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摘要：數(shù)字農(nóng)業(yè)中大量時(shí)空數(shù)據(jù)分散在異構(gòu)系統(tǒng)中，有著不同格式規(guī)范、概念術(shù)語(yǔ)、數(shù)學(xué)模型和分析推理方法。采用時(shí)空推理、本體論、語(yǔ)義Web和專家系統(tǒng)等技術(shù)建立一個(gè)數(shù)字農(nóng)業(yè)時(shí)空信息管理平臺(tái)，對(duì)多源、異構(gòu)的農(nóng)業(yè)時(shí)空數(shù)據(jù)和推理分析方法進(jìn)行集中統(tǒng)一的規(guī)范化管理?；谠撈脚_(tái)構(gòu)建數(shù)字農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)更加方便快捷。

關(guān)鍵詞：數(shù)字農(nóng)業(yè)；時(shí)空推理；專家系統(tǒng)

0引言

數(shù)字農(nóng)業(yè)應(yīng)用涉及大量的氣象、環(huán)境、水文、地質(zhì)、土壤等領(lǐng)域的時(shí)空數(shù)據(jù)。這些時(shí)空數(shù)據(jù)分散在異構(gòu)系統(tǒng)中，有著不同的數(shù)據(jù)格式和規(guī)范，采用不同的概念和術(shù)語(yǔ)，基于不同的數(shù)學(xué)模型和分析推理方法。這些多領(lǐng)域時(shí)空信息對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、決策均起著重要作用。但是以前由于缺乏高效、合理的技術(shù)手段，即使付出很高的代價(jià)，也很難將這些時(shí)空信息完整無(wú)損地共享和融合集成到數(shù)字農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，在很大程度上制約了數(shù)字農(nóng)業(yè)的應(yīng)用發(fā)展。同時(shí)GIS等商業(yè)軟件平臺(tái)成本較高也不利于大規(guī)模應(yīng)用推廣。

為此，本文基于自主版權(quán)GIS、專家系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件，應(yīng)用時(shí)空推理、本體論、語(yǔ)義Web、關(guān)系數(shù)據(jù)挖掘和專家系統(tǒng)等技術(shù)，建立一個(gè)數(shù)字農(nóng)業(yè)時(shí)空信息智能管理平臺(tái)，對(duì)多源、異構(gòu)的數(shù)字農(nóng)業(yè)時(shí)空數(shù)據(jù)和推理分析方法進(jìn)行集中統(tǒng)一的規(guī)范化管理，便于在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行融合、集成和共享?；谠撈脚_(tái)快速建立起了數(shù)字化測(cè)土施肥系統(tǒng)、大豆種植標(biāo)準(zhǔn)化管理系統(tǒng)、無(wú)公害水果蔬菜栽培指導(dǎo)系統(tǒng)等一批智能應(yīng)用系統(tǒng)。這些應(yīng)用系統(tǒng)精確控制農(nóng)田每一地塊種子、化肥和農(nóng)藥的施用量，在提高作物產(chǎn)量的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，有效降低成本，充分保證農(nóng)業(yè)資源科學(xué)地綜合開(kāi)發(fā)利用，減少和防止對(duì)環(huán)境和生態(tài)的污染破壞，保持農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，是實(shí)現(xiàn)“綠色農(nóng)業(yè)”的重要途徑。

1主要關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

1．1數(shù)字農(nóng)業(yè)

