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第一章绪论1.1课题研究的背景众所周知，病虫害对农作物造成了极大的损失，病虫害会使农作物经济受损，产量减少，质量下降。以往，人们用喷洒农药来解决病虫害问题，长期以来，由于化肥和农药的大量使用，带来了农药残留、土壤板结和环境污染等一系列生态问题，直接威胁着人类的健康。科学研究表明，人类肿瘤、血液病和神经系统等多种疾病的发生与环境和食品的污染存在直接关系。随着农业技术的发展和不断改进，作物病虫害防治采取农业、物理、生物措施与药剂防治相结合的方法，不仅可以收到事半功倍的效果，而且可以大大降低防治成本，减少农药用量和环境污染。农作物病虫害综合防治技术2009-06-28信息来源：泰安农业信息网进入21世纪初,知识经济与经济全球化进程明显加快，科学技术发展突飞猛进，科技实力的竞争成为世界各国综合国力竞争的核心，农业科学技术已成为推动世界各国农业发展的强大动力，以农业生物技术和信息技术为特征的新的科技革命浪潮正在世界各国全面兴起。在这场新的农业科技浪潮中，美国、日本、德国等发达国家，印度、巴西等发展中国家，近年来都在制定实施新的农业科技发展战略，改革农业科技体制与运行机制，加大农业科研投入，加快农业科技创新步伐，抢占农业科技发展的制高点。这既对我国农业科技提出了严峻的挑战，更提供了迎头赶上新的农业科技革命、实现农业科技跨越式发展的历史性机遇。[2]宁波农技推广总站推出了三种农作物害虫非化学防治技术有频振式杀虫灯诱杀害虫技术、性诱捕器诱杀害虫技术、色板诱杀害虫技术[19]等。在这些技术中，性诱捕器诱杀技术是近年来发展起来的一种治虫新技术，在性诱捕器上装置性诱剂，每亩农作物上悬挂性诱捕器1～2个，能诱杀大量前来寻偶交配的雄性昆虫，可有效减少田间的虫卵量，减少打药次数。性诱捕器诱杀害虫技术是一种生物技术，具有高效、无毒、不伤害天敌、不污染环境等优点。宁波纽康生物技术有限公司是由留美归国博士创建的一家高科技企业，成立于2004年7月。公司专业从事昆虫化学信息素生物防治应用技术的研发，公司性信息素研究成果2007年被评为改变百姓生活品质的十大浙江省科技创新产品。公司拥有先进的诱捕害虫的技术，研发了很多诱捕器的类型。但不管哪类诱捕方式，存在的最大问题是，被捕杀的农作物病虫害数目难统计。按照传统方式，由农保员到田间的诱捕器去数数的方式，显得工作量大，既费时又费力，而且不卫生，在现在社会分工情况下很难实现。该公司与本人所在单位宁波职业技术学院地理相邻，有着校企合作关系，所以委托我院电子系为公司解决农作物被捕病虫害的数据监测和预报问题。在此背景下，研发并制作一套农作物病虫害自动测报系统对如何统计农作物病虫害数量，如何利用这些数据对农作物病虫害进行预报、预警是非常有必要的。1.2课题研究的目的和意义农作物病虫害自动测报系统是集电子技术、遥感技术、网络技术、计算机技术、通信技术于农业中，将现代科技应用于农业，实现农业数字化和信息化。具有自动识别害虫类型、自动统计害虫数目、自动数据采集和预报、预警作用。其研究的意义主要体现在以下几个方面：（1）提高了农业的科技含量。高科技含量的数字农业必将推动电子技术、计算机技术、通信技术等高新技术在农业上的应用，从而使农业走向信息化、自动化、高效化。【3】农作物病虫害自动测报系统具有高新的现代电子技术、计算机技术、通信技术、网络技术，大力推进农业科技创新，科技促进农业的发展。（2）解放了农保员的劳动力。按照传统方式，由农保员到田间的诱捕器去数数的方式，显得工作量大，既费时又费力，而且不卫生，在现在社会分工情况下很难实现。所以研究农作物害虫自动测报系统采用先进自动化的采集统计数据、预报数据，传送数据，实现数据的自动化和信息化，可以大大解放农保员的劳动力。（3）提高了农业的产量和质量。本系统采用性信息素诱捕器，属于生物诱捕器。将性信息素放置在分机对应的容器里，来引诱雄性昆虫前来交配将其捕获，容器里装有不同的性信息素，可分别统计不同种类昆虫的数量。