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摘要：數字農業(yè)中大量時空數據分散在異構系統(tǒng)中，有著不同格式規(guī)范、概念術語、數學模型和分析推理方法。采用時空推理、本體論、語義Web和專家系統(tǒng)等技術建立一個數字農業(yè)時空信息管理平臺，對多源、異構的農業(yè)時空數據和推理分析方法進行集中統(tǒng)一的規(guī)范化管理。基于該平臺構建數字農業(yè)應用系統(tǒng)更加方便快捷。

關鍵詞：數字農業(yè)；時空推理；專家系統(tǒng)

0引言

數字農業(yè)應用涉及大量的氣象、環(huán)境、水文、地質、土壤等領域的時空數據。這些時空數據分散在異構系統(tǒng)中，有著不同的數據格式和規(guī)范，采用不同的概念和術語，基于不同的數學模型和分析推理方法。這些多領域時空信息對農業(yè)生產、決策均起著重要作用。但是以前由于缺乏高效、合理的技術手段，即使付出很高的代價，也很難將這些時空信息完整無損地共享和融合集成到數字農業(yè)應用中，在很大程度上制約了數字農業(yè)的應用發(fā)展。同時GIS等商業(yè)軟件平臺成本較高也不利于大規(guī)模應用推廣。

為此，本文基于自主版權GIS、專家系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件，應用時空推理、本體論、語義Web、關系數據挖掘和專家系統(tǒng)等技術，建立一個數字農業(yè)時空信息智能管理平臺，對多源、異構的數字農業(yè)時空數據和推理分析方法進行集中統(tǒng)一的規(guī)范化管理，便于在實際應用中進行融合、集成和共享?；谠撈脚_快速建立起了數字化測土施肥系統(tǒng)、大豆種植標準化管理系統(tǒng)、無公害水果蔬菜栽培指導系統(tǒng)等一批智能應用系統(tǒng)。這些應用系統(tǒng)精確控制農田每一地塊種子、化肥和農藥的施用量，在提高作物產量的同時，能夠實現精確控制農業(yè)生產過程，有效降低成本，充分保證農業(yè)資源科學地綜合開發(fā)利用，減少和防止對環(huán)境和生態(tài)的污染破壞，保持農業(yè)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，是實現“綠色農業(yè)”的重要途徑。

1主要關鍵技術研究現狀

1．1數字農業(yè)

數字農業(yè)是在“數字地球”的基礎上提出并發(fā)展的，是21世紀新型的農業(yè)模式和挑戰(zhàn)性的國家目標，包括精準農業(yè)、虛擬農業(yè)等內容，其核心是精準農業(yè)。以3S技術應用為核心的數字農業(yè)空間信息管理平臺開發(fā)研究是數字農業(yè)研究的突破口[1,2]。美國于20世紀80年代初提出數字農業(yè)的概念，它是針對農業(yè)生產穩(wěn)定性差、技術措施差異程度大等情況，運用衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)控制位置，用計算機精確定量，把農業(yè)技術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、農藥等農業(yè)資源的利用率，提高農產量，減少環(huán)境污染。法國農業(yè)部植保總局建立了全國范圍內的病蟲測報計算機網絡系統(tǒng)。日本農林水產省建立了水稻、大豆、大麥等多種作物品種、品系的數據庫系統(tǒng)。新西蘭農牧研究院利用信息技術向農場主提供土地肥力測定、動物接種免疫、草場建設、飼料質量分析等各種信息服務。同時，我國緊跟國際研究的前沿，開展了系統(tǒng)工程、數據庫與信息管理系統(tǒng)、遙感、專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等技術在農業(yè)、資源、環(huán)境和災害方面的應用研究。

1．2時空推理

近年來，時空推理（Spatio－temporalReasoning）已成為十分活躍的研究方向，在軍事、航天、能源、交通、農業(yè)、環(huán)境等領域有著廣泛的應用。近十年來我國國家基礎地理信息中心、清華大學、解放軍信息大學、中國科學院、武漢測繪科技大學、武漢大學、吉林大學等單位在時態(tài)GIS、時空數據模型、時空拓撲、時空數據庫等時空推理相關領域開展了大量研究工作。

1．3時空數據標準與共享

不同領域和應用環(huán)境對時空數據的理解存在很大差異，這造成了異構時空系統(tǒng)集成的困難，因此時空數據共享、互操作和標準化的研究具有重要意義。這方面研究最初從空間數據入手，近期開始向時間數據和時空結合數據發(fā)展。時空數據的共享有以下方式：

