1、现 代 农 业 研 究Modern Agriculture Research第29卷引言农业是人类社会的重要支柱产业之一，而气象是农业生产的关键因素之一。随着机器学习技术的快速发展，越来越多的农业生产领域开始将其应用于气象数据的分析和处理中。机器学习技术可以通过对气象数据的分析和处理，生成各种有用的制图和区划图，帮助农业工作者更好地了解农业气象的变化趋势和规律，并做出更加科学的决策。本文将探讨机器学习技术在农业气象中的应用，包括利用机器学习技术生成气象区划图、制图图形、作物生长时间分布图和土壤类型分布图等，以及机器学习在农业气象领域中面临的挑战和未来的发展趋势和前景展望。1 机器学习技术概述机
2、器学习是一种利用算法从数据中学习并自动改善系统性能的技术。在机器学习中，算法会从输入的数据中学习规律和模式，并根据这些规律和模式对新的数据进行预测或决策。机器学习技术可以分为三种类型：有监督学习、无监督学习和强化学习。有监督学习是指在训练模型时，提供给模型的数据有预先确定的正确答案。例如，在农业气象领域中，可以使用有监督学习的方机器学习技术在农业气象中的应用机器学习技术在农业气象中的应用（河北科技师范学院河北，秦皇岛066004）【摘要】本文介绍了机器学习技术在农业气象领域的应用，涵盖了机器学习在农业气象数据处理、预测模型、制图与区划等方面的应用。机器学习技术可以帮助农业工作者更加精准地了解气
3、象变化趋势和规律，制定科学的作物种植和管理方案，提高农业生产效率和收益。同时，本文也指出了机器学习在农业气象领域面临的挑战，包括数据质量和数据量、模型准确性和泛化能力、跨学科融合和技术创新等方面的问题。最后，本文展望了机器学习在农业气象领域的未来发展趋势和前景，预计机器学习将进一步结合多种数据来源，提高模型的准确性和可靠性，同时加强数据质量和标注、增强模型的泛化能力、推动跨学科融合等方面的发展。【关键词】机器学习；农业气象；气象数据；无人机技术；物联网技术中图分类号：S163文献识别码：A文章编号：2096-1073（2023）08-0136-139赵思琪，吕晓宇，王智勇，秦志伟，李玉香*ZH
4、AO Siqi,LYU Xiaoyu,WANG Zhiyong,QIN Zhiwei,LI Yuxiang*Abstract This paper introduces the application of machine learning technology in the field of agricultural meteorology,covering the application of machine learning in agrometeorology data processing,prediction model,mapping andregionalization,etc
5、.Machine learning technology can help agricultural workers to more accurately understand the trends andlaws of meteorological changes,develop scientific crop planting and management programs,and improve the efficiency andbenefits of agricultural production.At the same time,this paper also highlights
6、 the challenges of machine learning inagrometeorology,including data quality and data quantity,model accuracy and generalization ability,interdisciplinaryintegration,and technological innovation.Finally,this paper looks forward to the future development trend and prospects ofmachine learning in the
7、field of agricultural meteorology.It is expected that machine learning will further combine various datasources to improve the accuracy and reliability of models,while strengthening the data quality and annotation,enhance thegeneralization ability of models,and promote the development of interdiscip