數(shù)字農(nóng)業(yè)是在“數(shù)字地球”的基礎(chǔ)上提出并發(fā)展的，是21世紀(jì)新型的農(nóng)業(yè)模式和挑戰(zhàn)性的國(guó)家目標(biāo)，包括精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、虛擬農(nóng)業(yè)等內(nèi)容，其核心是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。以3S技術(shù)應(yīng)用為核心的數(shù)字農(nóng)業(yè)空間信息管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)研究是數(shù)字農(nóng)業(yè)研究的突破口[1,2]。美國(guó)于20世紀(jì)80年代初提出數(shù)字農(nóng)業(yè)的概念，它是針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定性差、技術(shù)措施差異程度大等情況，運(yùn)用衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)控制位置，用計(jì)算機(jī)精確定量，把農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的差異從地塊水平精確到平方厘米水平，從而極大地提高種子、化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)資源的利用率，提高農(nóng)產(chǎn)量，減少環(huán)境污染。法國(guó)農(nóng)業(yè)部植?？偩纸⒘巳珖?guó)范圍內(nèi)的病蟲(chóng)測(cè)報(bào)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。日本農(nóng)林水產(chǎn)省建立了水稻、大豆、大麥等多種作物品種、品系的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。新西蘭農(nóng)牧研究院利用信息技術(shù)向農(nóng)場(chǎng)主提供土地肥力測(cè)定、動(dòng)物接種免疫、草場(chǎng)建設(shè)、飼料質(zhì)量分析等各種信息服務(wù)。同時(shí)，我國(guó)緊跟國(guó)際研究的前沿，開(kāi)展了系統(tǒng)工程、數(shù)據(jù)庫(kù)與信息管理系統(tǒng)、遙感、專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)在農(nóng)業(yè)、資源、環(huán)境和災(zāi)害方面的應(yīng)用研究。

1．2時(shí)空推理

近年來(lái)，時(shí)空推理（Spatio－temporalReasoning）已成為十分活躍的研究方向，在軍事、航天、能源、交通、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近十年來(lái)我國(guó)國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心、清華大學(xué)、解放軍信息大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、武漢測(cè)繪科技大學(xué)、武漢大學(xué)、吉林大學(xué)等單位在時(shí)態(tài)GIS、時(shí)空數(shù)據(jù)模型、時(shí)空拓?fù)?、時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)等時(shí)空推理相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究工作。

1．3時(shí)空數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與共享

不同領(lǐng)域和應(yīng)用環(huán)境對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)的理解存在很大差異，這造成了異構(gòu)時(shí)空系統(tǒng)集成的困難，因此時(shí)空數(shù)據(jù)共享、互操作和標(biāo)準(zhǔn)化的研究具有重要意義。這方面研究最初從空間數(shù)據(jù)入手，近期開(kāi)始向時(shí)間數(shù)據(jù)和時(shí)空結(jié)合數(shù)據(jù)發(fā)展。時(shí)空數(shù)據(jù)的共享有以下方式：

（1）空間數(shù)據(jù)交換

空間數(shù)據(jù)交換的基本思想是各系統(tǒng)使用自身的數(shù)據(jù)格式，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。目前空間數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)有：SDTS、DIGEST、RINEX等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；以色列的IEF、英國(guó)的MOEPSTD、加拿大的SAIF、我國(guó)的CNSDTF等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；AutoDesk的DXF、ESRI的E00、MapInfo的MIF等廠商標(biāo)準(zhǔn)。盡管各GIS軟件廠商提供了公開(kāi)的交換文件格式來(lái)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，但由于底層數(shù)據(jù)模型的不同，最終導(dǎo)致不同的GIS的空間數(shù)據(jù)不能無(wú)損的共享。雖然空間數(shù)據(jù)交換仍然在使用，但效果并不理想?？臻g數(shù)據(jù)互操作標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前國(guó)際公認(rèn)的，比空間數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)更有前途的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）基于GML的空間數(shù)據(jù)互操作