（1）空間數據交換

空間數據交換的基本思想是各系統(tǒng)使用自身的數據格式，通過標準格式進行數據交換。目前空間數據交換標準有：SDTS、DIGEST、RINEX等國際標準；以色列的IEF、英國的MOEPSTD、加拿大的SAIF、我國的CNSDTF等國家標準；AutoDesk的DXF、ESRI的E00、MapInfo的MIF等廠商標準。盡管各GIS軟件廠商提供了公開的交換文件格式來進行空間數據的轉換，但由于底層數據模型的不同，最終導致不同的GIS的空間數據不能無損的共享。雖然空間數據交換仍然在使用，但效果并不理想。空間數據互操作標準是當前國際公認的，比空間數據交換標準更有前途的數據標準。

（2）基于GML的空間數據互操作

開放式地理信息系統(tǒng)協會(OpenGISConsortium，OGC)提出了簡單要素實現規(guī)范和地理標記語言(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、要素之間的關系、空間參考系統(tǒng)、定位幾何結構、存儲函數和插值、覆蓋類型及地球影像等17個抽象規(guī)范，2003年1月推出GML3.10版[3]。近年來，國內外眾多學者基于GML在空間數據共享等方面開展了大量研究。2001年Rancourt等人[4]將GML與先前所定義的空間標準進行比較，認為GML能有效地滿足空間數據交換標準。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]在網絡環(huán)境下以GML作為異構空間數據庫交換共享空間數據的格式，成功實現數據的互操作。2003年，崔希民等人[7]提出了GIS數據集成和互操作的系統(tǒng)架構，在數據層次上實現GIS數據的集成和互操作。2003年，張霞等人[8]提出一種基于GML構造WebGIS的框架結構,給出實現框架技術。其中采用GML作為空間數據集成格式。2004年，朱前飛等人[9]提出了一種新的基于GML的數據共享解決方案。2005年，陳傳彬等人[10]提出了基于GML的多源異構空間數據集成框架。GML數據類型較完整，支持廠家較多，相關研究豐富，是目前最有前景的時空數據標準。本文選擇GML作為農業(yè)時空數據標準。

1．4時空本體

1．4．1本體、語義Web和OWL

本體方法目前已經成為計算機科學中的一種重要方法，在語義Web、搜索引擎、知識處理平臺、異構系統(tǒng)集成、電子商務、自然語言理解、知識工程等領域有著重要應用。尤其是目前隨著對語義Web研究的深入，本體論方法受到了越來越多的關注，人們普遍認為它是建立語義Web的核心技術。OWL是當前最有發(fā)展前景的本體表示語言。2002年7月29日,W3C組織公布了本體描述語言(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時空本體

基于本體方法對時空建模的相關研究工作如下：

1998年，Roberto考慮了作為地理表示基礎的某些本體問題，給出了關于一般空間表示理論的某些建議[12]。2000年ZhouQ.和FikesR.定義了一種考慮時間點和時段的時間本體[13]。2000年，Córcoles基于XML定義了一個類似SQL的時空查詢語言，該語言包含八種空間算子和三種時態(tài)算子用于表達時空關系[14]。2003年，Grenon基于一階謂詞邏輯定義了時空本體，使用斯坦福大學的Protégé環(huán)境實現[15]。2003年，Bittner等人[16]提出了用于描述復雜時空過程和其中的持續(xù)實體的形式化本體。以上工作中Grenon的時空本體研究相對完整，相關研究成果已經在網上共享，本文在此基礎上開展研究，建立農業(yè)時空本體。

2主要研究內容（1）農業(yè)時空數據規(guī)范

現階段我國還沒有公認的農業(yè)時空數據標準出臺。本文基于時空推理技術，研究通用性更強的時空數據表示模型，能表示氣象、土壤、環(huán)境、水文、地質等各領域的農業(yè)時空數據。GML是目前公認的時空數據標準，利用上述模型擴充GML，兼容中國農業(yè)科學院的“農業(yè)資源空間信息元數據的分類及編碼體系草案”等國內現有的地方性標準，構建針對數字農業(yè)中時空數據的DA－GML標準，作為數字農業(yè)基礎時空數據的規(guī)范?，F有的土壤、環(huán)境等基礎空間數據庫均支持到GML格式的轉換。

（2）農業(yè)基礎時空數據庫

基于筆者自主開發(fā)的GIS平臺建立農業(yè)基礎時空數據庫，該平臺具有運行穩(wěn)定、資源占用少、結構靈活、功能可裁減、成本較低、便于移植等特點。采用了時空推理技術，支持對空間和時空信息的表示和推理。通過DA－GML能夠直接從現有系統(tǒng)中獲取領域農業(yè)基礎時空數據，主要包括土壤數據庫、環(huán)境數據庫、氣象資料數據庫、農業(yè)生產條件數據庫、林業(yè)信息數據庫、影像數據庫等。

