不同种类的GIS组合、交融,加之宽带网络、仿真、虚拟现实等各种技术的支持,数字地球也就应运而生。地球的空间表达方式,由过去的模拟地图到数字地图是数据的处理技术的飞跃,由数字地图到地理信息系统是信息技术发展的本质飞跃。

什么是数字地球?按照戈尔的描述,数字地球是指一个以地理坐标经网为依据的、具有多分辨率的、海量数据处理和多位现实的虚拟系统。确切的说,数字地球是以地球为研究对象,以地球坐标为依据、具有多分辨率、海量数据和多种数据相匹配的多元体的结合,并可以用多媒体和虚拟技术进行多维的(立体的和动态的)表述,具有空间化、数据化、网络化、智能化和可视化高尖端的系统。简单地说,数字地球就是一个整个地球经数字化之后由计算机网络来管理的海量信息技术系统。数字地球将有关地球上每一点的全部信息,按地球的地理坐标加以整理,然后构成一个全球的信息模型。这样,人们可以快速、形象、完整的了解地球上的任何一点、任何方面的信息,从而实现“信息在指尖上”的梦想。

2数字地球的理论技术基础

作为一个技术系统,数字地球是遥感图像处理系统、地理信息系统、全球定位系统、宽带网络以及仿真和虚拟技术等现代科技的高度综合,是信息技术发展的必然结果。据不完全统计,在自然与人类社会的信息流总量中,具有地理参考特征的各种信息流量占总信息流量的80%左右。自然而具有地理特征属性的空间信息均与地球有关,因此在进入信息时代的社会中,提出数字地球的概念,创建数字地球,以至于在各个领域中应用数字地球,是必然的事情。地球信息科学是数字地球的理论基础,包括地球系统理论和信息科学理论、地球耗散结构与自身组织理论和地球分形与自身相似理论等。数字地球主要由空间数据、文本数据、操作平台、应用模型组成。

数字地球的发展需要关键技术的支撑。主要包括7大关键技术:对地观测技术,位数字地球提供空间数据源,是数字地球发展的“血液”供给者,同时,GIS/GPS/虚拟现实技术很重要;海量存储技术,为数字地球的应用储备“能量”;科学计算,可以解决辅助决策问题,同时还能促进产生知识的试验和理论方法创新;宽带技术,通过分布式的数据库存储海量数据,而这种分布是数据库之间只有通过宽带技术,才能实现数字地球海量数据的调用与共享;互操作技术,万维网络通过一种简单的、通用的网络协议使其被广泛应用。数字地球也需要通过一种简单的互操作技术提高地理信息的可读性与可操作性;元数据管理与存储技术;格网技术,格网是将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体的分布是集成系统,数字地球的格网计算使一些常规的计算资源、空间信息资源形成一个无缝的集成协同计算环境,为海量数据空间分析提供计算资源的支持。

3数字地球的未来应用领域探究

数字地球的应用可以分为全球层、国家层、区域层3个层次。全球层是指一整个地球为研究对象,主要包括全球气候变化、全球植被与土地利用、土地覆盖变化、生物多样性变化、全球海平面及海洋环境变化、全球地形变化及地壳运动检测、全球经济发展水平检测与评估等;国家层是指一个国家为对象,包括资源、环境、经济、社会、人口的动态监测与分析作为研究对象,尤其对于农作物种植面积、长势及估产、洪涝、旱灾等的监测;区域层是指以城市、集镇、农村、社区为对象,包括信息化带动传统产业升级,经济社会发展态势、管理与服务等。

3.1 “数字农业”“数字农业”是指运用数字地球技术,包括多种分辨率的遥感技术,遥测技术,全球定位系统技术,计算机网络技术,地理信息系统技术等信息技术;和土壤快速分析,自动滴灌与喷灌技术及其自动耕作与收获,处理与保存的智能化农机技术等相结合的,定位到中小尺度的农田,在微观尺度上直接与农业生产活动与生产管理相结合的高新技术系统。

3.2 “数字城市”为了应对城市规划、建设管理工作的更高、更快、更强、更新的要求,数字地球将会在未来的一段时期内越来越多的应用到城市领域,形成“数字城市”,它是21世纪的发展方向,结合当今世界信息化发展现状,“数字城市”将会涉及到城市的各个方面,诸如政务领域的信息化建设,农业领域的数字化建设等。

