《农业信息技术》课程教学资源（讲义，共八章）.pdf_P21-P25

第二章农业信息采集农业生物与环境信息的采集是了解生物生活状态与环境变化情况的基本途径。传统的人工手动观测方法，难以满足人们对农业信息大量、及时、准确性的需求，以计算机为中心的自动信息采集方法，正在逐步代替传统信息采集方法成为农业信息采集的主要手段。第一节计算机数据采集管理系统概述计算机数据采集管理系统是数据采集、监控、管理系统的简称，融合了现代微电子技术、计算机技术、通信技术和显示技术，可以实现系统信息的采集、处理、存储和管理。以监测、控制为主的农业生物环境，应用数据采集管理系统，可以实现环境的实时监测与控制，为农业生物的生长发育和产品的贮藏创造良好环境，促进农业高产、稳产和高效发展。一、数据采集管理系统的典型结数据采集管理系统的典型结构如图2.1所示，由信号调理电路、数据采集器、计算机I/O接口、计算机硬件和软件系统、数模转换器等部分组成。微数信据机显传感器1号采1/0示1调微集接器传感器采型理器口集计现算微1场应信机D/A机记录仪用号转1/0/-软调换接控制设备一件理口图2.1数据采集管理系统的典型结构框图（一）信号调理器被采集的量（物理、化学、生物量等）经过传感器转换为方便处理的电量（一般为电压、电流、电阻和脉冲量）。信号一般为模拟信号，也有数字信号或开关信号。常用传感器有热敏传感器、光敏传感器、湿敏传感器、压力传感器、位移传感器、电化学传感器和生物传感器等。系统采集的信号多为模拟信号，且为多元弱信号，易受系统自身和外界干扰，需要在系统前端添加信号调理电路（滤波器、变换器、前级放大器、隔离电路），实现阻抗变换、信号变换、滤波、放大、隔离保护等功能。（二）数据采集器22

一般由多路开关MUX、测量放大器、采样保持器S/H、数模转换器A/D（Analogue一to一digital）组成，完成多路信息的采集、放大和数字化处理。（三）微机I/O接口微机接口是计算机与外界进行信息交换的通道和窗口。采集器输出的数字信号经总线送给微机接口，再经I/O通道送给微机处理。（四）数模转换器将微机输出的数字信号再转换为模拟信号，以完成计算机的输出记录和对外界设备的自动控制。（五）应用软件与监控程序应用软件是计算机数据采集管理系统的灵魂，有了应用软件才能充分发挥采集系统的功能。监控程序负责调度数据采集系统的各应用程序模块，并与系统的外部设备及时交换信息。监控程序在在线状态下，能接收来自键盘或接口的操作命令，并解释、执行，实现系统硬、软件资源的管理。二、数据采集管理系统的基本功能（一）时钟功能时钟是系统自动运行的中枢，系统定时采集、分时操作都按时钟的节拍进行。（二）信息采集功能信息采集是系统实施控制和管理的基础，可以设定为定时采集、实时采集；单项采集、多项采集。（三）数据处理功能数据自动处理是计算机数据采集系统的突出特点。数据处理包括数据预处理和数据二次处理，前者指数字滤波、A/D转换、标度转换、线性化处理等，后者指数据运算、数据变换、图形处理等。（四）数据存储功能系统具有较强的数据存储能力是计算机数据采集系统的又一特点。采集系统可以存储实时采集的数据和历史数据。（五）控制功能采集系统可以实现现场环境的调控，实现生产管理自动化。（六）自诊断功能采集系统应用软件实现系统超限报警、状态自检、自动复位等自诊断功能，提高系统的可靠性。（七）信息输出功能采集系统可以方便地与外界交换信息，如图形显示、报表打印、硬拷贝等。总之，计算机数据采集管理系统随着采集硬件和计算机软件技术的不断发展，采集系统功能也在不断增强。自前，数据采集管理系统可分为集中数据采集处理系统集散型数据采集管理系统、分布式数据采集与管理网络等，分别适宜于小型、中型和大型系统的数据采集与管理。第二节农田生物信息的采集与处理23

