加工番茄精準施肥決策支持系統(tǒng)的研究

趙方華，姜　波

(新疆大學 電氣工程學院，烏魯木齊　830047)

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加工番茄精準施肥決策支持系統(tǒng)的研究

趙方華，姜波

(新疆大學 電氣工程學院，烏魯木齊830047)

摘要：針對新疆加工番茄全部機械化施肥造成的嚴重浪費問題，提出了精準施肥方案，并對施肥決策支持系統(tǒng)進行了設計和研究。為此，詳細介紹了精準施肥決策支持的結(jié)構、開發(fā)過程及功能實現(xiàn)。應用實例結(jié)果表明：設計的加工番茄精準施肥決策支持系統(tǒng)具有科學性和可行性，可以用于施肥方案指導。

關鍵詞：加工番茄；精準施肥；決策支持系統(tǒng)；知識模型；“3S”技術

0引言

隨著精準農(nóng)業(yè)的興起，越來越多的國家和地區(qū)都開始了對精準農(nóng)業(yè)的研究，且在實際作物種植中進行了應用，并取得了很好的效果。精準農(nóng)業(yè)是由信息技術支持的根據(jù)空間變異，定位、定時、定量地實施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術與管理的系統(tǒng)[1]。其主要特點是通過綜合應用地理信息系統(tǒng)(GIS，Geographical Information System)、全球定位系統(tǒng)(GPS， Global Positioning System)及遙感技術(RS，Remote Sensing)，按照農(nóng)作物的生長規(guī)律及時、合理地投入種子、化肥、農(nóng)藥等，以達到降低投入、提高作物產(chǎn)量、環(huán)境污染、高效利用各種農(nóng)業(yè)資源等目的[2]。精準施肥是精準農(nóng)業(yè)中最核心技術之一,其原理是將大面積的地塊劃分為許多操作單元，測量每一操作單元的土壤養(yǎng)分含量，根據(jù)每一操作單元上土壤的差異按需施肥，從而大大提高肥料的利用率[3]。

地處我國西北內(nèi)部的新疆，大部分地區(qū)土壤屬沙土、沙壤土或灰漠土，由于氣候干旱少雨、晝夜溫差大，適合種植番茄[4]。目前，新疆加工番茄種植面積已達到6.67萬hm2，番茄產(chǎn)量超過全國總產(chǎn)量的80%。由于種植規(guī)模大，番茄種植已普遍采用機械化施肥，在整個施肥過程中沒有考慮到土壤養(yǎng)分的不同，從而造成了肥料的極大浪費。通過對番茄產(chǎn)區(qū)的土壤肥力進行分析，確定土壤等級劃分，進而進行精準施肥，可以有效提高經(jīng)濟效益、降低污染、保護環(huán)境。目前，我國學者對施肥決策支持系統(tǒng)的研究取得了一定進展[5-7]，但有關加工番茄精準施肥決策支持系統(tǒng)卻鮮有報道。為此，本文結(jié)合實際情況，提出了基于知識模型和“3S”技術的加工番茄精準施肥決策支持系統(tǒng)，以期為管理決策者提供有效指導。

1決策支持系統(tǒng)的體系結(jié)構[8-10]

通常來說，決策支持系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、模型庫系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)3個部分組成。本研究提出的基于知識模型和關鍵技術庫的加工番茄精準施肥決策支持系統(tǒng)結(jié)構圖如圖1所示。

圖1　決策支持系統(tǒng)體系結(jié)構

1.1數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫(基礎數(shù)據(jù))和能進行創(chuàng)建、查詢、存取、修改、維護數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)組成。本研究中，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用SQL Server 2008系統(tǒng)。

1)氣象數(shù)據(jù)：存儲各年份加工番茄從育苗到采摘時間段內(nèi)各時期的氣象資料，包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、日照時長、降雨天數(shù)，以及降雨量(mm)等氣象因子。

2)土壤數(shù)據(jù)：存儲反映加工番茄主產(chǎn)區(qū)土壤性質(zhì)的數(shù)據(jù)，包括土壤堿解氮(mg/kg)、有效磷(mg/kg)、速效鉀(mg/kg)、有機質(zhì)含量(mg/kg)、土壤pH值、土壤類型、番茄行距、溝深及壟背寬等。