3.3 “未来数字化战场”通过数字化部队用数字式通信系统把战场上所有的武器平台合传感系统连接到一起,为作战指挥部提供所需要的信息,并使作战部队能迅速而方便的横向和纵向交流。

3.4 “数字矿区”通过“数字矿山”建设拓展矿山企业的生存与发展空间,促进矿山企业组织结构的优化,提高企业的快速反应能力,大力改善区域环境等,从而实现矿区资源、环境和社会经济相协调的可持续发展之路。

4结语

我国通过应用现代测绘学已经建成的国家1:100万和1:25万数字化地图数据库是国家法定的空间数据框架,但是同时还需要国家和省市两级建立以航天和航空遥感影像为基础的国家级1:5万和省级1:1万数字空间数据库,从而可以获得直径1米分辨率的我国地面影像,这些都将为我国的“数字地球”打下基础。

参考文献:

[1]刘世罡,付莹.浅释数字地球[J].民营期刊,2008(9):52-52.

[2]缪小燕,高飞.“数字地球”与“数字农业”[J].农业图书情报学,2004,(2):30-33,37.

篇9

关键词：数字技术;农庄改造;生态;效率

数字技术改造指综合运用地理信息技术、计算机辅助设计、大数据技术和多媒体等技术,对农庄的地理空间数据进行获取、分析、处理和辅助决策服务的技术系统,实现农庄的农业资源、空间资源、生态环境、客源管理等的科学化、智能化、智慧化。数字技术对农庄的改造,促使传统农庄规划中出现的不科学、不合理、不完善的现象得到解决。本文以福建省南平市博远农庄为例,运用数字技术进行改造规划,探讨传统农业园区数字化改造的理论与方法,以期为该类农业园区规划提供借鉴。

1数字技术对农庄改造的启示

1.1促进农庄规划的科学化由于农庄改造规划设计过程需要大量基础资料分析整理,所需基础资料数据量大,涵盖面广,而传统农庄的基础数据还没有完全数字化,数据缺乏高效管理,造成许多数据丢失和数据变动问题,这就在不同程度上对规划方案造成了影响,并随之出现一系列问题,如:景观营造缺乏对基础自然资源现状的充分利用和尊重,破坏农业观光的本质;缺乏科学规划和可持续发展的指导,影响农业的可持续发展等问题,要解决这些问题,便需要对农庄进行科学化的规划改造。运用数字技术对传统农庄进行改造,有利于实现社会、空间、环境的一体化的规划目标,从而促使理论与实践的有效结合。例如运用数字技术之一的地理信息系统,在计算机系统支持下,可对农庄的地理空间信息进行采集、存贮、查询、处理、分析与可视化表达。其主要功能是对地理空间数据进行科学管理和综合分析,反映地理对象空间分布特征及其拓扑关系,描述地理信息的动态演变,时空建模,分析地理系统的演化过程,最终进行科学决策[1]。

1.2促进农庄管理的智能化空气温湿度、土壤温湿度、风向、风速、雨量等数据都是农庄的经营管理过程中非常重要的生态数据,通过云计算、物联网等新的数字技术的支持下,这些数据将被传输到服务管理平台进行分析处理并形成参考信息,农庄可据此对农作物及其他相关管理内容做出安排。并且农庄管理者可在物联网终端上浏览智能温室内蔬菜的实时生长情况,从而进行精细化种植。通过屏幕便可查看农作物的生长环境,为其量身定做灌溉和营养计划。依托于云计算等先进的数字技术,大力推进农庄创新,建设适合城市人群需要的特色农庄,才能让人们在繁忙的生活中体验大自然带来的清新,享受真正的绿色生活,向往智能化的生活环境[2],提高城市生活的服务效率[3]。

1.3实现农庄服务的智慧化农庄服务的智慧化就是通过物联网基础设施、云计算设施、地理空间基础设施等数字技术手段,融合社交网络、APP等终端工具和方法,实现数字反馈的时效性。农庄服务的智慧化可强化客户关系管理。农庄应将与客户的线上交流活动与线下跟踪活动相融合,做好线上的客户意愿咨询与线下交易的无缝对接,有效提升生态农庄与客户及潜在客户间的交流与互动效率。这便要求生态农庄通过微博平台和微信公众号等数字社交网络平台来关注客户的个性化需求、变动趋势[4]。外地客商也可通过物联网终端平台上浏览大棚内蔬菜的实时生长情况,农作物的生长环境,真正实现溯源清晰。