23 一般由多路开关 MUX、测量放大器、采样保持器 S/H、数模转换器 A/D（Analogue －to－digital）组成，完成多路信息的采集、放大和数字化处理。（三）微机 I/O 接口微机接口是计算机与外界进行信息交换的通道和窗口。采集器输出的数字信号经总线送给微机接口，再经 I/O 通道送给微机处理。（四）数模转换器将微机输出的数字信号再转换为模拟信号，以完成计算机的输出记录和对外界设备的自动控制。（五）应用软件与监控程序应用软件是计算机数据采集管理系统的灵魂，有了应用软件才能充分发挥采集系统的功能。监控程序负责调度数据采集系统的各应用程序模块，并与系统的外部设备及时交换信息。监控程序在在线状态下，能接收来自键盘或接口的操作命令，并解释、执行，实现系统硬、软件资源的管理。二、数据采集管理系统的基本功能（一）时钟功能时钟是系统自动运行的中枢，系统定时采集、分时操作都按时钟的节拍进行。（二）信息采集功能信息采集是系统实施控制和管理的基础，可以设定为定时采集、实时采集；单项采集、多项采集。（三）数据处理功能数据自动处理是计算机数据采集系统的突出特点。数据处理包括数据预处理和数据二次处理，前者指数字滤波、A/D 转换、标度转换、线性化处理等，后者指数据运算、数据变换、图形处理等。（四）数据存储功能系统具有较强的数据存储能力是计算机数据采集系统的又一特点。采集系统可以存储实时采集的数据和历史数据。（五）控制功能采集系统可以实现现场环境的调控，实现生产管理自动化。（六）自诊断功能采集系统应用软件实现系统超限报警、状态自检、自动复位等自诊断功能，提高系统的可靠性。（七）信息输出功能采集系统可以方便地与外界交换信息，如图形显示、报表打印、硬拷贝等。总之，计算机数据采集管理系统随着采集硬件和计算机软件技术的不断发展，采集系统功能也在不断增强。目前，数据采集管理系统可分为集中数据采集处理系统、集散型数据采集管理系统、分布式数据采集与管理网络等，分别适宜于小型、中型和大型系统的数据采集与管理。第二节农田生物信息的采集与处理

一、农田生物系统的信息（一）农田生物信息的类型在农作物生长过程中，人们要实时观测农作物生理特征、作物结构特征、病虫草害危害特征，以便适时采取相应的由间管理措施，实现农作物高产、优质和高效的目标。1.农作物生理功能信息农作物地上部叶片的光合速率、呼吸强度、蒸腾速率以及地下部根系对养分、水分的吸收、运输与转化状况等生理功能信息，是人们判断作物群体与个体生长发育是否正常的基本依据之一，需要采用各种特殊的仪器或传感器来取得，而其具有的时间与空间分布特征则需要用多传感器技术。2.农作物结构信息农田作物的结构包括微观结构与宏观结构。作物的微观结构指农田作物生物大分子的形态结构及其组成成分，如组织中大量元素和微量元素的组成，以及有机成分如蛋白质、碳水化合物、脂肪类、色素和激素等生长调节剂的成分与含量，可以用各种仪器分析方法如光谱分析、色谱分析、质谱分析、电化学分析法等测量。作物的宏观结构包括：作物各个生长阶段的生长状况、生长速度、群体基本苗数、叶面积系数、覆盖率、植株高度、分葉数，以及单株的形态特征，包括叶片的长度、宽度、面积以及叶片的伸展状况等；根的生长速度和长度、作物根系在土壤中的分布状况。作物的宏观结构特征是确定农业措施需要了解的基本数据，属于宏观信息，常规的仪器分析技术准确性低、速度慢，难以取得组分的空间分布信息，应用受到限制。可以用光谱分析结合计算机图形、图象处理技术来取得农作物形态结构信息。3.农作物病虫草害信息农由作物病虫害发生、流行的状况、危害的程度以及杂草对农作物生产的胁迫状况，可为农田病虫草害防治提供决策依据。这些生物信息可以通过化学、物理传感器来取得，也可以采用计算机图形、图象处理技术对病虫草害信息进行采集。（二）农田生物信息的特点与研究方法1.农由生物信息的层次性农田作物物种不同、生长状况不同、群体与个体结构形态不同，而同一物种结构也有微观和宏观结构之分。对微观信息的采集主要采用光谱、波谱、色谱、质谱等仪器分析的方法：对宏观信息的传统的采集方法主要依靠人的感官进行定性描述，而计算机图形、图象学方法可以对宏观物体的形态特征、纹理特征与灰度特征进行定量描述。2.农业生物信息的多元性农田生物系统十分复杂，其生物信息表现出多元性特点，通常为满足活体、整体和动态测定的要求，采集到的信息往往是多种组分信息的叠加，信息采集需要用多种传感器的协同工作，其信息的分离、利用则需要多组分信息分离技术，运用化学计量学方法。3.农由生物信息属于弱信息各种农田生物信息包含于复杂的农田环境系统中，许多非生物环境产生了很强的24