開(kāi)放式地理信息系統(tǒng)協(xié)會(huì)(OpenGISConsortium，OGC)提出了簡(jiǎn)單要素實(shí)現(xiàn)規(guī)范和地理標(biāo)記語(yǔ)言(GeographyMarkupLanguage，GML)。OGC相繼推出了一整套GIS互操作的抽象規(guī)范，包括地理幾何要素、要素集、OGIS要素、要素之間的關(guān)系、空間參考系統(tǒng)、定位幾何結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)函數(shù)和插值、覆蓋類型及地球影像等17個(gè)抽象規(guī)范，2003年1月推出GML3.10版[3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者基于GML在空間數(shù)據(jù)共享等方面開(kāi)展了大量研究。2001年Rancourt等人[4]將GML與先前所定義的空間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，認(rèn)為GML能有效地滿足空間數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。2002年，ZhangJianting等人[5]提出了一種基于GML的Internet地理信息搜索引擎。2003年，ZhangChuanrong等人[6]在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下以GML作為異構(gòu)空間數(shù)據(jù)庫(kù)交換共享空間數(shù)據(jù)的格式，成功實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互操作。2003年，崔希民等人[7]提出了GIS數(shù)據(jù)集成和互操作的系統(tǒng)架構(gòu)，在數(shù)據(jù)層次上實(shí)現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)的集成和互操作。2003年，張霞等人[8]提出一種基于GML構(gòu)造WebGIS的框架結(jié)構(gòu),給出實(shí)現(xiàn)框架技術(shù)。其中采用GML作為空間數(shù)據(jù)集成格式。2004年，朱前飛等人[9]提出了一種新的基于GML的數(shù)據(jù)共享解決方案。2005年，陳傳彬等人[10]提出了基于GML的多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集成框架。GML數(shù)據(jù)類型較完整，支持廠家較多，相關(guān)研究豐富，是目前最有前景的時(shí)空數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。本文選擇GML作為農(nóng)業(yè)時(shí)空數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

1．4時(shí)空本體

1．4．1本體、語(yǔ)義Web和OWL

本體方法目前已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一種重要方法，在語(yǔ)義Web、搜索引擎、知識(shí)處理平臺(tái)、異構(gòu)系統(tǒng)集成、電子商務(wù)、自然語(yǔ)言理解、知識(shí)工程等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。尤其是目前隨著對(duì)語(yǔ)義Web研究的深入，本體論方法受到了越來(lái)越多的關(guān)注，人們普遍認(rèn)為它是建立語(yǔ)義Web的核心技術(shù)。OWL是當(dāng)前最有發(fā)展前景的本體表示語(yǔ)言。2002年7月29日,W3C組織公布了本體描述語(yǔ)言(WebOntologyLanguage,OWL)的工作草案1.0版。目前工作草案的最新更新為2004年2月10日的版本[11]。

1．4．2時(shí)空本體

基于本體方法對(duì)時(shí)空建模的相關(guān)研究工作如下：

1998年，Roberto考慮了作為地理表示基礎(chǔ)的某些本體問(wèn)題，給出了關(guān)于一般空間表示理論的某些建議[12]。2000年ZhouQ.和FikesR.定義了一種考慮時(shí)間點(diǎn)和時(shí)段的時(shí)間本體[13]。2000年，Córcoles基于XML定義了一個(gè)類似SQL的時(shí)空查詢語(yǔ)言，該語(yǔ)言包含八種空間算子和三種時(shí)態(tài)算子用于表達(dá)時(shí)空關(guān)系[14]。2003年，Grenon基于一階謂詞邏輯定義了時(shí)空本體，使用斯坦福大學(xué)的Protégé環(huán)境實(shí)現(xiàn)[15]。2003年，Bittner等人[16]提出了用于描述復(fù)雜時(shí)空過(guò)程和其中的持續(xù)實(shí)體的形式化本體。以上工作中Grenon的時(shí)空本體研究相對(duì)完整，相關(guān)研究成果已經(jīng)在網(wǎng)上共享，本文在此基礎(chǔ)上開(kāi)展研究，建立農(nóng)業(yè)時(shí)空本體。

