基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的麥蚜最大蟲(chóng)株率預(yù)測(cè)

靳然，李生才

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山西 太谷030801）

多年來(lái)，眾多昆蟲(chóng)學(xué)家和植保工作者致力于病蟲(chóng)害測(cè)報(bào)方法的研究，發(fā)展了經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法、實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)法和統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法等傳統(tǒng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法［1］。但由于害蟲(chóng)的發(fā)生具有多樣性、突發(fā)性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，易受環(huán)境因子及害蟲(chóng)自身生長(zhǎng)發(fā)育、天敵發(fā)生情況等影響，其所在的生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法很難達(dá)到理想的效果。近年來(lái)，專(zhuān)家、學(xué)者將現(xiàn)代非線性理論運(yùn)用到害蟲(chóng)測(cè)報(bào)領(lǐng)域，將傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)與現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、相空間重構(gòu)預(yù)測(cè)法、小波分析、支持向量機(jī)等病蟲(chóng)害測(cè)報(bào)新方法［2～4］。

目前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測(cè)方面已有較多的應(yīng)用，如地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生、房地產(chǎn)走向、借貸風(fēng)險(xiǎn)分析等，在害蟲(chóng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方面也取得了一定的成果。陳恩會(huì)等［5］做了關(guān)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在病蟲(chóng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用介紹；王國(guó)昌等［6］研究了近年來(lái)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)林害蟲(chóng)的識(shí)別和診斷，并且建立了發(fā)生期和發(fā)生量的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型；歐釗榮等［7］根據(jù)廣西甘蔗棉蚜蟲(chóng)發(fā)生情況基本資料和氣象指標(biāo)建立了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)模型，擬合程度和預(yù)報(bào)精度都比較高；唐建軍等［8］建立了水稻蟲(chóng)害發(fā)生量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)，確定了自然因素與發(fā)生量之間的關(guān)系。

麥蚜以成蟲(chóng)和若蟲(chóng)刺吸小麥莖、葉和嫩穗的汁液。小麥苗期受害，輕者葉色發(fā)黃、生長(zhǎng)停滯、分蘗減少，重者麥株枯萎死亡。穗期受害，麥粒不飽滿，嚴(yán)重時(shí)麥穗干枯不結(jié)實(shí)，甚至全株死亡。此外，麥蚜還可以傳播多種麥類(lèi)毒素病。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，上世紀(jì)50～60年代，麥蚜的發(fā)生較為平穩(wěn)，危害較小，年發(fā)生面積一般在190～460萬(wàn)hm2之間。70～80年代，麥蚜發(fā)生量逐漸增大，由間歇性嚴(yán)重發(fā)生逐漸轉(zhuǎn)為經(jīng)常性發(fā)生主要害蟲(chóng)，危害面積呈不斷上升趨勢(shì)，成為我國(guó)小麥作物重大害蟲(chóng)之一。進(jìn)入90年代，麥蚜發(fā)生面積急劇上升，由1972年的342萬(wàn)hm2迅速上升到1999年的1838萬(wàn)hm2，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量年損失達(dá)到50萬(wàn)t以上，占小麥病蟲(chóng)害造成損失總量的1／3。尤其是90年代中后期，從發(fā)生面積、防治后的實(shí)際損失方面來(lái)看，小麥蚜蟲(chóng)已上升為繼水稻飛虱、水稻紋枯病之后的我國(guó)農(nóng)作物重大病蟲(chóng)害中的第3位［9］。

對(duì)麥蚜發(fā)生的預(yù)測(cè)研究自上世紀(jì)80年代末開(kāi)始，迄今近30年，已運(yùn)用馬爾柯夫鏈、列聯(lián)表法、逐步回歸法、模糊數(shù)學(xué)等方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，并取得一定的效果，但運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)麥蚜發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)尚屬空白。與其它方法相比，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型模擬人腦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)結(jié)果更科學(xué)和精確。本文以1980—2006年氣象因子和歷年最大蟲(chóng)株率為基礎(chǔ)，建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的麥蚜蟲(chóng)株率預(yù)測(cè)模型，并將逐步回歸法預(yù)測(cè)結(jié)果作為對(duì)比，試圖探索建立更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定的病蟲(chóng)害測(cè)報(bào)模型。

1 材料與方法

1.1 麥蚜數(shù)據(jù)

麥蚜原始數(shù)據(jù)來(lái)自山西省植保植檢總站，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)在山西運(yùn)城市芮城縣古魏鎮(zhèn)，為山西小麥的主產(chǎn) 區(qū)，北 緯 34°36′～48°30′，東 經(jīng) 110°36′～42°30"，年平均氣溫12.77℃，無(wú)霜期250d左右，年降水量513mm。全鎮(zhèn)耕地面積約4 700hm2，土地平坦，土壤肥沃，小麥?zhǔn)亲钪饕霓r(nóng)作物。蟲(chóng)害統(tǒng)計(jì)資料為1980—2011年間2月底到6月初，采用系統(tǒng)調(diào)查法每5d采集一次數(shù)據(jù)。