（3）農業(yè)時空分析方法庫與農業(yè)時空知識庫

時空推理是研究時間、空間及時空結合信息本質的技術，通過時空推理技術將現有面向農業(yè)領域的時空分析技術進行整合和規(guī)范化表示，形成農業(yè)時空分析方法庫。對領域農業(yè)時空知識進行歸納、整理，同時通過數據挖掘方法從基礎數據中提煉知識，建立農業(yè)時空知識庫。

（4）農業(yè)時空本體庫

在(2)、(3)中存儲的數據、方法和知識需要一個有效的機制進行組織和管理。就目前技術而言，本體是表達一個領域內完整的體系（概念層次、概念之間的關聯等）的最有效工具，所以本文選擇建立農業(yè)時空本體庫。具體包括本體獲取、本體管理、本體服務與展示三個模塊。使用Protégé做本體開發(fā)環(huán)境編輯。Protégé是斯坦福大學開發(fā)的基于Java的本體編輯與知識獲取工具，帶有OWL插件的Protégé可以支持OWL格式的本體編輯與輸出。

以上三個庫通過WebService方式提供基于Internet的服務，可以在線對庫中信息進行維護和檢索，并能無縫集成到應用系統(tǒng)中。

（5）系統(tǒng)體系結構

系統(tǒng)工作原理如圖1所示。首先，外部系統(tǒng)的時空數據轉換成GML格式（現在絕大多數系統(tǒng)支持該數據標準），進入農業(yè)基礎時空數據庫。通過本體獲取與編輯模塊將時空數據和時空知識整理，形成本體庫。外部系統(tǒng)的請求通過WebSer－vices發(fā)給仲裁者，仲裁者區(qū)分各類情況調用三個庫調用服務、提取數據和執(zhí)行操作，結果返回給用戶。

（6）基于平臺開發(fā)農業(yè)生產智能應用系統(tǒng)

基于數字農業(yè)時空信息管理平臺建立數字化測土施肥系統(tǒng)、作物種植標準化管理系統(tǒng)、無公害水果蔬菜栽培指導系統(tǒng)等一批農業(yè)生產智能應用系統(tǒng)，解決實際問題。

3相關系統(tǒng)對比分析

3．1數字農業(yè)空間信息管理平臺

平臺基于信息和知識支持的現代農業(yè)管理的集成技術，對農田信息進行動態(tài)采集、分析、處理和輸出，從而根據農田區(qū)域差異、農事安排進行模擬分析、決策支持管理和指揮控制，并對農業(yè)生產過程的區(qū)域差異進行精確定位、動態(tài)控制等定量操作[17]。

3．2全國農業(yè)資源空間信息管理系統(tǒng)

全國農業(yè)資源空間信息管理系統(tǒng)(NASIS)實現對全國農業(yè)資源空間信息的查詢分發(fā)，具有系統(tǒng)管理、動態(tài)數據字典、數據檢索、查詢、數據分發(fā)、制圖、報表統(tǒng)計、數據分發(fā)等功能。該系統(tǒng)已經用于全國農作物遙感監(jiān)測、農業(yè)資源調查、農業(yè)科研和農業(yè)政策信息支持服務等方面[18]。

3．3中國西部農業(yè)空間信息服務系統(tǒng)

計算機技術、互聯網技術的迅速發(fā)展為建立基于Web的中國西部農業(yè)空間信息服務系統(tǒng)提供技術支撐。本文從西部農業(yè)空間信息服務系統(tǒng)的數據庫構建開始，全面地介紹了系統(tǒng)的運行模式和數據庫訪問技術，詳細論述了系統(tǒng)的總體結構、平臺環(huán)境和開發(fā)實現等。

（1）基于平臺提供的開發(fā)框架，能方便、高效地建立大量的數字農業(yè)智能應用系統(tǒng)，基層農業(yè)科技人員也能快速開發(fā)出技術含量高的應用系統(tǒng)，各應用系統(tǒng)能互通、共享，便于升級維護。

（2）由于大量的底層服務、數據、知識和方法由平臺集中統(tǒng)一提供，簡化了開發(fā)數字農業(yè)應用軟件的工作，節(jié)約了成本。

4結束語

數字農業(yè)時空信息管理平臺從系統(tǒng)目標、適用范圍、采用技術、系統(tǒng)接口等方面不同于任何現有的基礎農業(yè)空間數據管理平臺，是一個概念全新的系統(tǒng)，定位于基礎農業(yè)空間數據管理平臺的上層，更便于開發(fā)數字農業(yè)應用。其中的本體庫等機制為將來建立農業(yè)時空數據網格奠定了良好的基礎。

參考文獻：

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