南农信息农业技术复习资料

授课内容

农业数据库技术农业系统模拟技术地理信息系统农业信息监测技术专家系统虚拟植物与虚拟农业精确农业决策支持系统发展趋势与展望

国家信息农业工程技术中心（NETCIA，简称中心）于2010年11月由江苏省经济与信息化委员会推荐，国家工业和信息化部批准组建，是专门从事信息农业与精确农业技术创新、系统集成、转化应用的国家级研发机构。

研发方向:“农情信息监测诊断”“农业生产系统模拟”“农业精确管理决策”“信息产品研制开发”

2011年12月18日国家信息农业工程技术中心成立

信息农业重点实验室实验室的主要研究任务是综合运用现代信息技术，结合农学理论与方法，研究农业系统中信息获取、处理、管理、利用的关键技术及相应的应用平台和服务系统，为江苏信息农业与数字农业的发展提供技术支持和示范应用。

推荐书籍农业信息学（曹卫星）数字农作技术农业系统分析与模拟高光谱遥感——原理，技术及应用环境遥感模型与应用现代遥感导论农业信息化技术导论农业定量遥感基础与应用作物系统模拟及智能管理专家系统基本原理与研制技术地理信息系统基本原理及应用精确农业基础

硬件介绍

GPS和GIS的耦合（采用GPS的异步串行（COM端口）传送方式，可以从不同型号的GPS接受机，将NMEA-0183协议输出的数据采集到微机，并通过GIS控件将接收到的GPS大地坐标系转换成为北京9514参心坐标系，进行高斯投影生成电子地图。）

根系分析仪器（根置入水中——生理活性，色差扫描）

RNDVI 和GNDVI？？？

软件介绍

MapInfo ARCVIEW ENVI ERDAS

应用系统？？

信息农业的发展背景

农业科学理论与技术→信息技术

信息农业的形成过程

模型（模拟模型/专家系统/知识模型）→GIS→RS GPS→精确农业

信息：是客观实体运动状态和运动过程的抽象描述。

信息技术或科学：对信息的获取、处理、传输和输出等过程进行系统的研究和利用。

从20世纪中期信息科学诞生起，信息技术发展迅速，微型计算机和互连网的广泛应用标志着人类社会的发展进入到信息社会的新时代。

农业科学理论与技术

农业产业系统是一个复杂而独特的多因子动态系统，受气象、土壤、品种特性、技术措施、社会需求等不同因素的影响，因而具有显著的时空变异性、管理经验性、以及较差的定量化和规范化程度。从而使得农业生产管理专家用常规技术难以综合考虑和把握多因子互作并有效利用农业信息和量化管理技术措施。

现代农业科学理论与技术的成功研究和应用：

优质、高产、高效、生态、安全农业产业理论与技术；

规范化、标准化、定量化农业技术与理论。

信息农业的形成过程

信息技术在世界农业领域的应用始于20世纪70年代末，近20余年尤其在90年代发展较快，以作物生长模拟模型(Crop Growth Simulation Model)的成功研制和应用为突出代表。

农业模拟模型着重利用系统分析方法和计算机模拟技术，对农业系统中生物与非生物过程及其与环境和技术的动态关系进行定量描述和预测。

国际上公认较为优秀且应用广泛的作物生长模拟模型有美国的CERES系列模型和荷兰的通用作物生长模型SUCROS和澳大利亚的APSIM等。

作物生长模拟模型可以连续动态模拟作物生长过程及其与气候、土壤环境和管理措施的关系，为不同条件下的作物生长预测提供了有力的定量化工具。作物生长模拟模型难以表达许多经验性及半定量的农作生产理论和技术，不能实现智能化管理决策。专家系统恰好可以弥补模拟模型的不足。

将模拟模型和专家系统相结合，则可以充分发挥二者的优点，实现预测功能和决策功能的统一。

近10年来，江苏省信息农业高技术研究重点实验室综合运用知识工程原理和系统建模技术，构建具有时空规律的动态知识模型系统，可用于对不同条件下的农作生产方案及管理调控指标进行数字化设计。该成果获得了2008年国家科技进步二等奖。

遥感，遥远的感知，它是从不同高度的遥感平台（Platform）上，使用各种传感器（Remote Sensor），接收来自地球表层各类地物的各种电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，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。

20世纪80年代，遥感（Remote Sensing, RS）在农业上的应用主要是遥感估产，目前，遥感技术已广泛应用于农业资源、环境与农业生产过程的监测。遥感资料的获取具有其固定的周期，且遥感图像的解译受到天气状况的显著影响，

取。

GIS （地理信息系统）：为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的管理系统。

丰富的信息数据催生了地理信息系统（Geographic Information System, GIS ）。1963年加拿大测量学家R.F .T omlinson 建立了世界上第一个GIS ，随后GIS 迅速发展起来，至80年代GIS 技术趋于成熟，出现了ARC/INFO 、TIGRIS 等具有代表性的软件，GIS 开始被广泛应用于组织、分析和图示某一区域内各种类型的农业空间信息资料。

作物生长模拟模型框架结构

作物管理知识模型的框架结构

生理发育时间 (PDT) 光周期效应 热效应 阶段发育 叶片 茎鞘 根 再分配 (碳氮)

发育速率 养分丰缺因子 N, P , K 养分平衡 水分关系动态 水分丰缺因子 气象因子、土壤条件、品种特性、管理措施 光合作用 生长呼吸

维持呼吸 同化物汇 籽粒产量与品质 生物量 分配(碳氮) LAI 叶龄 穗子 气象因子 土壤特性 生产水平

品种选择 产量和品质目标 N 、P 、K 总施用量 有机氮与无机氮的比例 基肥与追肥的比例

肥料运筹 水分管理 灌排 时间 灌排 量 播期 移栽期 基本苗 播种量 移栽密度

90年代以来，GIS与作物系统模型及专家系统的结合取得了很大的成功。国际上提出了基于模型和GIS的农业决策支持系统。如美国和荷兰。

在北美、西欧和澳大利亚等国家，“3S”技术与作物模型、智能决策、控制系统的集成促进了精确农业的发展，初步建立和示范了基于农田空间差异的变量投入技术体系。

精确农业：借助3S技术，掌握农业生产的环境条件（作物、土壤、气象等），通过计算机管理决策系统（包括模拟模型、农业专家系统、决策支持系统等）进行处理分析，定时、定量和定位制定农业生产管理措施并定位实施。