24 一、农田生物系统的信息（一）农田生物信息的类型在农作物生长过程中，人们要实时观测农作物生理特征、作物结构特征、病虫草害危害特征，以便适时采取相应的田间管理措施，实现农作物高产、优质和高效的目标。 1．农作物生理功能信息农作物地上部叶片的光合速率、呼吸强度、蒸腾速率以及地下部根系对养分、水分的吸收、运输与转化状况等生理功能信息，是人们判断作物群体与个体生长发育是否正常的基本依据之一，需要采用各种特殊的仪器或传感器来取得，而其具有的时间与空间分布特征则需要用多传感器技术。 2．农作物结构信息农田作物的结构包括微观结构与宏观结构。作物的微观结构指农田作物生物大分子的形态结构及其组成成分，如组织中大量元素和微量元素的组成，以及有机成分如蛋白质、碳水化合物、脂肪类、色素和激素等生长调节剂的成分与含量，可以用各种仪器分析方法如光谱分析、色谱分析、质谱分析、电化学分析法等测量。作物的宏观结构包括：作物各个生长阶段的生长状况、生长速度、群体基本苗数、叶面积系数、覆盖率、植株高度、分蘖数，以及单株的形态特征，包括叶片的长度、宽度、面积以及叶片的伸展状况等；根的生长速度和长度、作物根系在土壤中的分布状况。作物的宏观结构特征是确定农业措施需要了解的基本数据，属于宏观信息，常规的仪器分析技术准确性低、速度慢，难以取得组分的空间分布信息，应用受到限制。可以用光谱分析结合计算机图形、图象处理技术来取得农作物形态结构信息。 3．农作物病虫草害信息农田作物病虫害发生、流行的状况、危害的程度以及杂草对农作物生产的胁迫状况，可为农田病虫草害防治提供决策依据。这些生物信息可以通过化学、物理传感器来取得，也可以采用计算机图形、图象处理技术对病虫草害信息进行采集。（二）农田生物信息的特点与研究方法 1．农田生物信息的层次性农田作物物种不同、生长状况不同、群体与个体结构形态不同，而同一物种结构也有微观和宏观结构之分。对微观信息的采集主要采用光谱、波谱、色谱、质谱等仪器分析的方法；对宏观信息的传统的采集方法主要依靠人的感官进行定性描述，而计算机图形、图象学方法可以对宏观物体的形态特征、纹理特征与灰度特征进行定量描述。 2．农业生物信息的多元性农田生物系统十分复杂，其生物信息表现出多元性特点，通常为满足活体、整体和动态测定的要求，采集到的信息往往是多种组分信息的叠加，信息采集需要用多种传感器的协同工作，其信息的分离、利用则需要多组分信息分离技术，运用化学计量学方法。 3．农田生物信息属于弱信息各种农田生物信息包含于复杂的农田环境系统中，许多非生物环境产生了很强的