8、linary integration.Key words machine learning;agrometeorology;meteorological data;uav technology;internet of things technology(HebeiNormalUniversityofScienceandTechnologyQinhuangdao,Hebei066004)Application of Machine Learning Techniques in AgrometeorologyApplication of Machine Learning Techniques in
9、 Agrometeorology收稿日期：2023-02-14基金项目：2018年教育部产学合作协同育人项目“基于Python的数据分析与智能开发人才培养实践”（项目编号：201801037002）；2018年教育部产学合作协同育人项目“Python全栈开发人才培养实践”（项目编号：201802057003）。作者简介：赵思琪（2000.07-），女，汉族，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向：农业工程与信息技术；吕晓宇（1998.06-），男，汉族，山西阳高人，硕士研究生，研究方向：农业工程与信息技术；王智勇（2000.02-），男，汉族，河北怀安人，本科在读，研究方向：数据分析与处理；秦志伟
10、（2002.04-），男，汉族，河北衡水人，本科在读，研究方向：数据分析与处理。*通讯作者：李玉香（1964.07-），女，汉族，河北怀来人，硕士，教授，硕士生导师，研究方向：数据分析与处理，农业工程与信息技术。136赵思琪，吕晓宇，王智勇等：机器学习技术在农业气象中的应用法根据历史气象数据和作物生长数据来预测未来的产量水平。有监督学习的方法适用于那些有明确答案的问题，例如分类、回归等。无监督学习是指在训练模型时，没有提供给模型预先确定的正确答案。模型需要自行从数据中学习到其中的结构和模式，并利用这些结构和模式来对数据进行分类、聚类等操作。在农业气象领域中，可以使用无监督学习的方法对气象站点数
11、据进行聚类分析，生成不同的气象区划图，为农业生产提供更加精准的气象信息。无监督学习的方法适用于那些无明确答案的问题，例如异常检测、数据降维等。强化学习是一种通过不断试错来学习最优决策的方法。在强化学习中，模型会接收来自环境的信息，并根据这些信息采取行动。每次行动后，模型会收到一个奖励或惩罚信号，从而调整自己的策略，以便在未来获得更多的奖励。在农业气象领域中，可以使用强化学习的方法来制定最优的农业生产方案，例如根据作物生长的需要和气象条件，优化灌溉方案和施肥方案等。机器学习技术在农业气象领域的应用非常广泛，可以利用大量的气象数据来训练模型，并从中学习到气象因素的规律和趋势。例如，可以使用机器学习
12、技术来预测农作物的生长情况、病虫害发生的概率、土壤的湿度和温度等气象因素，为农业生产提供更加精准的气象信息和决策支持1。随着机器学习技术的不断发展和完善，相信其在农业气象领域的应用将会更加深入。随着物联网技术的发展，越来越多的气象传感器被普遍应用于农业生产中，从而为机器学习提供了更加丰富和多样化的数据来源。另外，深度学习技术的应用也为农业气象领域带来了新的机遇。例如，可以使用深度学习技术来识别农田中的作物种植面积和类型，从而提高土地利用效率和农业生产的精准性。然而，在实际应用中，机器学习技术也面临一些挑战和限制。例如，气象数据中存在噪声和缺失值，这会影响机器学习模型的准确性和稳定性。此外，机器
13、学习模型的可解释性也是一个重要问题。在农业气象领域中，很多决策需要考虑到人类的价值观和道德标准，因此需要机器学习模型能够提供可解释的结果，从而增强模型的可信度和可接受性。机器学习技术在农业气象领域的应用具有广泛的前景和潜力。随着技术的不断发展和完善，相信机器学习将会成为农业生产的重要支撑，为农民提供更加精准、高效、可持续的农业生产服务。2 机器学习技术在农业气象工作中的应用2 2.1 1 制图与区划通过机器学习技术，可以对农业气象数据进行分析和处理，生成各种制图和区划图。例如，可以利用机器学习技术，对气象站点数据进行聚类分析，生成不同的气象区划图，为农业生产提供更加精准的气象信息。机器学习技术