2主要研究?jī)?nèi)容（1）農(nóng)業(yè)時(shí)空數(shù)據(jù)規(guī)范

現(xiàn)階段我國(guó)還沒(méi)有公認(rèn)的農(nóng)業(yè)時(shí)空數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)。本文基于時(shí)空推理技術(shù)，研究通用性更強(qiáng)的時(shí)空數(shù)據(jù)表示模型，能表示氣象、土壤、環(huán)境、水文、地質(zhì)等各領(lǐng)域的農(nóng)業(yè)時(shí)空數(shù)據(jù)。GML是目前公認(rèn)的時(shí)空數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，利用上述模型擴(kuò)充GML，兼容中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院的“農(nóng)業(yè)資源空間信息元數(shù)據(jù)的分類及編碼體系草案”等國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的地方性標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建針對(duì)數(shù)字農(nóng)業(yè)中時(shí)空數(shù)據(jù)的DA－GML標(biāo)準(zhǔn)，作為數(shù)字農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)的規(guī)范?，F(xiàn)有的土壤、環(huán)境等基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)均支持到GML格式的轉(zhuǎn)換。

（2）農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)

基于筆者自主開(kāi)發(fā)的GIS平臺(tái)建立農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，該平臺(tái)具有運(yùn)行穩(wěn)定、資源占用少、結(jié)構(gòu)靈活、功能可裁減、成本較低、便于移植等特點(diǎn)。采用了時(shí)空推理技術(shù)，支持對(duì)空間和時(shí)空信息的表示和推理。通過(guò)DA－GML能夠直接從現(xiàn)有系統(tǒng)中獲取領(lǐng)域農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)，主要包括土壤數(shù)據(jù)庫(kù)、環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)、氣象資料數(shù)據(jù)庫(kù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件數(shù)據(jù)庫(kù)、林業(yè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、影像數(shù)據(jù)庫(kù)等。

（3）農(nóng)業(yè)時(shí)空分析方法庫(kù)與農(nóng)業(yè)時(shí)空知識(shí)庫(kù)

時(shí)空推理是研究時(shí)間、空間及時(shí)空結(jié)合信息本質(zhì)的技術(shù)，通過(guò)時(shí)空推理技術(shù)將現(xiàn)有面向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的時(shí)空分析技術(shù)進(jìn)行整合和規(guī)范化表示，形成農(nóng)業(yè)時(shí)空分析方法庫(kù)。對(duì)領(lǐng)域農(nóng)業(yè)時(shí)空知識(shí)進(jìn)行歸納、整理，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘方法從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中提煉知識(shí)，建立農(nóng)業(yè)時(shí)空知識(shí)庫(kù)。

（4）農(nóng)業(yè)時(shí)空本體庫(kù)

在(2)、(3)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)、方法和知識(shí)需要一個(gè)有效的機(jī)制進(jìn)行組織和管理。就目前技術(shù)而言，本體是表達(dá)一個(gè)領(lǐng)域內(nèi)完整的體系（概念層次、概念之間的關(guān)聯(lián)等）的最有效工具，所以本文選擇建立農(nóng)業(yè)時(shí)空本體庫(kù)。具體包括本體獲取、本體管理、本體服務(wù)與展示三個(gè)模塊。使用Protégé做本體開(kāi)發(fā)環(huán)境編輯。Protégé是斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)的基于Java的本體編輯與知識(shí)獲取工具，帶有OWL插件的Protégé可以支持OWL格式的本體編輯與輸出。

以上三個(gè)庫(kù)通過(guò)WebService方式提供基于Internet的服務(wù)，可以在線對(duì)庫(kù)中信息進(jìn)行維護(hù)和檢索，并能無(wú)縫集成到應(yīng)用系統(tǒng)中。