1.2 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來(lái)自山西省氣象局。以1980—2006年，每年2月1日到5月10日的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)得到月平均溫度、月平均最高溫度、月平均最低溫度、月平均濕度、月平均降水量、月平均日照時(shí)數(shù)、月平均風(fēng)速等作為單一氣象指標(biāo)；計(jì)算復(fù)合氣象指標(biāo)，包括每月的溫雨系數(shù)（降雨量／平均氣溫）、晴雨系數(shù)（降雨量／日照時(shí)數(shù)）、溫濕系數(shù)（平均濕度／平均氣溫）［10］；將單一氣象指標(biāo)與復(fù)合氣象指標(biāo)共同建表（表1）。

表1 氣象因子對(duì)照表Table1 The contrast table of meteorological factor

1.3 歸一化法處理數(shù)據(jù)

由于各氣象因子量綱和數(shù)量級(jí)單位均不同，因此在建模之前，要將所有變量進(jìn)行變換處理，使所有變量處于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)。常用的數(shù)據(jù)處理方法有歸一化法、極差正規(guī)化法、標(biāo)準(zhǔn)化法、對(duì)數(shù)變換法等，本實(shí)驗(yàn)采用較常用的歸一化法對(duì)所有變量進(jìn)行預(yù)處理。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)［0，l］間的數(shù)據(jù)最敏感［11，12］，在建模之前，將成分因子歸一化處理到［0，l］范圍內(nèi)。歸一化公式為：

式中，xi表示數(shù)據(jù)原始值，x表示歸一化后的數(shù)據(jù)，xmax、xmin分別表示每一類(lèi)成分因子的最大值和最小值。

1.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)介紹及建模程序

神經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) （artificial neural network，縮 寫(xiě)ANN）模擬人腦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是人腦的一種物理抽象、簡(jiǎn)化和模擬，具有很強(qiáng)的非線性信息處理能力，人工神經(jīng)元通過(guò)不同聯(lián)結(jié)方式組成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［13］。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性、非局限性、非常定性、非凸性等四個(gè)基本特征，采用并行分布式系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)的基于邏輯符號(hào)的人工智能在處理直覺(jué)、非結(jié)構(gòu)化信息方面的缺陷，具有良好的自適應(yīng)、自組織和自學(xué)習(xí)能力［14］。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的類(lèi)型很多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)算法不同，可分為單層前向網(wǎng)絡(luò)、多層前向網(wǎng)絡(luò)、反饋網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等類(lèi)型，常用的有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

本實(shí)驗(yàn)采用MATLAB軟件編寫(xiě)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將1980—2006年作為訓(xùn)練集進(jìn)行建模，2007—2011年作為測(cè)試集進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體預(yù)測(cè)流程如圖1所示。

將1980—2006年麥蚜最大蟲(chóng)株率作為訓(xùn)練集，2007—2011年麥蚜最大蟲(chóng)株率作為測(cè)試集。建模程序分為數(shù)據(jù)歸一化、網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)、誤差分析、結(jié)果作圖等過(guò)程。在本實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為3層結(jié)構(gòu)，由一個(gè)輸入層、一個(gè)隱含層和一個(gè)輸出層組成，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)選擇LM算法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)很多，有輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)、隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)、輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)、傳遞函數(shù)、訓(xùn)練函數(shù)、學(xué)習(xí)率等［15］。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、權(quán)重及閾值相同的情況下，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)及傳遞函數(shù)的選擇，直接影響著網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力和泛化能力［16］，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)定輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為100，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為10，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1，訓(xùn)練迭代過(guò)程30，動(dòng)量因子為0.9，訓(xùn)練步數(shù)30，學(xué)習(xí)率0.1，期望目標(biāo)誤差最小值10－5。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)流程Fig.1 The prediction flow of BPNN

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選用Sigmoid函數(shù)作為隱含層的傳遞函數(shù)，其定義如下：

S（x）＝ 1 1＋e－t

Sigmoid主要有三種類(lèi)型，分別為logsig函數(shù)、tansig函數(shù)及purelin函數(shù)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置的隱含層傳遞函數(shù)為tansig，輸出層傳遞函數(shù)為purelin。

1.5 參比模型

為評(píng)價(jià)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的優(yōu)劣，選擇目前在病蟲(chóng)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)領(lǐng)域較為常用的逐步回歸法作為參比模型。在SPSS軟件中進(jìn)行逐步回歸［17］，選擇“數(shù)理統(tǒng)計(jì)——回歸——線性回歸”，將訓(xùn)練集每年的麥蚜最大蟲(chóng)株率作為Y值，表1所有氣象因子作為自變量，在方法框中選擇“逐步回歸”作為分析方法，按照逐步回歸結(jié)果，計(jì)算2007—2011年麥蚜最大蟲(chóng)株率。

1.6 模型驗(yàn)證方法

本實(shí)驗(yàn)選擇模型擬合精度、平均絕對(duì)百分誤差（MAPE）和均方誤差（MSE）等評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)模型性能進(jìn)行評(píng)價(jià)［18，19］。