14、在农业气象领域中的应用非常广泛，其中包括对气象数据的分析和处理，以便生成各种有用的制图和区划图。这些图形可以帮助农业工作者更好地了解农业气象的变化趋势和规律，并做出更加科学的决策2。通过机器学习技术，可以对农业气象数据进行聚类分析，从而生成不同的气象区划图。这些图形可以帮助农业工作者更好地了解不同地区的气象变化规律和趋势，从而更好地预测气象变化，并制定出更加科学的种植和管理方案。此外，机器学习技术还可以通过对气象数据的分析，生成不同的制图图形，例如降水分布图、温度变化图等，这些图形可以为农业工作者提供更加精准的气象信息，帮助他们更好地了解农作物的生长情况和发展趋势。机器学习技术在制图和区划方面
15、的应用还不止于此。例如，机器学习技术可以通过对历史气象数据和作物生长数据的分析，生成作物生长的时间分布图和产量分布图，为农业工作者提供更加准确的作物种植和管理建议。此外，机器学习技术还可以生成不同的土壤类型分布图，帮助农业工作者更好地选择作物种植地点和制定土壤管理策略。机器学习技术在农业气象领域的制图和区划方面的应用非常广泛，这些图形可以为农业工作者提供更加准确和有用的气象信息，帮助他们更好地预测气象变化，制定科学的作物种植和管理方案，提高农业生产的效率和收益。2 2.2 2 预测模型在农业气象领域中，机器学习技术的应用范围不仅仅局限于制图和区划，还可以应用于建立预测模型。利用机器学习技术对历
16、史气象数据和作物生长数据进行训练，可以建立作物产量预测模型，以更好地预测未来作物的产量水平。同时，机器学习技术可以对不同气象因素与作物生长的关系进行建模，并利用这些模型来预测作物的生长情况和发展趋势，帮助农业工作者更好地了解作物生长的规律和趋势。此外，机器学习技术还可以根据不同气象条件和作物类型，建立适用的农业管理模型，例如农药施用模型和灌溉模型等，帮助农业工作者做出更加科学的决策。然而，预测模型的建立需要大量的数据集和标注，以及模型准确性和泛化能力的不断提升，这是未来应用机器学习技术在农业气象领域中需要解决的问题。因此，机器学习技术需要不断改进和发展，以更好地服务于农业生产，并提高农业生产的
17、效率和收益。这是未来应用机器学习技术在农业气象领域中需要解决的问题。2 2.3 3 智能决策支持机器学习技术还可以应用于智能决策支持系统的开发。通过对农业气象数据的分析和处理，可以建立一个智能决策支持系统，帮助农业工作者更好地制定作物种植和管理方案。例如，当系统发现未来几天气温较高，且降雨量较少时，系统可以自动提醒农业工作者采取相应的措施，例如加强灌溉、减少作物密度等，以减轻作物受到的影响。智能决策支持系统的开发可以大大提高农业生产的效率和收益，同时也可以降低农业生产过程中的风险和成本。137现 代 农 业 研 究Modern Agriculture Research第29卷2 2.4 4 检
18、测与观测机器学习技术可以对农业气象数据进行实时监测和观测，例如可以利用卫星遥感数据和气象站点数据，对农作物的生长状况进行监测和预测，提供农业生产的决策依据。机器学习技术在农业气象领域中的应用不仅限于制图和区划，还可以通过实时监测和观测气象数据，为农业生产提供更加精准的决策依据。例如，通过利用卫星遥感数据和气象站点数据，机器学习技术可以对农作物的生长状况进行实时监测和预测。这些数据可以帮助农业工作者更好地了解作物的生长状态和变化趋势，及时采取措施，以提高作物的产量和质量4。此外，机器学习技术还可以利用气象数据和土壤数据，对农业生产环境进行实时监测，从而及时发现和解决环境问题，确保农作物的健康生长
19、。除了对农作物的监测和预测，机器学习技术还可以通过对气象数据的实时观测，提供各种气象服务。例如，机器学习技术可以实时监测气象灾害，如暴雨、洪水、干旱等，提供预警和预测服务，以便农业工作者及时采取措施，保障农作物的安全。此外，机器学习技术还可以利用气象数据和地理信息数据，提供定制化的农业生产服务，例如农作物品质检测、灌溉、施肥管理等。2 2.5 5 产量预测通过机器学习技术，可以对农业生产过程中的气象因素进行分析和预测，帮助农业工作者更好地估计作物产量。例如，可以利用机器学习技术，对历史气象数据和作物生长数据进行分析，预测未来作物的生长情况和产量水平，为农业生产提供更加科学的决策依据。通过利用机
20、器学习技术，可以对历史气象数据和作物生长数据进行分析，预测未来作物的生长情况和产量水平5。这些数据可以帮助农业工作者更好地了解作物的生长状况和变化趋势，及时采取措施，以提高作物的产量和质量。此外，通过机器学习技术对不同气象因素的预测，还可以为农业工作者提供更加科学的决策依据，例如灌溉、施肥、收获等方面。除了作物产量预测，机器学习技术还可以通过对气象因素的预测，预测不同气候条件下的作物生长效应。例如，机器学习技术可以通过分析不同温度、湿度、光照等气象因素对作物生长的影响，预测在不同气候条件下的作物品质和产量。这些数据可以帮助农业工作者更好地选择作物种植品种，制定更加科学的种植和管理方案。2 2.