近年来，国际上数字农业概念的形成预示着21世纪的农业将呈现出一个以数字化为特征的崭新面貌。

数字农业(Digital Agriculture)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表达、设计、控制、管理，是数字地球理论与知识在农业上的应用。

我国农业信息技术的研究和应用起步较晚，但发展很快。特别是近5年来，围绕信息农业关键技术和应用系统的研究开发工作取得了重大进展，一些省份和地区也纷纷加大农业信息化工程建设与示范应用的力度，尤其在区域性农业生产管理专家系统的开发和推广方面，取得了显著的社会经济效益。

第一节信息农业的形成

第二节信息农业的定义＊

第三节信息农业研究的关键技术＊

第四节信息农业的应用

一、信息农业的定义*

二、信息农业的内涵*

三、信息农业的基本特征

信息农业的定义

信息学是研究信息的产生、获取、存储、运输、处理、利用及其运动规律的科学和技术。

农业信息化就是应用信息技术对农业科技领域、农业生产领域和农业流通领域进行提升和改造的一种活动和过程。

农业信息技术就是在这种改造活动中所应用和发展的农业技术和信息技术相结合的横断技术。

*农业信息学或信息农业：以农业科学的基本理论为基础，以农业生产活动信息为对象，以信息技术为支撑，进行农业信息采集、处理、分析、存储、传输等具有明确时空尺度和定位含义的农业信息管理与决策，研究和解决农业生产活动信息变化规律的科学。

信息农业的内涵

*信息农业体系内涵应由理论基础、关键技术、应用系统这三方面组成。

农业信息学的理论基础：涉及到信息科学、计算机科学、地球科学、生态学、土壤学、农学等多个学科领域。

农业信息学的关键技术体系：包括农业信息获取、信息处理、信息模拟、信息控制等四个主要方面。

农业信息学的应用系统：以农业信息学的关键技术为基础，以农业产业的应用领域为服务对象，以农业信息流为主线，定量描述整个农业生产系统的过程及其与环境资源和社会经济的关系，实现农业生产系统分析、设计管理、决策调控的信息化和智能化，并广泛应用于优化资源配置，动态监测农情，预测作物产量，设计生产方案，实施精确管理等多个农业产业领域。

信息农业的特征系统化模型化知识化智能化可视化网络化

目标：定性理解到定量分析概念模式到数字模型专家经验到优化决策定时、定量、定位

信息农业研究的关键技术*农业数据库农业信息监测农业空间信息管理农业系统模拟农业人工智能农业管理决策农业信息服务

信息农业的作用解决中国13亿人口的温饱问题。实现定时、定量、定位的智能化农作管理。实现优质、高产、高效、生态、安全农业。

单项农业技术的突破会带来农产品产量的大幅度提高，但面对农业系统这样一个复杂的巨系统，如何使食物安全之下的社会、经济、生态协调发展，却是任何一项单项技术所不能解决的。

通过对农业系统活动中所产生的信息的掌握、分析和处理来解决农业与经济的关系、农业与生态的关系、农业与社会发展的关系是一条切实可行的高技术途径。

农业信息学的应用实践可以概括为以下五个方面：

农业资源和农情动态的无损化监测

农作产量与生产力的数字化预测

农业生产的智能化决策

精确农业的集成化示范

农业温室的自动化控制

重点内容

信息农业的定义

信息农业的内涵

信息农业研究的关键技术

第一节农业数据库的概念、功能与特征

一、数据库的概念及组成

（数据库：由相互关联的数据集合所组成。

＊数据库管理系统（DBMS）：可以用来管理并与数据库相互作用的工具。

数据库系统：基于数据库的计算机应用系统。

它包括：

以数据为主体的数据库。管理数据库系统的系统软件DBMS。支持数据库系统的计算机硬件环境和操作系统环境。管理和使用数据库系统的人。方便使用和管理系统的各种技术说明书和使用说明书。）

＊三个不同的概念

数据库强调的是数据。数据库管理系统强调的是系统软件。数据库系统强调的是数据库的整个运行系统。

常用的数据库软件＊

ACCESS（*.mdb）SQL SERVER Visual Foxpro（开发）My SQL Oracle Excel(最基本）

数据库管理系统的功能

（存储数据；建立并维护数据结构；允许多个用户并发访问；加强安全性和保密性；允许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；通过备份和恢复过程保证数据免遭丢失。）

数据库管理员的功能

数据库管理员（简称DBA）：专门用来对数据库中的数据进行管理和维护的人。

数据库管理员的主要职能：

（1）负责数据库核心及其开发工具的安装和升级；

（2）为数据库系统分配存储空间并规划未来的存储需求；

（3）负责建立基本的数据库存储结构；

（4）协助开发者建立基本的对象（表、视图、索引）。

（5）负责注册用户并维护系统的安全性；

（6）监控用户对数据库的存取；

（7）监控并优化数据库的性能；

（8）负责数据库系统的备份和恢复。

现已经开发出的DBMS可粗略分为以下几类：

（1）层次DBMS

以树形结构存储数据，它假定数据之间的父-子关系。树的顶端称为根，它可能有很多后代。后代又有任意多个下一代等等。层次数据库现在已经消失。

（2）网络DBMS

以记录和链接的形式存储数据。这样的系统使多对多关系比层次DBMS更灵活。网络DBMS允许使用复杂的数据结构，但非常不方便。

（3）关系DBMS（RDBMS）

具备数据库可能有的最简单结构。在RDBMS中，数据被组织成表，而表又由记录组成，记录由字段（域）组成。每个字段对应一个数据项。如果表又有一个或多个共同字段，则两个以上的表可能链接（联结）在一起。RDBMS易于使用并在过去几十年中流行开来。

