人工智能在草地資源監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的思考

李慧芹

（新疆草原總站，烏魯木齊 830049）

天然草地是人類生活、生產(chǎn)環(huán)境和能量需求的自然體，也是一種特殊的自然資源。草地這種自然資源，對(duì)生態(tài)環(huán)境、水源涵養(yǎng)、凈化空氣、水土保持等起到一定的作用，也是畜牧業(yè)生產(chǎn)資料供給的主要來(lái)源。因此在推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、加強(qiáng)草原資源保護(hù)和生態(tài)修復(fù)的倡導(dǎo)下，加強(qiáng)草原資源與生態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)顯得尤其重要。人工智能作為一種人、機(jī)器、方法、思想的結(jié)合體[1]，已應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，國(guó)際上很多國(guó)家都在探索利用這種高新技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提質(zhì)增效，其中人工智能基于智慧農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)的新發(fā)展理念已得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一些應(yīng)用，為人工智能和草地調(diào)查監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的深度融合應(yīng)用提供了有力的參考。

1 人工智能的原理

1.1 人工智能的概述

人工智能（Artificia1 Inte11igence，簡(jiǎn)稱AI），拉斐爾說：“是一門科學(xué)，這門科學(xué)讓機(jī)器做人類需要智能才能完成的事。”人工智能研究創(chuàng)建出可以與人類的思想媲美的計(jì)算機(jī)軟件或硬件智能[1]，設(shè)計(jì)擁有一定智能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，研究如何讓系統(tǒng)去做過去需要人類的智力才能完成的工作，換句話說研究如何使用計(jì)算機(jī)的軟硬件來(lái)仿造人類一些智能行為的學(xué)科、方法和技術(shù)。主要包括系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能的原理、設(shè)計(jì)類似于人腦智慧的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，讓系統(tǒng)能完成更高層次的應(yīng)用。人工智能是人類制造的擁有人的思想的機(jī)器等，在《人工智能》一書中指出“人工智能是由人類、想法、方法、機(jī)器和結(jié)果組成的”[1]。人工智能的原理，用一句話概括就是：人工智能=數(shù)學(xué)計(jì)算。機(jī)器的智能程度，取決于“算法”。

1.2 人工智能的發(fā)展趨勢(shì)

1.2.1 在日常生活中的應(yīng)用

在我們的生活中，大到智慧交通[2]、索菲亞機(jī)器人[3]，小到可以陪孩子讀書的機(jī)器人小智、幫助關(guān)窗簾的機(jī)器人等等，這些都是在日常生活中幫助我們的人工智能機(jī)器，那么對(duì)于我們的工作是否也可以得到它們的幫助呢，這就是我們接下來(lái)要思考的問題。

1.2.2 在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

人工智能在農(nóng)業(yè)中也有著廣泛的應(yīng)用，例如：利用人工智能對(duì)農(nóng)作物病蟲害進(jìn)行監(jiān)測(cè)、生長(zhǎng)狀態(tài)識(shí)別以及雜草辨別、水果品質(zhì)的分級(jí)、果實(shí)成熟度的判別[4]，在農(nóng)產(chǎn)品的分類中，通過ANN算法對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行分類，通過人工智能對(duì)農(nóng)作物的外觀、氣味、形狀等特征進(jìn)行精準(zhǔn)分類[5]，這些都是人工智能在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，綜合來(lái)看，如果能夠?qū)⑦@些利用算法和傳感設(shè)備，結(jié)合人工智能應(yīng)用到草地調(diào)查監(jiān)測(cè)中去，就能很好的對(duì)草原上的土壤、植物種群等多個(gè)方面獲取大量的數(shù)據(jù)。

1.2.3 人工智能在草地資源調(diào)查監(jiān)測(cè)的模型

通過人工智能的傳感設(shè)備將收集到的數(shù)據(jù)通過集成無(wú)線訪問點(diǎn)，再利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境將數(shù)據(jù)發(fā)送至本地?cái)?shù)據(jù)，然后將本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中的底層數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至核心服務(wù)器，通過OA平臺(tái)再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘使用。這樣就可以實(shí)現(xiàn)在陡峭的山區(qū)和大面積的荒漠類無(wú)人區(qū)草原中得到確切的數(shù)據(jù)，從而能夠更深入的了解草地的分布、產(chǎn)量等成因。如圖1。