2数字技术在博远农庄改造中的应用

2.1前期资料数字化收集与处理基础资料数字化收集与处理是各类规划的基本保障,是景观规划或景观设计初期的主要任务,所以对博远农庄改造项目规划前期的基础数据收集,起到非常重要的作用和功能。数字化收集与处理主要分为:平面数字收集与处理即资料收集、数据共享与信息交流,空间数字收集与处理即空间分析与信息提取、景观处理等方面,下面就针对这点,依例进行简要的分析和阐述:

2.1.1平面数字收集与处理数字技术在农庄改造应用的过程中,首先是利用多媒体和网络技术等方面,将计算机作为主要的媒介,通过对其相关信息和数据的收集、规划、远程等方式,有效地实现信息、目录检索与查询、改造信息、方案征集、网络会议、网上方案评价等方面的功能。同时,在数字技术应用的过程中,通过利用互联网技术中的相关功能,可以有效地实现规划信息和数据共享功能,从而有效地提升农庄改造的工作效率,并且在很大程度上减少了工作量,这对我国城郊农庄再建乃至相关园林产业的发展,都具有非常重要的作用和意义。闽北地区有众多农庄,这些农庄往往占地广、跨地形地貌程度高。南平下辖市邵武市博园农庄的土地现状比较复杂,除农场建设用地、交通工程用地外,草地、林地、耕地、滞留用地、滩涂地、水域面积都较大———即使规划中最少的交通用地亦有2.43hm2,仅占总面积的1%;此外,整个农庄的景观资源也需要重新分析,譬如山泉水稻田共计121.5hm2,它既包含了水域部分,也包含耕地部分。这些分析很多重叠,将交错的数据整合与再分配是改造过程中第一个棘手的问题。因此,需采用数字软件对各项指标进行多维度考量,从而进行权重配比,譬如,交通工程用地需要考虑避让生态景观、连接主要景观外,并且考虑客源的分布,对南平市及各辖市乃至省外旅客成分进行历年数据比对与预测。当然,这还有待更多的后期验证,单从目前的农庄经营效果来看是初步成功的。这些分析中很多如客源分析都是数据共享的,通过网上便可查询,非常便捷。

2.1.2空间数字收集与处理数字技术在农庄改造应用的过程中,还可利用地理信息系统技术,为工作人员提供相对较好的空间数据与相应分析。同时,通过利用地理信息技术对其相关的信息和数据,进行全面的提取和分析,并且在相应的系统中,构建完善的空间层面的数据库。由此,设计双方都可以进行全面的提取和查询,并且对各个数据可以进行全面、长期的统计,这样对工程的操作、编辑、提取及输出等工作的开展和后期的管控提供了重要且可靠的参考依据。在博远农庄设计前期,利用地理3S技术对农庄原基地的自然条件进行分析,并且运用如ArcGSI提供的坡度、坡向测量算法等对场地进行了虚拟测量,这些都已经是常规的数字技术手段。这些数字技术对于地形、地貌复杂的农庄,并且往往没有数据记录史的对象是获取第一手资料的必经之途。甚至一些简单的测量已经可以通过手机软件协助完成,非业内人士也完全可以进行测量,数字化相应带来的即是大众设计参与度的巨幅提升[5]。平面数字与空间数字的结合也可应用在如农庄工程样式与材质的选定的前期多个方面。利用Au-toCAD3DS、3dsMAX、Quest3D、2Dshaper、SketchUp等软件,构建相应的三维立体模型。同时,在应用的过程中,主要利用材质编辑器的形式,对其样式及材质进行全面的选定,这样便可在一定程度上增加园林的艺术感;同样,平面数字、空间数字各自内部的相互叠加也是不可或缺的。在农庄内的博物馆就采用了参数化建筑建模,这就是将平面数字联系、集成起来的一种有效方法[6],虚拟现实手段在这些多重数字的集中处理方面是极为擅长的。

2.2中期效果的虚拟数字化展示

景观处理是数字技术在农庄再规划中非常重要的作用之一,主要利用网络信息处理的形式,对农庄景观进行全面的虚拟、描述和处理。整个过程中主要包含有两种展现形式:静态效果展示、动态效果展示。