（4）面向对象的DBMS

用于处理数字和词之类的数据。近几年，已出现面向对象的DBMS。这些系统可以处理视频、图像、图片等之类的对象。

二、农业数据库

＊农业数据库定义：

是一种有组织地动态存储、管理、重复利用、分析预测一系列有密切联系的农业方面的数据集合的计算机系统。主要农业数据库类型：

1、大型关系数据库主要使用的产品有SYBASE、ORACLE，采用Client/Server结构，支持多用户查询，主要应用于科技文献管理、科技项目管理等。

2、小型关系数据库主要使用的产品有DBASE、FOXBASE、FOXPRO，运行在单机上，由各个职能部门使用，数据基本上不共享，主要应用于各部门内部管理，如人事档案、工资发放、固定资产、业绩考核等系统。

3、全文检索型数据库主要使用的产品有TRS全文检索系统。

农业数据库技术发展趋势：

分布式数据库

目前分布式数据库系统主要应用在证券交易和银行清算系统中。（分布在多台物理地址服务器上）

多媒体数据库（视频等多媒体存储的方法）

面向对象数据库

适应Internet发展（基于web service的数据库存储的中间件）

第二节农业数据库的研制与应用

农业信息数据库的数据源

农业数据库的研制过程

（一）农业信息数据库的数据源、分类与编码

（二）农业信息数据库的数据设计

数据分析设计目标概念设计逻辑设计

（三）农业信息数据库的数据建立

数据输入数据入库

（四）农业信息数据库的数据维护和更新

（五）农业信息数据库的数据标准化与规范化

2、农业信息综合基础数据库的数据内容、分类与编码

(一)农业信息数据库的数据源、内容、分类与编码

农业信息综合基础数据库的数据源

地图RS资料GPS数据统计图表、统计数据、文献文字报告、法律法规文件等方面的数据

各种实地调查与测量数据，如气象观测数据、水文观测数据、土壤定位观测数据、肥料长期定位试验数据、土壤调查数据、电子数据等。

农业信息综合基础数据库的内容

1、省级数据库

基本内容包括地形图、行政图、交通图、水系图、土壤图、土地资源类型图、耕地分布图、植被和土地利用图、气候图，以及各类区划（规划）、文字资料和社会经济数据等。

2、县级数据库

基本内容与省级数据库相似，只是要求信息数据更加具体。例如植被（农业利用）要求有具体的作物结构和产量；土壤类型要求有具体的理化性质和养分性质等。主要作用是为建立具有面向农业生产单位（含农户）技术咨询服务功能的信息系统提供数据库信息等。

农业数据库的数据分类与编码

（数据的分类编码是对数据资料进行有效管理的重要依据。

＊分类把不同的事物或现象分成不同的类别，以方便查找和管理。（土地：耕地、园地、林地、交通用地、水域）

＊编码

将经过分类的数据信息用适当的数码（字符串或者数值）来表示，也称代码化(Coding)。

目的是节省计算机内存空间和便于用户理解使用。

农业信息综合数据进入数据库之前必须进行编码。）

＊数据编码的原则

（唯一性：编码和分类一一对应；

可扩充性：如果将来要增添新的内容，尽量不改变原有体系而实现扩充；

识别性：用户看到编码时，凭经验就可知道事物的分类，并和其他事物产生对比、联想；

简单性：编码越简单，人的记忆和操作越简单；

完整性：综合性的信息系统涉及的面很广，应全面考虑有关的信息类型与分类，防止顾此失彼。）

（二）农业信息数据库的数据设计

数据分析

数据分析的主要内容包括确定数据来源、数据类型、数据编辑、数据数量和质量、数据采集和输入方式，分析专题数据的组织结构、数据的利用等级和可更新程度等。

设计目标＊

完整性和正确性一致性和通用性快速查询能力现势性和更新数据维护

概念设计

概念设计的目标是产生反映用户需求的数据库概念结构。

进行概念设计最常用的是著名的E-R方法。采用E-R模型（实体-联系模型，Entity-Relationship Model）进行数据库设计的方法称为E-R方法。

逻辑设计

对未来入库的全体数据进行综合分析，并做合理布局性技术安排，最后见诸于数据集合的结构性实施方案，称为数据库的逻辑设计。逻辑结构设计的目标是从概念结构导出以特定数据库管理系统(Database Management System，简称DBMS)规定表示的数据库逻辑结构。这种转换一般可分为两步进行。首先从概念结构按一定规则导出以关系式、网络式或层次数据模型表示的逻辑模型；其次是根据特定的DBMS的规定，从逻辑模型导出DBMS支持的数据库逻辑模式（逻辑结构）。

（三）数据库的建立

1、数据输入

包括图形输入和属性输入。图形输入目前常用的方法有手扶跟踪数字化和扫描数字化两种。(资料预处理，数字化图的检查及修改，统一的地理坐标）

属性数据的输入

属性数据的输入一般是在空间数据输入、编辑完成之后进行的。属性数据是用来描述空间数据的特征性质（前面所说的分类与编码就是属性数据的重要组成部分）。

其他数据输入

遥感数据的输入：数字遥感图象的输入只要直接用遥感软件读取文件即可。不过，由于数据格式通常存在差异，因此，一般需要进行文件格式转化；对于以相片形式出现的遥感图象，则可以进行扫描输入。

GPS数据输入：GPS接受机能以数字形式自动记录测量数据。把GPS测得的坐标数据输入数据库可以采用手工的方法，也可以采取把GPS接受机里的定位数据以文件的形式输入数据库。

电子数据的输入：电子数据通常有其特定的文件格式，在进入我们所用的GIS软件前，一般需要进行数据格式的转换。目前，有一些较为通用的GIS数据交换格式，如ArcInfo的Eoo、MapInfo的MIF、AUTOCAD的DXF等等。