圖1 人工智能在草地資源調(diào)查監(jiān)測(cè)的模型

2 人工智能在相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用和現(xiàn)狀

2.1 人工智能在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)GPS的精準(zhǔn)定位，利用人工智能的方法和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化的操作。如福建農(nóng)業(yè)畜牧科學(xué)研究所做的利用人工智能算法建立的模型，對(duì)田間墑情診斷、作物養(yǎng)分的監(jiān)測(cè)等進(jìn)行的科學(xué)性實(shí)驗(yàn)[6]，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提高質(zhì)量增加效益等起到一定的作用。同時(shí)一些農(nóng)業(yè)企業(yè)使用了人工智能，設(shè)計(jì)出對(duì)農(nóng)副產(chǎn)品的成長(zhǎng)狀況、生態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)庫(kù)模型，為農(nóng)副產(chǎn)品的有機(jī)生產(chǎn)提供指導(dǎo)依據(jù)。例如，Infosys、IBM Watson IoT和Sakata Seed Inc.在美國(guó)加利福尼亞兩塊田地上布置測(cè)試床等，使用了人工智能+機(jī)器視覺+傳感器，對(duì)土壤、空氣、施肥、植物的成長(zhǎng)狀況進(jìn)行了全方位監(jiān)測(cè)，獲取了18種數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)上傳到Infosys信息平臺(tái)進(jìn)行了數(shù)據(jù)挖掘和人工智能技術(shù)分析，分析結(jié)果提供給企業(yè)決策、物種的研發(fā)系統(tǒng)，作為下一步生產(chǎn)和育種的依據(jù)。

2.2 人工智能在其他行業(yè)的應(yīng)用

在國(guó)家大力推廣人工智能的今天，人工智能已經(jīng)得到了一定的發(fā)展，在一些行業(yè)已經(jīng)得到了應(yīng)用，例如：通過了采用低能耗人工智能（AI）無(wú)線自組網(wǎng)通訊技術(shù)，對(duì)水資源進(jìn)行了全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集和管理平臺(tái)為一體，為治理水資源污染的問題，提供出了高效、精準(zhǔn)的解決方案[7]。見圖2。

圖2 超低能耗人工智能無(wú)線自組網(wǎng)解決

2.3 草地資源調(diào)查監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀和今后的發(fā)展

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在草地資源調(diào)查中也使用了不同于20世紀(jì)80年代調(diào)查的手段和方法。在以RS、GPS、GIS、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)手段為主，結(jié)合入戶調(diào)查、地面勘察等手段，以及人工智能技術(shù)飛速發(fā)展這一因素的推動(dòng)下，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的人工智能圖像檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)形成，有效的增強(qiáng)了圖像檢測(cè)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和及時(shí)性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)圖像檢測(cè)系統(tǒng)的不足[8]，同時(shí)能全面、規(guī)范、精確地獲取草地資源的實(shí)際分布、產(chǎn)量質(zhì)量、環(huán)境及使用狀況等信息。

然而在草地資源調(diào)查監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)的過程中，還是要先進(jìn)行人工地面數(shù)據(jù)的采集，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)，隨后再通過地理信息技術(shù)手段和方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理。在每一次的資源調(diào)查中，我們都要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，即便這樣，有些環(huán)境惡劣的高山或無(wú)人區(qū)等也是不能到達(dá)的，阻礙了對(duì)草地土壤、水分、物種包括草地退化沙化的更深入和更深層次的了解。雖然有遙感影像、定位和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的幫助，也還是不能實(shí)時(shí)對(duì)草地資源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，另外遙感影像技術(shù)是從立體空間的角度對(duì)草地進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)物種和土壤的感知，遠(yuǎn)不及人工智能等利用了傳感技術(shù)和智能芯片傳回的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確和精準(zhǔn)，因此人工智能在草地資源的調(diào)查中的應(yīng)用就顯得尤其重要，也是今后的發(fā)展方向。

3 人工智能在草地資源應(yīng)用中的思考

我們可思考利用國(guó)家已經(jīng)建成的有線電纜、光纜、無(wú)線GPRS、衛(wèi)星通訊等手段，在允許的范圍內(nèi)，對(duì)我們?cè)O(shè)立的固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)使用人工智能（AI）的手段和方法，通過模仿人工采集數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)、GPRS、衛(wèi)星通信或者光纜通信的方式下，匯聚節(jié)點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過逐步接力的方式發(fā)送至上位機(jī)。監(jiān)控調(diào)度中心上位機(jī)對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)草地資源各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

如果實(shí)現(xiàn)了對(duì)草地資源各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，那么就可以對(duì)監(jiān)測(cè)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，從而對(duì)多種參數(shù)進(jìn)行組合分析，比如：可以做到對(duì)提取草地塊上的氣候的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；對(duì)草地塊中的土壤的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；對(duì)草地塊上的水蒸氣的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；對(duì)種群的遷徙進(jìn)行分析；通過這些分析，最后能夠精準(zhǔn)的測(cè)量出草的產(chǎn)量。還能綜合這些數(shù)據(jù)對(duì)草地沙化和退化的成因做進(jìn)一步的分析。

3.1 人工智能在草地資源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域融合的問題

人工智能在網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢等大型系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)已形成了相對(duì)成熟的融合模式，例如：“四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院的基于人工智能的數(shù)據(jù)庫(kù)查詢系統(tǒng)，隨著人工智能這門學(xué)科的不斷發(fā)展，人工智能對(duì)于自我學(xué)習(xí)、自我糾正的能力更加的完善和強(qiáng)大，因此，使用人工智能的機(jī)器人操作數(shù)據(jù)成為了可能[9]，”在醫(yī)療、交通和較大范圍的應(yīng)用，涌現(xiàn)出了一些標(biāo)桿式的案例。可是在草地資源調(diào)查監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中還處于初始階段，草地資源的大型數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)化、智能化還面臨很多的挑戰(zhàn)。