农保员通过主机观察不同时期昆虫的种类和数量，哪种病虫害数量居多，就增加哪种性信息素的含量，提高农业的产量和质量。（4）有利于农业企业的日常管理和决策。农作物病虫害自动测报系统，分机具有记忆功能，可通过按键查看历史记录，分机采用太阳能和电瓶供电，以保证24小时都有电，主机将分机发送的数据进行处理，绘制成曲线，能清楚明了得看出哪天什么害虫多。另外数据还会通过移动短信的形式发送给农保员，便于农业的日常管理以及作出相应的决策。1.3数字农业概述近年来,许多发达国家从综合国力的需要出发,相继提出了建设国家信息基础设施(NII)计划,简称“信息高速公路计划”。全球性信息基础设施建设亦成为世界信息业发展的趋势;与此建设相关的“3S”技术,即地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、遥感技术(RS),应用于农业资源、环境和灾害的监测与速报方面的技术,以及在此基础上发展起来的数字农业(DigitalAgriculture)技术,将极大地提高农业生产的可控程度和精确性。数字农业是用数字化技术,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、管理的农业。数字农业是以农业活动的数字化为特征,由数字来驱动的农业,其主要目的是建立一个智能的农业系统,集成数据采集、数据传输、数据处理和数控设备于一体,来实现农业活动的数字化、网络化和自动化,使决策支持系统和与之相关的需要数字化信息的应用,能对农事活动进行分析和可视化的操作。数字农业将工业可控生产和计算机辅助设计的思想引入农业,把信息技术作为农业生产力的重要要素,参与到农业各个环节中,并使之成为不可缺少的组成部分。【4】1.4数字农业的国内外研究现状1.4.1国外数字农业的发展现状数字农业在国外的研究已经达到了一个比较高的水平，具体体现在农业中应用计算机处理农业数据，建立数据库，开发农业知识工程及专家系统，应用标准化网络技术，开展农业信息服务网络的研究与开发。在信息采集与动态监测方面，遥感发挥了巨大的功用。20世纪70年代，美国发射了landsat系列卫星，以分析植物和土壤反射的太阳光谱进行生物量和作物、土壤湿度感测。1995年，美国地球物理环境公司(GER)发射了一个小卫星群，用来监测整个农业的过程，同时对农业提供信息服务，该系统主要是通过广域网向农户提供耕作、作物长势、施肥、灌溉、病虫害等信息，方便用户及时采取措施。作物的生长发育模型与模拟是现在最前沿的农业科技发展领域之一。美国、以色列、荷兰在这方面的研究和应用都处于世界前列[2]。美国已经成功地将其应用到实际生产中。例如，模拟玉米、小麦、水稻等作物生产的CERES模型系统就是最具有代表性的系统之一[3]。荷兰的SWAN5就是在作物生长模拟模型和土壤水分、养分转移过程模型研究的基础上，完成的两类模型的初步整合。其研究和建立对于目前作物生长机理模型的改进和农田水肥调控都具有重要作用[1]。发达国家对网络信息的利用已经进入实用化阶段。美国伊利诺依州的农户、农场主就可以通过信息网络，随时查询农业生产、销售的各种信息，制定生产经营方案；政府和管理部门也可以随时调用有关国家、地区的农业资源、农业经济、生产、环境动态变化的信息，并预测未来，进行农业管理决策。如美国农业部建立了全国耕地、草地、农作物生产等监测网，并通过该网获取或传递各类农业信息。又如欧共体将信息技术应用于农业列为重点发展规划，将数据库技术、专家系统技术、决策支持技术、地理信息系统技术、模式识别、图像处理、机器人等应用于农业生产和管理[4]。温室设施及温室自动监控技术发展迅速，已得到广泛应用[5]。如奥地利Ruttuner教授设计的Complexsystem和日本中央电力研究所推出的蔬菜工厂等。这类植物工厂采取全封闭生产，人工补充光照，立体旋转式栽培，不仅全部采用电脑监测，而且还利用机器人、机械手进行播种、移栽等作业，基本摆脱了自然条件的束缚。