3)品種參數(shù)數(shù)據(jù)：存儲加工番茄品種的產(chǎn)量、品質(zhì)性狀的數(shù)據(jù)，包括品種名稱、加工番茄品種的單果質(zhì)量、單果耐壓力、平均產(chǎn)量(t/hm2)、可溶性固形物 (%)、總酸(%)、總糖 (%)、糖酸比、色差、番茄紅素 (mg/100g)、番茄行距(cm)、平均株高(cm)、平均分枝數(shù)和生育期(day)等。

4)田間管理數(shù)據(jù)：主要存儲加工番茄的栽培管理措施數(shù)據(jù)，包括加工番茄的育苗期、移栽期、整地期、移栽深度、灌水次數(shù)及時間、施肥類型、施肥時間和肥料利用率等。

5)經(jīng)濟投入數(shù)據(jù)：主要存儲加工番茄整個管理過程中的經(jīng)濟數(shù)據(jù)，包括水電、農(nóng)藥、種子、采摘、運輸及肥料等成本投入等。

1.2模型庫

模型庫系統(tǒng)是整個精準施肥決策支持系統(tǒng)的核心，是在充分理解和分析加工番茄栽培經(jīng)驗的基礎上，利用已有的加工番茄栽培技術方面的研究資料，結(jié)合試驗情況，借助一定的分析原理和方法，對加工番茄施肥管理和土壤養(yǎng)分、品質(zhì)性狀之間的關系進行分析、提煉和綜合，并應用面向?qū)ο蟮木幊趟枷虢⑵饋淼膭討B(tài)知識模型。其中，包括土壤養(yǎng)分等級劃分模型、施肥模型，以及肥料、產(chǎn)量、品質(zhì)性狀的關聯(lián)模型等。模型庫系統(tǒng)中的知識模型組件采用V C++編程語言來進行設計，并通過不同的接口函數(shù)組成整個模型。

1.3方法庫

方法庫是精準施肥決策支持系統(tǒng)的中控制和解決系統(tǒng)運行的一個子系統(tǒng)，如控制系統(tǒng)中的信息流的優(yōu)化管理、施肥方案的選擇和輸出等。

1.4“3S”技術庫

“3S”技術是指全球定位系統(tǒng)GPS、遙感RS和地理信息系統(tǒng)GIS這3項信息技術的總稱，是精準施肥中最關鍵的技術。整個決策支持系統(tǒng)可利用GPS快速定位、RS實時數(shù)據(jù)采集和GIS數(shù)據(jù)分析處理來實現(xiàn)由點到面的施肥管理決策，具有數(shù)據(jù)采集、信息查詢、數(shù)據(jù)處理、差異分析、方案預測、實時調(diào)控及系統(tǒng)維護等綜合功能?！?S”技術組合原理如圖2所示。

1.5人機接口

人機接口作為連接系統(tǒng)與用戶的橋梁，管理用戶將基本數(shù)據(jù)、參考模型等輸入到數(shù)據(jù)庫中，以供推理解釋。系統(tǒng)以Windows為界面，通過智能接口，以圖形、表格和圖標等方式與決策者進行交互。

圖2　“3S”技術組合原理

2決策支持系統(tǒng)的開發(fā)過程

精準施肥決策支持系統(tǒng)在PC機Windows7操作系統(tǒng)平臺上開發(fā)，數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2008，人機界面開發(fā)語言為VB6.0，模型庫系統(tǒng)中的知識模型組件采用V C++6.0編程語言進行設計，土壤肥力評價模型、施肥模型的算法與仿真則采用MatLab 2010a編程實現(xiàn)。

圍繞著決策支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、模型庫系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)3部件，加工番茄精準施肥決策支持系統(tǒng)的開發(fā)過程可分為5步，即系統(tǒng)分析、初步設計、詳細設計、編制程序及系統(tǒng)集成，如圖3所示。

2.1系統(tǒng)分析

系統(tǒng)分析是進行決策支持的第1步，包括要決策的問題及對其進行論證。本研究將對加工番茄施肥問題進行分析論證，包括目前種植水平下能否達到進行精準施肥的標準，精準施肥在加工番茄主產(chǎn)區(qū)是否具有可行性。同時，通過系統(tǒng)分析進而提出精準農(nóng)業(yè)下的施肥設想、途徑和具體方案措施，并總結(jié)出系統(tǒng)分析報告。