2、数据入库

农业信息综合基础数据库的规模一般比较大，需要存入的数据很多，数据入库的工作是很繁重的。这项工作花费的时间和人力，超过数据库建设中的其他任何具体工作阶段。

为了提高数据入库的工作效率，并且保证装入数据的正确，应注意随时做好以下检查工作，即：数据有效性检查；数据格式检查；数值的校对。必要时可以建立检查、较核程序来辅助上述工作。

四）数据库的维护和更新

数据库的维护

数据库系统的维护：一般包括错误日志的分析、对用户登录的管理以及支持系统配置的调整等工作。

数据库的维护：一般包括对数据库及其事务日志的备份和对数据库访问的审查等工作。

对表/对象的维护：除了审查其访问权限外，就是限制对象中的记录数，对超出限额的数据表进行归档工作，将那些过期不用的数据转移到档案文件中。

作业的维护：工作主要包括对作业执行成败的检查、作业的日程表和频度检查、作业持续时间的检查和作业输出结果的检查。

（五）数据标准化与规范化

数据标准的统一是实现信息共享的重要前提条件，也是农业信息综合基础数据库正常运转的前提与保证。

空间坐标系统一分类与代码统一数据结构和格式规范地图数字化规范数据文件的命名规则数字产品元数据规范

空间坐标系统一

具有公共地理定位基础是GIS系统的主要特点之一。

所有的地理要素，要按经纬度或者特定的坐标系进行严格的空间定位，才能使具有时序性、多属性、区域性特征的空间要素进行复合和分解，将隐含其中的信息变为显示表达，形成空间和时间上连续分布的综合信息基础，支持空间问题的处理与决策。这种坐标系既可以是大地坐标系，也可以是城市区域的独立坐标系。但无论采用何种独立坐标系，系统内部都必须提供与大地坐标系之间严格的转换参数，以便数据能及时纳入统一坐标系统。

进入农业信息综合基础数据库的所有数据，必须具有或转换成统一的坐标系统。

信息分类与编码

在GIS中，为了有效地转入和处理信息，通常把空间实体分成点、线、面、体等4种基本类型，其下又分很多亚类。但是这些信息分类在矢量与栅格两种数据结构中的表达是不同的，需要做相应的数据处理，以便能够快速、准确地相互转换。为了避免数据的复杂，需要对数据进行编码。有些类别国家已经颁布统一的编码，如土地利用类别有10个一级类，24个二级类，制定了很规范的编码。为了信息共享及应用上的方便，应该使用国家统一编码。

数据结构与格式

在空间数据入库时，一定要先设计采用的数据结构和格式。一般以国际规范的数据格式为准，切忌自成一体，否则将会带来数据库维护的困难，甚至导致瘫痪。

地图数字化规范

常用的地图数字化方式有3种，即手工数字化、扫描数字化以及数字转入。农业信息综合基础数据库的建设需要制定统一的数字化规范，以满足数据结构与格式以及精度要求，并处理好空间数据与属性数据（非空间数据）的联结。

第三节农业管理信息系统的概念与特征

一、管理信息系统的概念与特征

二、管理信息系统的开发流程

三、农业管理信息系统研制

一、管理信息系统的概念与特征

（1、管理信息系统(Management Information Systems，MIS)是由人和计算机设备或其他信息处理手段组成并用

2、＊MIS 特征：

人-机系统：系统开发、可靠数据的组织和输入，信息的输出、系统维护都离不开人。

综合性：多学科交叉、多种人才结合、软件和硬件的集成

动态性：系统的维护与开发处在连续不断的动态过程之中。）

农业管理信息系统概念

农业管理信息系统是收集和加工农业系统管理过程中的有关信息、为管理决策过程提供帮助的信息处理系统，可根据管理目的而建立，在数据库支持下进行与农业相关的事务处理、信息服务和辅助管理决策。

二、管理信息系统的开发过程

概要设计一般是由流程图所构成，但它并不能直接用作编码，只是通过流程图实现了应用软件的各个主要功能。

详细设计是由软件开发人员根据要求设计给出。

程序编码

系统测试分单体测试和总体测试两部分。

系统运行与改进

三、农业管理信息系统研制

（一）农业管理信息系统的组成

（二）农业管理信息系统的开发流程

农业管理信息系统的组成

计算机硬件计算机软件数据应用模型系统的组织管理者

＊农业管理信息系统的开发流程

（AMIS的开发可采用生命周期法，其开发过程分为下图所示的6个阶段：

系统分析。可行性研究。系统总体方案设计：系统功能和应用设计。系统技术方案分析：组织技术设计。

系统组织实现。系统评价与维护。）

系统分析：用户类型和需求分析

AMIS的用户有其特殊的目的，对AMIS有不同的要求，应用情况也各异。按用户的性质可做如下分类：

①政府管理部门

②大专院校和科研单位

可行性研究

可行性分析是对建立系统的必要性和实现目标的可能性，从社会、技术和经济三大因素进行分析，以确定用户实力、系统环境、原始数据、数据流量、存储空间、软件系统、经费预算以及时间分析和效益分析等。

具体步骤：

①系统目标和任务 ②数据源调查和评价 ③技术水平评价。 ④系统的支持状况。

系统总体方案设计

系统设计的任务是将系统分析阶段提出的逻辑模型转化为相应的物理模型，其设计的内容随系统的目标、数据的性质和系统功能的不同而有很大的差异。

一般而言，首先应对系统整体进行简单的总体设计；然后进行数据的分类和编码，完成空间数据的存储和管理，称为功能设计；最后是系统功能的建模和产品的输出，称为应用设计。

系统功能设计

功能设计的主要任务是根据系统研制的目标来规划系统的规模和确定系统的各个组成部分，并明确他们在整个系统中的作用与相互关系，以及确定系统的软硬件配置，规划系统采用的合适技术规范，以保证系统整体目标的实现。