1.4.2我国数字农业的发展现状我国数字农业较国外起步较晚，开始于“七五”期1998年6月1日国家主席江泽民在中国科学院和中国工程院院士大会上提出了发展“数字中国”的战略。随后，“数字社会”、“数字城市”、“数字农业”、“数字水利”、“数字林业”和“数字地质”等的探索与研究在我国全面展开。我国农业土地资源及利用、水资源及利用、气候资源、作物品种资源等方面的调查已经十分详细，相当一部分已经建立数据库。1992年，北京市顺义区用GPS导航开展了防蚜试验示范；1997年，辽宁、吉林、北京等开展GIS农业应用研究。北京的小汤山现代科技示范园区就可进行谷物产量、水分的在线测量，田间作物信息的采集，RS监测作物长势，水分、病虫草害防治，环境监测等[7]。我国的虚拟农业研究也有了迅速的发展。其中中国农业大学初步建立了玉米、棉花地上部分三维可视化模型，为建立精确反应作物生长与农业环境条件关系的虚拟农田系统打下了坚实的基础。严定春等以玉米为研究对象，在先前已有的工作基础上，拟运用系统分析方法和动态模拟技术，构建基于过程的玉米生长模拟模型、基于三维可视化的虚拟模型，继而应用组件化程序设计思想，采用标准化接口和模块化封装技术，研究基于模型集成的数字化玉米生长模拟和虚拟设计系统，从而实现玉米生长模拟和虚拟显示等的数字化和科学化，取得了一定成果[8]。温室控制技术方面也开展了较多研究。1996年，江苏理工大学毛罕平等成功研制了使用工控机进行管理的植物工厂系统，该系统能对温度、光照、CO2浓度、营养液和施肥等进行综合控制，是目前国产化温室控制技术比较典型的研究成果。中国农业大学研制的温室环境监控系统，通过在每一个独立温室放置温室机，内置温湿度、CO2等多种传感器、控制设备以及摄像镜头，可以实时将温室内作物生长状况传输到办公现场，同时可以通过电话线、数字信号传输线及Internet等将监测的室内外环境条件和植物生长状况传输到农业专家的计算机屏幕上，以便根据提供的信息进行生产指导，实现对温室环境的监测控制[9]。综上所述，我国数字农业的发展呈现如下特点：[12]（1）操作实施的科学性。数字农业与中国精耕细作的传统是一致的，但又和传统农业不同。数字农业是建立在现代高技术基础之上的现代化精耕细作型农业，远远超过传统农业。（2）资源利用的高效性。强调最大限度地节省资源，重视环境保护和生态均衡，追求以最少的资源耗费获得最优、最大的产出，以保持农业的可持续发展[10]。（3）信息处理的精准性。包括信息获取的自动化、信息分析处理的智能化、信息传播的网络化、多项信息技术运用的集成与整合化、实施过程的定量化[11]。1.4.3数字农业的发展趋势当前的重点是对农业生产所涉及的对象和全过程进行数字化表达、设计、控制和管理。由于数字农业的关键技术是数字化农业模型，因此模型的构建和运用是数字农业发展的基础性工作。一方面，需要进一步建立和完善主要农作物生长系统的过程模拟模型，实现生物生长的动态模拟和预测；另一方面，需要建立农业产业系统的管理知识模型，实现农业生产管理设计和决策的智能化、科学化和数字化。从种植业来看，今后的研究重点将是提高数字农作关键技术与应用系统的机理性、数字化、可靠性和通用性水平，并研制出具有较强综合性和科学性的大型数字农业技术平台及软硬件产品。有关农作系统模型的构建表现为由局部到整体，由经验性到机理性，由智能化到数字化，由功能化到可视化的发展态势，重点是提高农作系统模拟模型的完整性和解释性，改善农作管理决策的广适性和准确性。农业遥感技术表现为由遥感估产到品质监测，由生长特征到生理参数，由空中遥感到空地结合的趋势，重点是提高农情信息无损获取的有效性、精确度及诊断调控的数字化和指导性。GIS技术表现为由单一功能到复合功能，由单机版到网络版，由应用系统到组件开发的趋势，重点是改善GIS的组件化开发水平和高效集成能力。管理决策系统的研制则需要综合过程模型的动态预测功能、管理模型的优化决策功能、遥感技术的实时监测功能、GIS的空间信息管理功能,进一步结合农作生态区划与生产力分析技术以及数据库和网络通讯技术等，建立综合性