2.2.1静态效果展示主要是以农庄的二维、三维数字展示、景观效果展示为主,利用3S技术,可以对庄园内的园林资源与旅游资源,进行全面的评价,为其后工程施工与维护的开展提供重要参考依据。同时,经过前期的资料数字化原始收集与简单处理对如水的酸碱度、硬度、导电率等自然条件的数据收集与处理,对包括农庄内农作物的植物选择,起到了非常重要的作用,在中期的数据使用上非常便捷。农庄设计中反复比对果园与农田的分割、用数据论证设计结果。同时还要结合旅游景观需求,这便是景观效果展示部分。这一部分主要应用了Photoshop等图像处理软件,对景观效果在数字与实际的基础上进行简单的虚拟展示。因为还有后期实景数字化,故不赘述。

2.2.2动态效果展示主要是在时间轴线上利用遥感图像、地理信息等技术,对农庄原生资源的变迁、农庄次生绿地的发展、农庄长期建设的情况,实施动态预测与模拟。以博远农庄为代表的闽北地区的庄园都背靠大山,有河流穿过,这对农庄绿化、生态保护等各个方面,是非常好的自然优势亦是规划挑战。除此之外,将整个庄园的排水排污系统重新规划,利用ArcGsi技术建立水系模型演示污水处理效果,既能保证污水的快速流通,又能保护旅游景观效果不受太多影响。两种形式的效果展示是相辅相成的,如涵水条件,它既要考虑静态的一些水源特征、储量,又要考虑月降水量分布、多年年平均降水量等等,这些没有数字的支撑很难整合分析,从而准确把握设计的细节。

2.3后期实景的数字化采集与管控

2.3.1农庄实景的数字化农庄的实景数字化主要是指:将庄园风景的真实图像,通过利用图像化等方式,进行全面的表达。数字技术在风景园林应用的过程中,主要是利用地理信息系统、全球定位系统、遥感技术等方面,对其相关的地理信息、资源等方面,进行全面提取。同时,在应用过程中,通过利用可视化、虚拟化等技术形式,对其图像进行全面的技术化处理,从而在最大程度上展现数字技术在农庄改造中的作用。在动静效果评估的基础上,进行实景数字化,强调的是整个循环方法的再验性,这便是区别于中期图像处理的地方。在博远农庄的前、中期景观数据收集、处理中,没有套用类似农庄的效果模板,而是充分利用人工拍摄、航拍图像的再处理,以此演示设计效果。这样不仅便于甲方理解设计方案,也让后期施工中的一些细节问题再次得到提前校验。

2.3.2农庄工程后期对旅游景观效果的处理主要通过计算机软件,承接上述的实景数字化处理,对其相应的图像全面过滤,并进行艺术效果分析,主要通过隶属函数进行较为客观的评价。同时,在应用的过程中,通过利用相应的图像处理技术,将其全面的视图进行输出,可以对其各个方面进行全方位调整,以此提升农庄建设和设计的效果。农庄的景观效果往往需要长期经营(博远以一年为近期规划,五年为中远期),这样的虚拟手段不仅可以更真实地接近实际情况,也是旅游宣传的一部分。2.3.3农庄后期管理的数字化这一部分虽未彻底完成,但依然对其他项目具有参考意义与启发,故一并罗列。农庄的后期管理除了常规的旅游、经营管理,更要强调的是不断监控客源地、客流量、农庄内旅游路线、消费组成等,对相应的农庄部分进行调整;景观的监控则需要一个相对客观的评价体系,依照不同季节、时间段进行长期的评估,并加以干预改造。依照前期数据收集与处理形成的数据库,在后期可以帮助构建评价体系并做多维参照,这样构成一个基本的循环方法论,可以永续循环以求动态的数字稳定、农庄兴盛[7]。

3小结

新型的观光农业园是在传统农业园基础上,融农业产业和观光休闲为一体的新型产业。笔者通过分析数字技术对于农庄改造的启示,并以南平博远农庄改造为例,阐述数字技术对其景观规划、设计的数据获取、空间分析、成果表现、决策支持、后期的数字化管理等方面的运用,以期为该类农业园区改造提供借鉴。随着数字技术的迅猛发展,虚拟现实、增强现实也逐步被运用到各类规划改造中来,也必将对新型观光农庄的发展,运营中起到重要作用。

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