背景信息，使生物信息变成了弱信息，给生物信息的提取带来一定的困难，必须采用弱信息提取与恢复技术，使弱信息变强。4.农由生物信息的时空分布特征农田生物信息随空间和时间不断发生动态变化，生物信息采集要考虑空间分布特征和时间分布特征，注重实时性和空间分布差异，采用计算机图形、图象处理技术。二、农田生物信息采集与处理系统（一）系统组成农田生物信息采集与处理系统由硬件和软件两部分组成。1.硬件部分该系统硬件部分可分为：信息检测系统、信息调理系统和计算机硬件系统（图2.2）。模拟信号信号调理模拟信号1信息检测显示器计算机系统系统【（处理信息》..七打印机控制信号输入设备图2.2农田生物信息采集与处理系统硬件组成框图（1）信息检测系统①图象传感器农田作物的形态结构特征可以通过野外安装的与计算机联机的摄像机采集作物群体和个体的形态结构信息，以便对病虫草害、裁培措施等进行模式识别，也可以获得作物生长发育的状态信息。为了能立体观察物体，可以使用2台摄像机或采用镜面反射获得三维结构信息。2光谱传感器反射光谱包含「丰富的物质结构及其组成信息。通过测定作物群体和个体的反射光谱可以获得作物生育阶段信息和叶绿素等各种色素、蛋白质、淀粉等物质含量的信息：同时也可以测定作物的生物产量与经济产量：作物病虫害的发生规律也可以通过其作物冠丛表面的反射光谱进行观察监测。在田间安装与计算机联机的可见光、近红外光分光装置，可以实现波长在0.4um～2.5um范围内连续扫描、定时扫描，基于要求太阳的高度角必须达到一定的高度，在测量时间上还要求在上午9：00～下午2：00进行，可以实现准确的遥测数据采集。③生理信息传感器作物的产量与生理活动，如光合速率与呼吸速率、由间温度、光照强度等的变化关系密切，采用生理信息采集系统，可以实现随时观测田间作物的生理信息的变化。④实验室分析仪器室内分析仪器按其原理可分为：光谱分析仪器、色谱分析仪器、电化学分析仪器及其它仪器。光谱分析仪器包括紫外可见分光光度计、红外分光光度计、原子吸收分光光度计、荧光分光光度计、原子发射光谱仪、拉曼光谱仪、旋光色散与圆二色性测量仪等。色谱分析仪器包括气相色谱仪、高效液相色谱仪、薄层色谱仪以及氨基酸自动分析仪等。电化学分析仪器包括电极电位测定仪和电导测量仪等。另外，还有核磁共振仪、电子自旋共振仪和质谱仪等。这些仪器都可与计算机联机，实现分析数据的自动采集与处理。25

25 背景信息，使生物信息变成了弱信息，给生物信息的提取带来一定的困难，必须采用弱信息提取与恢复技术，使弱信息变强。 4．农田生物信息的时空分布特征农田生物信息随空间和时间不断发生动态变化，生物信息采集要考虑空间分布特征和时间分布特征，注重实时性和空间分布差异，采用计算机图形、图象处理技术。二、农田生物信息采集与处理系统（一）系统组成农田生物信息采集与处理系统由硬件和软件两部分组成。 1．硬件部分该系统硬件部分可分为：信息检测系统、信息调理系统和计算机硬件系统（图 2.2）。图 2.2 农田生物信息采集与处理系统硬件组成框图（1）信息检测系统 ①图象传感器农田作物的形态结构特征可以通过野外安装的与计算机联机的摄像机采集作物群体和个体的形态结构信息，以便对病虫草害、栽培措施等进行模式识别，也可以获得作物生长发育的状态信息。为了能立体观察物体，可以使用 2 台摄像机或采用镜面反射获得三维结构信息。 ②光谱传感器反射光谱包含了丰富的物质结构及其组成信息。通过测定作物群体和个体的反射光谱可以获得作物生育阶段信息和叶绿素等各种色素、蛋白质、淀粉等物质含量的信息；同时也可以测定作物的生物产量与经济产量；作物病虫害的发生规律也可以通过其作物冠丛表面的反射光谱进行观察监测。在田间安装与计算机联机的可见光、近红外光分光装置，可以实现波长在 0.4µm～2.5µm 范围内连续扫描、定时扫描，基于要求太阳的高度角必须达到一定的高度，在测量时间上还要求在上午 9：00～下午 2：00 进行，可以实现准确的遥测数据采集。 ③生理信息传感器作物的产量与生理活动，如光合速率与呼吸速率、田间温度、光照强度等的变化关系密切，采用生理信息采集系统，可以实现随时观测田间作物的生理信息的变化。 ④实验室分析仪器室内分析仪器按其原理可分为：光谱分析仪器、色谱分析仪器、电化学分析仪器及其它仪器。光谱分析仪器包括紫外可见分光光度计、红外分光光度计、原子吸收分光光度计、荧光分光光度计、原子发射光谱仪、拉曼光谱仪、旋光色散与圆二色性测量仪等。色谱分析仪器包括气相色谱仪、高效液相色谱仪、薄层色谱仪以及氨基酸自动分析仪等。电化学分析仪器包括电极电位测定仪和电导测量仪等。另外，还有核磁共振仪、电子自旋共振仪和质谱仪等。这些仪器都可与计算机联机，实现分析数据的自动采集与处理