21、6 6 参数估算机器学习技术可以通过对气象数据的分析，帮助农业工作者估算作物生长所需的各种气象参数，例如土壤湿度、光照强度、温度等。这些参数对于作物的生长和发展至关重要，通过机器学习技术的分析和预测，可以帮助农业工作者更好地掌握作物生长的规律和趋势，制定更加科学的种植方案。机器学习技术在农业气象领域中的应用不仅可以对气象数据进行制图和区划，实时监测和观测，产量预测，还可以通过对气象数据的分析，帮助农业工作者估算作物生长所需的各种气象参数。例如，通过利用机器学习技术，可以对土壤湿度、光照强度、温度等气象参数进行分析和预测。这些参数对于作物的生长和发展至关重要，通过机器学习技术的分析和预测，可以帮
22、助农业工作者更好地掌握作物生长的规律和趋势，制定更加科学的种植方案。此外，通过机器学习技术的帮助，农业工作者还可以了解不同气象因素之间的相互影响和作用，更好地优化作物生长环境和提高作物产量和质量。对气象参数的估算，机器学习技术还可以通过对作物生长的分析和预测，帮助农业工作者优化土壤管理策略。例如，通过机器学习技术的帮助，可以对土壤的质量和养分含量进行分析和预测，为农业工作者提供更加精准的土壤管理建议，从而提高作物的产量和质量。机器学习技术在农业气象领域中的应用在参数估算方面具有广泛的应用前景。通过对气象数据的分析和预测，机器学习技术可以为农业工作者提供更加准确和有用的作物生长参数，帮助他们更好
23、地了解气象因素对作物生长的影响，制定更加科学的种植和管理方案，提高农业生产的效率和收益。3 机器学习在农业气象中的挑战与展望3 3.1 1 数据质量和数据量的挑战在农业气象中，由于数据获取和整合的困难性，数据的质量和数据量经常面临着挑战。农业气象数据涉及到多种不同的气象参数，例如温度、湿度、降水等，而这些参数的数据通常需要从不同的数据源中获取和整合。此外，由于农业气象数据受到天气条件和季节变化等多种因素的影响，数据的质量和数据量也经常存在不稳定性的问题。机器学习算法需要大量高质量的数据进行训练，才能够得到准确的模型预测和分析结果。然而，由于农业气象数据的不稳定性和不完整性，使得机器学习算法在应
24、用过程中经常面临着数据量不足和数据质量不高的问题。此外，对于某些农业气象数据，例如作物生长数据和土壤数据等，由于数据标注的困难性，缺乏可靠的数据集和数据标注也成为了机器学习算法应用的挑战。因此，解决数据质量和数据量的挑战是机器学习在农业气象中应用的重要问题，需要寻找更加有效的数据获取、整合和标注方法，以提高数据质量和数据量，并为机器学习算法提供更加可靠的数据集和标注。同时，也需要在机器学习算法的设计和优化中，考虑到数据质量和数据量的不稳定性，以提高模型的鲁棒性和泛化能力。3 3.2 2 模型准确性和泛化能力的挑战在农业气象领域，模型的准确性和泛化能力是一个关键的挑战。农业气象的复杂性和多变性增
25、加了模型准确性的挑战。农作物的生长过程与气象环境和土壤条件有着密切的联系，而这些条件的变化是十分复杂和多变的，因此在对农作物生长过程进行预测时，需要考虑众多的因素。此外，农业气象数据本身也具有噪声和不确定性，这也会影响到模型的准确性。同时，模型的泛化能力138赵思琪，吕晓宇，王智勇等：机器学习技术在农业气象中的应用也是一个重要的挑战。在不同的气象环境和作物类型下，模型的泛化能力存在差异。例如，在不同的地区和不同的季节，气象条件的变化都会对农作物的生长产生影响。因此，要使机器学习模型在不同的环境下都能具有较好的预测效果，需要通过对数据的充分利用和模型的不断优化，提高模型的泛化能力。3 3.3 3