（5）系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)工作原理如圖1所示。首先，外部系統(tǒng)的時(shí)空數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GML格式（現(xiàn)在絕大多數(shù)系統(tǒng)支持該數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)），進(jìn)入農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)本體獲取與編輯模塊將時(shí)空數(shù)據(jù)和時(shí)空知識(shí)整理，形成本體庫(kù)。外部系統(tǒng)的請(qǐng)求通過(guò)WebSer－vices發(fā)給仲裁者，仲裁者區(qū)分各類情況調(diào)用三個(gè)庫(kù)調(diào)用服務(wù)、提取數(shù)據(jù)和執(zhí)行操作，結(jié)果返回給用戶。

（6）基于平臺(tái)開(kāi)發(fā)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能應(yīng)用系統(tǒng)

基于數(shù)字農(nóng)業(yè)時(shí)空信息管理平臺(tái)建立數(shù)字化測(cè)土施肥系統(tǒng)、作物種植標(biāo)準(zhǔn)化管理系統(tǒng)、無(wú)公害水果蔬菜栽培指導(dǎo)系統(tǒng)等一批農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能應(yīng)用系統(tǒng)，解決實(shí)際問(wèn)題。

3相關(guān)系統(tǒng)對(duì)比分析

3．1數(shù)字農(nóng)業(yè)空間信息管理平臺(tái)

平臺(tái)基于信息和知識(shí)支持的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理的集成技術(shù)，對(duì)農(nóng)田信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集、分析、處理和輸出，從而根據(jù)農(nóng)田區(qū)域差異、農(nóng)事安排進(jìn)行模擬分析、決策支持管理和指揮控制，并對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的區(qū)域差異進(jìn)行精確定位、動(dòng)態(tài)控制等定量操作[17]。

3．2全國(guó)農(nóng)業(yè)資源空間信息管理系統(tǒng)

全國(guó)農(nóng)業(yè)資源空間信息管理系統(tǒng)(NASIS)實(shí)現(xiàn)對(duì)全國(guó)農(nóng)業(yè)資源空間信息的查詢分發(fā)，具有系統(tǒng)管理、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)字典、數(shù)據(jù)檢索、查詢、數(shù)據(jù)分發(fā)、制圖、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分發(fā)等功能。該系統(tǒng)已經(jīng)用于全國(guó)農(nóng)作物遙感監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)資源調(diào)查、農(nóng)業(yè)科研和農(nóng)業(yè)政策信息支持服務(wù)等方面[18]。

3．3中國(guó)西部農(nóng)業(yè)空間信息服務(wù)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展為建立基于Web的中國(guó)西部農(nóng)業(yè)空間信息服務(wù)系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。本文從西部農(nóng)業(yè)空間信息服務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建開(kāi)始，全面地介紹了系統(tǒng)的運(yùn)行模式和數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)，詳細(xì)論述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、平臺(tái)環(huán)境和開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)等。

（1）基于平臺(tái)提供的開(kāi)發(fā)框架，能方便、高效地建立大量的數(shù)字農(nóng)業(yè)智能應(yīng)用系統(tǒng)，基層農(nóng)業(yè)科技人員也能快速開(kāi)發(fā)出技術(shù)含量高的應(yīng)用系統(tǒng)，各應(yīng)用系統(tǒng)能互通、共享，便于升級(jí)維護(hù)。

（2）由于大量的底層服務(wù)、數(shù)據(jù)、知識(shí)和方法由平臺(tái)集中統(tǒng)一提供，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)數(shù)字農(nóng)業(yè)應(yīng)用軟件的工作，節(jié)約了成本。

4結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字農(nóng)業(yè)時(shí)空信息管理平臺(tái)從系統(tǒng)目標(biāo)、適用范圍、采用技術(shù)、系統(tǒng)接口等方面不同于任何現(xiàn)有的基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，是一個(gè)概念全新的系統(tǒng)，定位于基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的上層，更便于開(kāi)發(fā)數(shù)字農(nóng)業(yè)應(yīng)用。其中的本體庫(kù)等機(jī)制為將來(lái)建立農(nóng)業(yè)時(shí)空數(shù)據(jù)網(wǎng)格奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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