公式中，yi為最大蟲(chóng)株率的實(shí)際值，為模型的預(yù)測(cè)值，n為訓(xùn)練樣本數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和逐步回歸法的1980－2006年麥蚜最大蟲(chóng)株率擬合結(jié)果比較

運(yùn)用逐步回歸法對(duì)麥蚜最大蟲(chóng)株率進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到多元線性方程為：

y＝21.936＋37.086x49－7.732x63＋3.159x32＋16.299x97

采用該方程對(duì)訓(xùn)練集進(jìn)行擬合，得到1980—2006年麥蚜最大蟲(chóng)株率擬合圖（圖2）。

在逐步回歸法對(duì)麥蚜最大蟲(chóng)株率的訓(xùn)練中，平均擬合精度為73.66%，最大擬合精度為99.87%，擬合精度超過(guò)90%的年份有8個(gè)；運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)1980—2006年麥蚜最大蟲(chóng)株率進(jìn)行訓(xùn)練（圖3），平均擬合精度為78.15%，最大擬合精度為99.16%，擬合精度超過(guò)90%的年份有11個(gè)，說(shuō)明這兩個(gè)模型都基本體現(xiàn)了麥蚜最大蟲(chóng)株率的發(fā)展規(guī)律。由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有較強(qiáng)的處理非線性問(wèn)題的能力，因此其擬合效果略好于逐步回歸。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小準(zhǔn)則，其擬合效果取決于樣本數(shù)的多少，訓(xùn)練樣本越多，擬合精度越高，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率越好，模型越穩(wěn)定；當(dāng)訓(xùn)練樣本過(guò)小時(shí)，往往訓(xùn)練擬合精度高但預(yù)測(cè)效果差，易于出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象。

圖2 逐步回歸法對(duì)麥蚜最大蟲(chóng)株率的擬合結(jié)果Fig.2 The simulation effect of study by stepwise regression method

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練擬合結(jié)果圖Fig.3 The simulation effect of study by BPNN

2.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和逐步回歸法的2010—2011年麥蚜最大蟲(chóng)株率預(yù)測(cè)結(jié)果比較

比較BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和逐步回歸模型的擬合精度和性能可得出（表2～表4）：

（1）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的平均預(yù)測(cè)精度明顯高于逐步回歸，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的平均預(yù)測(cè)精度為96.09%，逐步回歸法平均預(yù)測(cè)精度為75.74%。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)麥蚜最大蟲(chóng)株率的預(yù)測(cè)非常準(zhǔn)確，5年的預(yù)測(cè)結(jié)果中3年超過(guò)95%。逐步回歸法的預(yù)測(cè)結(jié)果較差，只有2009年預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為99.01%，2010年預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率最低，只有34.85%，主要是由于逐步回歸采用的是線性處理方法，麥蚜的發(fā)生受到氣象因子、自身生長(zhǎng)發(fā)育、寄主生長(zhǎng)發(fā)育、天敵等多種因素影響，逐步回歸法不能很好的處理非線性問(wèn)題。

（2）比較兩種模型的均方誤差（MSE），BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的MSE值明顯小于逐步回歸，其預(yù)測(cè)的均好性高于逐步回歸，表明其穩(wěn)定性優(yōu)于逐步回歸法。

表2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果Table 2 The prediction results of BPNN

表3 逐步回歸預(yù)測(cè)結(jié)果Table 3 The prediction results of stepwise regression method

表4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和逐步回歸預(yù)測(cè)模型比較Table 4 Comparision of BPNN and stepwise regression method performances

3 討論與結(jié)論

害蟲(chóng)發(fā)生是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性過(guò)程，受到各種因素的影響，要建立準(zhǔn)確且穩(wěn)定的預(yù)測(cè)模型具有一定的難度。本實(shí)驗(yàn)建立了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)麥蚜最大蟲(chóng)株率的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型，并與逐步回歸法的預(yù)測(cè)精度和穩(wěn)定性進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)效果總體好于逐步回歸，主要是由于其處理非線性問(wèn)題的能力、良好的自學(xué)習(xí)、自組織和自適應(yīng)性、良好的推廣能力。在取得影響害蟲(chóng)發(fā)生且相當(dāng)數(shù)量氣象因子的基礎(chǔ)上，此方法可較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)不同地區(qū)的病蟲(chóng)害發(fā)生情況。

但運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在病蟲(chóng)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的研究較少，還存在許多亟待解決的問(wèn)題。例如，本實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有考慮麥蚜越冬基數(shù)、天敵、寄主、防治措施等因素的影響，可通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)對(duì)這些因素做定性定量分析后進(jìn)入建模過(guò)程。如何更準(zhǔn)確的確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；當(dāng)樣本量過(guò)大時(shí)，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)了過(guò)多的樣本致使輸出模型不能反映樣本內(nèi)含的規(guī)律，超出了學(xué)習(xí)的度，易出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象，如何選擇樣本數(shù)量的問(wèn)題。下一步，可嘗試對(duì)氣象因子采用逐步回歸法、主成分分析法等進(jìn)行篩選；采用交叉驗(yàn)證法、試湊法等對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以建立預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型。

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