26、 跨学科融合和技术创新的挑战跨学科融合是机器学习在农业气象领域应用的一个重要挑战。农业气象领域需要跨越农学、气象学、计算机科学等多个领域的融合，以使得机器学习算法能够真正服务于农业生产。此外，机器学习算法需要与其他技术相结合，如物联网、传感器等，以收集大量的农业气象数据。同时，这些技术需要能够与现有的农业管理系统无缝集成，以便于农业工作者更好地使用机器学习算法提供的农业气象信息来进行决策。另外，技术创新也是机器学习在农业气象领域应用的挑战之一。现有的机器学习算法需要针对农业气象数据的特点进行改进，以提高模型的准确性和泛化能力。可以开发特定的深度学习算法，如卷积神经网络（CNN）和循环神经网络（
27、RNN），来处理农业气象数据中的时空关系。此外，还需要开发新的机器学习算法，以便更好地处理农业气象数据中的缺失值、异常值等问题。这些技术创新需要结合实际应用需求，并充分考虑农业生产中的各种挑战和限制。3 3.4 4 未来发展趋势和前景展望随着技术的不断发展和数据的不断积累，机器学习在农业气象领域的应用将更加广泛和深入。预计未来机器学习技术将进一步结合气象传感器、卫星数据等多种数据来源，提高模型的准确性和可靠性。同时，随着云计算和大数据技术的普及，处理农业气象数据的能力也将进一步提高。未来的发展趋势包括加强数据质量和标注，通过数据采集和标注技术的创新提高数据的可靠性和完整性；增强模型的泛化能力，
28、通过深度学习和强化学习等技术，提高模型的鲁棒性和适应性，使得模型在不同的气象环境和作物类型下都能够具有较好的表现；进一步推动跨学科融合，将机器学习技术与农业科学、气象学、地理信息系统等学科进行更加深入的融合，以便更好地应对农业生产中的各种挑战和限制。总而言之，机器学习在农业气象领域的应用具有广阔的前景和潜力。4 结语机器学习技术在农业气象领域的应用已经取得了显著的进展，并为农业生产的精准化和智能化发展带来了新的机遇。然而，机器学习在农业气象领域中仍面临着一些挑战，如数据质量和数据量的不稳定、模型准确性和泛化能力的挑战、跨学科融合和技术创新的挑战等。未来，机器学习技术将继续深入农业气象领域，并逐
29、步解决这些挑战，以提高农业生产的效率和收益，实现可持续的农业发展。随着技术的不断发展和数据的不断积累，机器学习将进一步结合气象传感器、卫星数据等多种数据来源，提高模型的准确性和可靠性。未来的发展趋势包括加强数据质量和标注、增强模型的泛化能力、进一步推动跨学科融合等。农业是国民经济的重要组成部分，发展智慧农业是实现农业现代化和乡村振兴的必由之路。机器学习技术在农业气象领域的应用，将为实现智慧农业、推进农业现代化、提高农民生活质量做出重要贡献。参考文献参考文献：1 孙景兰，张志红，余卫东，等.中国农业气象观测自动化技术研究进展J.气象科技进展，2022，12（4）：7-9.2 陈会明.无人机遥感技术在我国现代农业生产中的应用J.安徽农学通报，2021，27（11）：2-8.3 李庆根.农业气象灾害风险评估技术及运用J.中文科技期刊数据库（全文版）农业科学，2021（2）：2-4.4 高雪.基于GIS技术的农业气象灾害监测预警系统研究J.农业技术与装备，2021（11）：11-13.5 郭亚静.农业无人机智能机器学习系统基于人工智能和深度学习J.农机化研究，2023，45（3）：5-6.（责任编辑：李丹）139