3.1.1 草地資源網(wǎng)絡(luò)建設(shè)差

在草地資源中使用人工智能，解決人力無(wú)法到達(dá)、草地監(jiān)測(cè)任務(wù)難以完成的地方；另外也是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)草地資源的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，因此將人工智能和草地資源作業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行融合應(yīng)用，并將遙感、定位等技術(shù)也進(jìn)行深度融合，使得數(shù)據(jù)+圖像的方式，從空間到地面對(duì)草地資源進(jìn)行深層次的研究。當(dāng)然這就需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出實(shí)時(shí)響應(yīng)和數(shù)據(jù)積累的要求。由于我國(guó)草地資源地理環(huán)境特殊，山區(qū)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)較為落后，草地資源作業(yè)領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用水平也相對(duì)較為落后，成為人工智能在草地資源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域融合的一個(gè)顯著問題。

3.1.2 智能化設(shè)備無(wú)法因地制宜

智能芯片是因業(yè)務(wù)需求的不同而在芯片中內(nèi)置的應(yīng)用有所不同，例如麥卡洛克和皮茨開發(fā)的人工神經(jīng)元的第一個(gè)模型[1]，當(dāng)它植入芯片時(shí)，是作為傳感器中的芯片使用，須要根據(jù)各自的不同傳感需求來(lái)定義你所需要識(shí)別的需求功能是什么。由于草地分布于不同海拔的垂直帶上，對(duì)智能設(shè)備的要求相對(duì)特殊，進(jìn)而對(duì)設(shè)備中的芯片要求也比較高，隨之成本也相應(yīng)增加，且在環(huán)境較差的草場(chǎng)非常容易發(fā)生損壞，進(jìn)而導(dǎo)致智能設(shè)施應(yīng)用受阻。

3.2 草地監(jiān)測(cè)人工智能（AI）系統(tǒng)實(shí)施建議

3.2.1 數(shù)據(jù)的采集和傳輸

依托現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)，在固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安裝帶有攝像、傳感、采集功能的智能讀卡芯片，采用遺傳算法的模型（見圖3）[1]，通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將定期或者不定期的對(duì)固定的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳；至規(guī)定的服務(wù)器上，將遙感影像、定位和地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合匯總至總的管理服務(wù)平臺(tái)中。

圖3 遺傳算法模型

3.2.2 數(shù)據(jù)的清洗和抽取

建立完善的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，使用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)對(duì)獲取的數(shù)據(jù)先進(jìn)行智能判讀，抽取有價(jià)值的數(shù)據(jù)，對(duì)錯(cuò)誤和沒有價(jià)值的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和篩查，結(jié)果提供出來(lái)。

3.2.3 數(shù)據(jù)疊加分析

將數(shù)據(jù)與以往的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，再將其他獲取的影像資料進(jìn)行疊加，對(duì)草地監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度的挖掘和分析。如通過多年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)疊加影像和氣象大數(shù)據(jù)等，進(jìn)行草地生產(chǎn)力與氣象因素關(guān)系的智能分析，建立相關(guān)關(guān)系模型進(jìn)行分析評(píng)價(jià)、草地生產(chǎn)力預(yù)測(cè)等。

3.2.4 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的完善和信息化服務(wù)的建設(shè)將是草地資源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域和人工智能相融合的保障

人工智能技術(shù)給傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)帶了新的技術(shù)理念[10]，加上人工智能對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)路的提升，從而達(dá)到資源實(shí)時(shí)共享[11]，因此，一是加強(qiáng)草地資源環(huán)境的信息基礎(chǔ)設(shè)施的完善，增加互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，提升網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，增強(qiáng)數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用，為創(chuàng)造智能化草地資源系統(tǒng)中各項(xiàng)作業(yè)、采集草原大數(shù)據(jù)做好基礎(chǔ)保障。二是完善草地資源的大型數(shù)據(jù)庫(kù)，為草地資源的數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)整理、分析，進(jìn)而為對(duì)草地資源的修復(fù)、物種的判斷提供依據(jù)。

4 結(jié)論與展望

人工智能在其他領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)是屢見不鮮，而在草地資源作業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用和融合也是我們今后要實(shí)現(xiàn)的手段和方法，實(shí)現(xiàn)智慧草原，深入草地資源作業(yè)專用設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用，是草地資源作業(yè)領(lǐng)域和人工智能融合的前景，也是未來(lái)農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

雖然在實(shí)際的工作中，人工智能技術(shù)存在一些設(shè)備不完善、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不完善、算法限制等，但在逐步的深入研究和探討中，不斷的結(jié)合應(yīng)用和實(shí)踐，一定能夠加以改善，使得草原數(shù)字化、信息化、智能化的腳步更加快速和穩(wěn)固。