系统应用设计

应用模型的设计松散方式 紧密方式 面向对象方式

模型分析结果的输出设计

为方便用户的应用而进行的对话设计

系统的组织实现

AMIS 系统的组织实现可采取以下3种方式： 1）完全自主开发 2）全盘委托开发 3）联合开发

四、农业数据库及管理系统的应用

农业系统的数据库应用，多数是与管理和科研相关的。计算机农业数据库有：农业生物数据库，农业环境资源数据库和农业经济数据库等。

国外农业数据库应用现状

世界上早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 ）。

系统的总界面 应用模型

普通评价模型 通用 专业模型 质量 评估 适宜性评估 农业分区 U L S E 方程

非点源污染 数据输出 统 计报表 电子数据 专题图件 数据输入 扫 描 数字化 跟踪

数字 化 数据处理 空间数据管理 空间数据操作 库维护 数据检索 数据转换 图形测量 电子数据 空间

分析 空间插值 重叠分析 缓冲分析 地面模型 格式转换 投影转换 增 加 修 改 图形检索 属性检索

等，如美国九十年代发展数据仓库（Data Warehouse）技术，可以按照主题查询归纳数据，通过可视化工具挖掘数据间的潜在关系，深入到数据结构中了解数据的复杂性和动态，从而在深层次里提高建设和利用数据的效率和效益。

我国农业数据库应用现状

1990年国家物价局信息中心研制了“农产品集市贸易价格行情数据库”，收集了35个大中城市的28种大宗农副产品的集市贸易价格，具有检索、报价查询、分析对比等功能。1995年中国农业科学院文献信息中心构建了中国最大的“中国农业科技文献数据库”，到现在已收录数据达270多万条，由中国农业科学院品种资源研究所主持建设的中国作物种质资源数据库，已收录了180多种作物。与此同时，引进了世界四个大型农业科技文献数据库，并不断更新拓展，得到了广泛的应用。目前中国建立了多种类型的农业数据库，发挥了重要作用。

国外农业管理信息系统的应用现状

管理信息系统（MIS）的概念是1958年在美国首先提出的，它是收集和加工系统管理过程中有关的信息，为管理决策过程提供支持的一种信息处理系统，是一种人机系统。

一般管理信息系统包括管理职能子系统和技术支持子系统两个组成部分。管理职能子系统可划分为生产管理、市场管理、财务管理等多种专门化管理信息系统；技术支持子系统是指计算机系统和通讯技术系统。管理信息系统输入的是数据和信息要求，输出的是信息报告和事务处理，反馈的是效率和效益。美国开发的COMAX/GOSSYM棉花生产管理信息系统是一个可以实现人类专家智能的计算机软件系统。1987年在美国棉花带6个州1254公顷的棉田上使用，每公顷可获350美元的纯利。澳大利亚开发的牧场管理信息系统GRAZPLAN也是一个成功的范例。

我国农业管理信息系统的应用现状

中国农业科学院棉花研究所于1990年开发的棉花生产管理模拟系统，将播种期、密度、施肥量、化学调控结合起来，可以在不同地区和不同年份提出不同的棉花生产优化方案。

四川省农业管理信息系统，开发于1988年，它具有一般MIS的特征。它的特殊性在于面向省级农业管理决策，而不是面向某一企业或部门。

中国农业科学院计算机中心研制开发的一套集成化管理软件“农村经营管理信息系统”。

南京农业大学和江苏省农垦总公司联合研制了“大中型农场农机管理信息系统”。

广州市农委开发的“广州市农业科技推广管理信息系统”。

但是我国管理信息系统的研究晚于发达国家10余年，且多学科结合不够，有待于进一步拓展和加强。

复习题

数据库系统的概念及包括的内容。

数据库管理系统的概念及功能。

管理信息系统的特征。

数据分类、编码。

数据编码的原则。

农业管理信息系统的开发流程。

农业遥感技术

农业遥感应用

调查土地资源

监测土地资源变化

监测农作物长势、生物物理参数、生物化学参数

估计农作物产量

预测农作物品质

监测环境（病害、虫害、灾害、人口变化）

(调查土地资源; 监测作物长势/估产/预测组分; 监测氮素; 监测蛋白质; 监测环境; 监测环境污染; )

国内遥感期刊：

《遥感信息》《遥感学报》《国土资源遥感》《遥感技术与应用》

第一节农业遥感的定义

遥感的定义

遥感（Remote Sensing）这一术语是1960 年美国海军科学研究局Pruitt首先提出，并在1962年美国召开的“环境科学遥感讨论会”上被正式引用，是用来综合以前所使用的摄影测量、像片判读、地质摄影。

＊遥感指遥远的感知，它是从不同高度的遥感平台（Platform）上，使用各种传感器（Remote Sensor），接收来自地球表层各类地物的各种电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，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。

农业遥感是现代遥感技术与农业科学相结合,而应用于农业生产领域的一门新兴前沿技术。

遥感的特性＊

(1)非接触性(非破坏性)

(2)光谱特性探测波段从可见光波段向两侧延伸，不仅能获得地物在可见光波段的电磁波信息，而且还可以获得紫外、红外、微波等波段的信息。

(3)时相特性能够周期成像

遥感的分类＊

(1)根据所利用的电磁波的光谱波段: 可见光-红外遥感、热红外遥感和微波遥感。

(2)按传感器的工作方式: 被动遥感和主动遥感。

(3)按传感器的扫描方式: 扫描式遥感和非扫描式遥感。

(4)按传感器图像获得方式: 图像方式和非图像方式。

遥感的三大技术系统＊

(1)遥感平台: 搭载传感器的工具统称遥感平台（Platform）

地面平台:在地面上装载传感器的固定或可移动的装置，其中包括汽车、轮船和高塔等

航空平台:主要包括飞机和气球

航天平台:主要包括探测火箭、人造地球卫星、宇宙飞船和航天飞机等

(1)传感器

传感器（Remote Sensor）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分。主要的传感器有摄影机、推帚式扫描仪、TV摄像机、光机扫描仪、雷达、微波辐射计等。

(3)遥感信息的传输与处理

遥感信息主要是指由航空遥感和航天遥感所获取的感光胶卷或磁带记录的数据。包括被测目标的信息数据和运载工具上设备环境的数据。

遥感信息的传输遥感信息向地面传输有两种方式：一种为直接回收；另一种为视频传输。

遥感信息的处理地面接收站收到的遥感信息，受到多种因素的影响，如传感器的性能、平台姿势的不稳定性、大气的不均匀性和局部变化以及地形的差别等，使地物的几何特性与光谱特征可能发生一些变化，因此需要处理遥感信息。

遥感数据处理流程

1.数据收集：人造卫星；飞机；地面测定；地图、资料。

2.数据管理: 校准核换,注记等

3.辐射校正,增强校准

4.几何校正,配准绘图

5.数据压缩:重新排列,内插、采样

6.判读、应用：类型识别；多变量分析；统计处理

7.数据存贮、提取数据库形成、管理

第二节农业遥感原理

1、电磁波与电磁波谱

波：振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。

电磁波：电场矢量和磁场矢量在空间的传播。

电磁波谱：按照电磁波的波长（频率的大小）长短，依次排列的图表。

遥感中测量的是从目标物反射或辐射的电磁波能量。

根据其测定波长范围不同可分为两种方式：

辐射测量(Radiometry) 光度测量(Photometry)

辐射测量是以从γ射线到无线电波的整个波长范围为对象的物理辐射量的测定。

光度测量是对由人类具有视觉感应的波段－可见光。

2、电磁波辐射源

（1）黑体辐射

辐射：自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零度以上,都以电磁波的形式时刻不停地向外传送热量,这种传送能量的方式称为辐射。

黑体：入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射。

黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体；是物理学家们定义的理想物体和标准物体。

在一定温度下，黑体是辐射本领最大的物体，是完全辐射体。

（2）发射率和选择性辐射体

发射率：物体的辐射能量与同温下黑体的辐射能量之比。

发射率与波长和温度有关。

辐射源可以分为：

1）＊黑体：反射率和透射率都等于0。

2）＊灰体：发射率与波长无关的物体叫灰体。

3）＊选择性辐射体：发射率依波长而变化的物体。

3、太阳辐射和大气窗口

（1）太阳辐射及其能量分布

太阳辐射：太阳向外发射电磁波的形式及所发射的能量。

太阳辐射能量分布特点:

5900K的黑体辐射。

短波辐射(太阳辐射总能量的40％集中于0.4－0.76um的可见光范围内) 。波长0.76～4nm的红外辐射约占51％，波长150～400nm的紫外辐射约占９％。

（2）大气对太阳辐射的衰减

太阳辐射衰减的原因：散射/吸收/反射

散射：太阳辐射通过大气层时，受到大气中气体分子的散射和大气中固体、微粒、液体的散射。

吸收: 水(气态水和液态水(强))、二氧化碳(红外区)和臭氧、紫外线。

反射：主要是大气中的云层，大的尘埃。云量越多、云层越厚，反射越强。

（3）大气窗口

＊大气窗口：大气对电磁波衰减较小，透射率较高的波段。

要从空中遥感地面目标，传感器的工作波段应在大气窗口处,才能接收到地面目标的电磁波信息。

主要大气窗口有5个:

可摄影窗口（陆地卫星）

短波红外窗口

中红外窗口（气象卫星）

热红外窗口

微波窗口

4、地物波谱特征

地物波谱

＊地物波谱定义:物体在同一时间、空间条件下，其辐射、反射、吸收和透射电磁波的特性是波长的函数。将这种函数关系用曲线的形式表现出来，就形成了地物电磁波波谱，简称地物波谱。

＊地物波谱曲线的形式:横坐标代表波长，纵坐标代表反射率、吸收率或透射率所作的相关曲线。

地物波谱类型：反射波谱、发射波谱、透射波谱。

地物反射波谱：以横坐标代表波长，纵坐标代表反射率的曲线。表示各种波长处地物光谱反射率大小及其随波长的改变而发生变化的特点和规律。

地物反射光谱是遥感技术识别和区分目标物的基础。

同一类地物的反射光谱特征。（总的形状变化是基本相似的，但是光谱响应曲线具有一定的变化范围，呈一定宽度的波谱带）（病变除外）

不同类地物的反射强度和波谱曲线形态一般不同。

地物发射光谱:表示地物发射率随波长变化的光谱曲线。地物的发射率与地物表面的粗糙度、颜色和温度等有关。

自然界任何物体，温度大于绝对零度，就存在着分子热运动，都有向周围空间辐射能力。

地物透射光谱:表示地物透射率随波长变化的光谱曲线。

可见光对绝大多数地物都没有透射能力；

红外线只对具有半导体特征的地物，才有一定的透射能力；

微波对地物具有很明显的透射能力，这种透射能力主要由入射的波长而定。

在遥感技术中，可以根据微波的特性，选择适当的传感器来探测水下、冰下某些地物的信息。

5、彩色合成原理

色觉是由于人眼分别感受红、绿、蓝三种颜色的感觉细胞，以及产生相应色觉的视觉神经系统构成的。

色彩可以是不同色光按照一定比例叠加而合成。

＊彩色合成：用三种基本色调红、绿、蓝（简称基色）按一定比例混合而成各种色彩，称为三基色合成。这三种基色的任何一色都不能由三种基色中另外两种基色混合而成。

＊用三种基色合成为其它色彩有两种方法加色法和减色法。

加色法:以红、绿、蓝三基色中的两种以上色光按一定比例混合，产生其它色彩的方法；

减色法:从白光中减去其中一种或两种基色光而产生色彩的方法。

三、航空遥感与航空像片

航空遥感是以飞机、气球等飞行于大气层中的飞行器作为遥感平台的遥感。

航空遥感获取地面信息的方式：

摄影方式（航空像片）和扫描方式。

介绍主要内容：

航空摄影机, 航空像片的形成, 航空摄影的种类

1.航空摄影机

航空摄影机是安装在飞机等飞行器上，在空中对地面拍摄像片的摄影机。

航空摄影机的结构与普通摄影机（相机）基本相同，在镜头精密程度及结构上则更为精密和复杂，并能根据设计（曝光时间、摄影时间间隔等），可进行自动连续摄影。

影机。其中以单镜头航空摄影机最为常用。

2.航空像片的形成

航空摄影机在空中对地面摄影成像，其成像过程与一般摄影（照相）是一样的。即通过快门瞬间曝光将镜头收集到的地物反射光线（可见光）直接在感光胶片上感光，形成负像潜影，然后经显影、定影技术处理，得到像片底片；再经底片接触晒印以及显影、定影处理，获得与地面地物亮度一致的（正像）像片，即航空像片。

航空像片上的影像是由于地物各部分反射的光线强度不同，使感光材料上感光程度不同，形成各部分的（黑、白）色调不同所致。

3.航空摄影的种类

按像片倾斜角分类（垂直摄影/倾斜摄影）

倾斜角等于0°的，是垂直摄影。这时主光轴垂直于地面（与主垂线重合），感光胶片与地面平行。但由于飞行中的各种原因，倾斜角不可能绝对等于0°，一般凡倾斜角小于3°的称垂直摄影。由垂直摄影获得的像片称为水平像片。

倾斜角大于3°的，称为倾斜摄影。所获得的像片称为倾斜像片。这种像片可单独使用，也可以与水平像片配合使用。

按摄影的实施方式分类

单片摄影为拍摄单独固定目标而进行的摄影称为单片摄影，一般只摄取一张（或一对）像片。

航线摄影沿一条航线，对地面狭长地区或沿线状地物（铁路、公路等）进行的连续摄影，称为航线摄影。

面积摄影沿数条航线对较大区域进行连续摄影，称为面积摄影（或区域摄影）。面积摄影要求各航线互相平行。

按感光材料分类

分为全色黑白摄影、黑白红外摄影、彩色摄影、彩色红外摄影和多光谱摄影等。

彩色红外摄影感受可见光和近红外波段（0.4—1.3μm），但却使绿光感光之后变为蓝色，红光感光之后变为绿色，近红外感光后成为红色，这种彩色红外片与彩色片相比，在色别、明暗度和饱合度上都有很大的不同。在彩色片上绿色植物呈绿色，在彩色红外片上却呈红色。由于红外线的波长比可见光的波长长，受大气分子的散射影响小，其彩色红外片色彩要鲜艳得多。

多光谱摄影多光谱摄影是利用摄影镜头与滤光片的组合，同时对一地区进行不同波段的摄影，取得不同的分波段像片。例如通常采用的四波段摄影，可同时得到蓝、绿、红及近红外波段四张不同的黑白像片合成为彩色像片；或将绿、红、近红外三个波段的黑白像片，合成假彩色像片。

四、航天遥感与卫星图像

航天遥感是以人造地球卫星、航天飞机或宇宙飞船及运行于太空的飞行器作为遥感平台的遥感，即通过安装在这类飞行器上的传感器来获取地面电磁波信息的遥感。

几种卫星:

（1）NOAA／A VHRR资料

1978年10月13日，TIROS─1卫星的发射，标志着美国的气象卫星以NOAA系列为代表，它安装了高级甚高分辨率辐射计A VHRR(Advanced V ery High Resolution Radiometer)，因时间分辨率高，成像面积大，成本低和不受地理条件限制等优点，被广泛的应用于农业资源调查，农作物长势监测和农作物估产等方面。

（2）Landsat /MSS和TM资料

Landsat是由美国发射的一种利用星载遥感器获取地球表面图象数据进行地球资源调查的卫星。

前三颗使用的星载传感器是多光谱扫描仪（MSS--Multi-spectral Scanner) 和反束光导管摄像机(RBV)，有四个不同波段，地面分辨率为80m；

Landsat-4以后增加了专题成像扫描仪（TM--Thematic Mapper），有七个不同波段工作，地面分辨率为30m。

（3）SPOT/ HRV资料

SPOT卫星是由法国所发射的地球观测实验卫星，搭载两台高分辨率遥感器HRV（High Resolution Visible Imaging System），具有多光谱（XS）和全色（PA）两种模式，因其分辨率较高而被广泛应用。

（4）Radarsat/SAR资料

加拿大研制的雷达卫星(Radarsat-1)已于1995年发射，以后将发射一系列的Radarsat卫星，在Radarsat卫星上搭载的合成孔径雷达(SAR) 。

Radarsat/SAR资料有以下优点：①微波可以穿透除暴雨外的云层，这对于处在多阴雨地区而难以获得遥感资料的水稻遥感估产是非常有意义的；②对雷达图象的解译可以得到在可见光和红外波段无法得到的信息。

陆地卫星的传感器

在陆地卫星1—3号上装载的传感器有:反束光导管摄像机（RBV）、多光谱扫描仪（MSS）。

在陆地卫星4、5号上，装载多光谱扫描仪（MSS）外，还装载专题制图仪（TM）；

新的陆地卫星上，安装增强型的专题制图仪（ETM）。

前三颗陆地卫星上装载的RBV(出故障，回收的图像很少。4、5号陆地卫星再没有装载这种传感器)。以下主要介绍多光谱扫描仪（MSS）和专题制图仪（TM）。

多光谱扫描仪（Multi Spectral Scaner）（MSS）

多光谱扫描仪是把来自地面上地物的电磁波辐射（反射或发射）分成几个不同的光谱波段，同时扫描成像的一

专题制图仪（Thematic Mapper—TM）

专题制图仪是新型光学机械扫描仪，与多光谱扫描仪相比，它具有更好的波谱选择性，更好的几何保真度，更高的辐射准确度和分辨率。

增强型专题制图仪（ETM）:

在新的陆地卫星上将安装增强型专题制图仪，它是在TM传感器的基础上增加了一个波长0.5—0.9μm的全色波段，称为pan波段，其瞬时视场为13m×15m。其他7个波段的波长范围、瞬时视场均与TM相同。

光谱效应

光谱效应不同:不同地物(即或同一地物)，在不同光谱波段的图像上，其色调是不相同的，这种差异反映在黑白像片或图像上就是色调深浅的不同；在彩色图像上则表现为色彩的差异。

也就是说，采用不同波段图像判读，识别地物的能力和判读效果是不一样的。

遥感图像的校正

遥感影像由于大气吸收、散射和遥感检测系统的频率特性以及其它随机因素影响，使图像模糊失真，造成图像的分辨率和对比度下降。因而需要对数字图像进行校正，校正主要包括：

辐射校正, 大气校正, 去条带, 几何纠正, 图像放大

（1）辐射校正

进入传感器的辐射强度反映在图像上就是亮度值(灰度值)。辐射强度越大，亮度值(灰度值)越大。该值主要受两个物理量影响：一是太阳辐射照射到地面的辐射强度，二是地物的光谱反射率。

当太阳辐射相同时，图像上像元亮度值的差异直接反映了地物目标光谱反射率的差异；但实际测量时，辐射强度值还受到其他因素的影响而发生改变。这一改变的部分就是需要校正的部分，故称为辐射畸变。

引起辐射畸变有两个原因：一是传感器仪器本身产生的误差；二是大气对辐射的影响。仪器引起的误差是由于多个检测器之间存在差异，以及仪器系统工作产生的误差，这导致了接收的图像不均匀，产生条纹和“噪声”。辐射校正由生产单位进行校正。

（2）大气校正大气校正由用户进行。大气吸收、散射、透射等/云层等的影响。

（3）去条带遥感图象在成象时，由于检测系统的第六条扫描线上故障造成扫描线脱落，这时往往没有任何信息，在图象上只显示一条黑线，有时也会出现分段的黑线，这些都称做条带噪声，对于这些条带噪声必须进行处理，这种处理过程就是去条带。

(4)几何纠正遥感成象时，由于飞行器姿态（侧滚，俯仰，偏航）、高度、速度，地球自转等因素而造成图象相对于地面目标而发生畸变，畸变表现为象元相对于实际位置发生挤压、扭曲、伸展和偏移等等，这种畸变是随机产生的，多采用地面控制点的方法进行纠正。

五、作物光谱数据分析方法

5.1．利用基于作物原始反射率的参数作为估测因子

高光谱反射峰谷特征值

主要关注植被反射光谱曲线中的反射峰与吸收谷中心波长的位置，分别为455、550、680、980、1090、1200、1285、1468、1685和2200 nm。

510--570nm最大反射率值及对应的波长（绿峰）。

640--680nm最小反射率及对应波长（红谷）。

包络线技术提取反射和吸收特征参量

利用包络线技术在反射峰和吸收谷区域提取参量。

5.2．利用光谱植被指数作为估测因子

＊光谱植被指数是指由多（高）光谱数据经线性或非线性组合而成的对植物生长有一定指示意义的数值或组合形式。

植物光谱中红波段和近红外波段反射率及其相互关系，是构成各种植被指数的核心。

红波段被植物叶绿素强吸收，进行光合作用制造干物质，它是光合作用的代表。.

近红外波段是叶子健康状况最灵敏的标志，它对植被差异及植物长势反映敏感，指示着光合作用能否正常进行。

常见的植被指数模型＊

归一化植被指数(NDVI)

＊归一化植被指数定义为近红外波段与可见光红波段数值之差和这两个波段数值之和的比值，即NDVI=（RIR-RR ）/（RIR+RR ）。

它是植物生长状态及植物空间分布密度的最佳指示因子。与植物分布密度呈线性相关，因此又称为生物量（Biomass）指标。Inoue等发现，归一化指数NDVI(R1l00,R610)可以估计水稻群体叶片氮积累量。

比值植被指数（RVI）

＊RVI是指近红外波段与可见光红波段数值的比值，即RVI= RIR/RR。

RVI与叶面积指数（LAI）、叶干生物量、叶绿素含量相关最好。RVI常用于植被旺盛、具有高覆盖度的植物的监测。薛利红等研究近红外与绿光波段的比值（R810/R560）与叶面积指数(LAI)呈显著线性关系。

5.3 利用导数技术及“三边”参数作为估测因子

分别在490-530 nm、550-582 nm和680-750 nm范围内确定蓝边、黄边和红边位置、斜率和面积。

＊红边位置为红光范围内一阶导数光谱最大值所对应的波长。

＊红边斜率为反射率一阶导数光谱的最大值。

＊红边面积为反射率一阶导数光谱线所包围的面积。

黄边

蓝边

5.4.利用多元统计方法构造定量模型进行估测

逐步多元回归。

偏最小二乘回归是一种多因变量对多自变量的回归建模方法。它是多因变量对多自变量的回归建模，当各变量集体内部存在较高程度的相关性时，用偏最小二乘回归进行回归建模分析，对比逐个因变量做多元回归更加有效，其结论更加可靠，整体性更强。

偏最小二乘回归可以较好地解决许多以往普通多元回归无法解决的问题。集多元回归分析、典型相关分析和主成分分析的基本功能为一体，能提高系统建模地准确性。

目前在作物氮素营养诊断和监测中被广泛应用。

卫星规格

小卫星（3米长，2米宽）

数据获取能力~57 景/条轨道~7000万km2 /年~950公斤

携带燃料够用7年

快鸟幅宽仍是最宽

一景之内有更多目标

更快地建立存档数据库

面积较大时镶嵌工作量大大减少

几何精校正方便

QuickBird高分辨率遥感数据应用

林业管理

有效地远程监控伐木及其相关的人类活动：

变化监测森林采伐道路修建房屋修建木材运输红外假彩色图像--------很容易区分针叶林和落叶林

林业存量评估针叶林遭受虫害的范围

环境监测赤潮，珊瑚礁生长

自然灾害监测与评估地震

武器系统确认

不同型号的舰船码头上的活动是否准备起航修整/维护

复习

遥感的概念

遥感的特征

遥感的三大技术系统

黑体、大气窗口、植被指数的概念：

地物波谱概念：

植被、土壤、水体等典型地物在可见光和近红外的反射光谱特征

归一化差值植被指数:

比值植被指数:

“红边”参数概念