2.2初步設計

初步設計包括將復雜的決策問題分成不同的子問題并進行功能分析。由于決策系統(tǒng)總目標比較大，很難立即解決復雜決策問題，故要對分解后的子問題分別進行設計并解決。精準施肥是個龐大的系統(tǒng)工程，可將該問題分解為土壤管理區(qū)劃分、土壤養(yǎng)分等級劃分、施肥對作物的產(chǎn)量，以及品質(zhì)的影響、不同條件下的施肥模型等具體子問題分別建模解決，最后將各種模型和方案結(jié)合起來進行綜合設計。

2.3詳細設計

詳細設計包括對子問題進行模型設計、數(shù)據(jù)設計及總控詳細設計。數(shù)據(jù)設計根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小和通用性要求分成數(shù)據(jù)庫設計和數(shù)據(jù)文件設計兩種設計形式。模型設計分為模型庫設計和模型算法設計：模型庫的設計是根據(jù)如何組織和存儲模型文件來確定的；模型算法設計要根據(jù)不同的模型采取合適的數(shù)學算法。例如，在土壤等級劃分中，針對土壤情況采用模糊聚類分析算法進行等級劃分；在選擇合理的施肥方案時選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型進行施肥等。

圖3　開發(fā)流程圖

2.4編制程序

在對各模型進行詳細設計后，要對設計模型編制程序，以完善該模型的可操作性和實用性。在數(shù)據(jù)部件和模型部件中，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和模型庫管理系統(tǒng)是編寫程序的重點。由于現(xiàn)有的成熟數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)比較多，加之單獨開發(fā)數(shù)據(jù)庫會大大浪費時間，考慮到實際情況，本研究采用SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。對于模型庫管理系統(tǒng)，由于MatLab 2010a具有強大的工具箱功能，同時對于不同模型的控制算法具有很好的仿真效果，在程序運行過程中計算效率也非常高，所以模型庫管理系統(tǒng)采用MatLab 2010a，進行土壤養(yǎng)分劃分的模糊聚類分析算法和作為施肥方案的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型均在MatLab 2010a中進行實現(xiàn)。

2.5系統(tǒng)集成

系統(tǒng)集成由接口問題、集成問題和形成決策支持系統(tǒng)3部分組成。對于接口問題，將ODBC嵌入到系統(tǒng)所采用的開發(fā)語言中，然后通過ODBC數(shù)據(jù)庫接口即可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的存取。集成問題是根據(jù)精準施肥決策支持系統(tǒng)的要求，將數(shù)據(jù)部件、模型部件、接口部件3個系統(tǒng)有機地結(jié)合起來，進而能夠使決策支持系統(tǒng)穩(wěn)定地運行。最后，通過編制總控程序，調(diào)試和運行模型庫和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，從而形成加工番茄精準施肥決策支持系統(tǒng)。

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3決策支持系統(tǒng)實現(xiàn)的功能及原理

通過不同關鍵技術的集成，加工番茄精準施肥決策支持系統(tǒng)可以完成數(shù)據(jù)采集、信息查詢、差異分析、方案設計、模擬預測、動態(tài)調(diào)控、專家咨詢、系統(tǒng)維護和幫助共9項功能。其主要功能模塊如圖4所示。

3.1數(shù)據(jù)采集、信息查詢、差異分析

數(shù)據(jù)采集、信息查詢和差異分析這3項功能均是結(jié)合GIS技術完成的。決策支持系統(tǒng)可通過GIS和知識模型相結(jié)合來獲取系統(tǒng)所需的土壤數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)等。GIS通過計算機軟硬件對空間數(shù)據(jù)和描述這些空間數(shù)據(jù)特征的屬性數(shù)據(jù)進行預處理、輸入、編輯存儲、查詢，運算和綜合分析應用，并研究和處理各種空間關系。系統(tǒng)根據(jù)農(nóng)田土壤信息、肥料信息、品種信息、加工番茄品質(zhì)性狀等制作具體狀況圖，以供決策者查詢農(nóng)田信息。同時，系統(tǒng)以產(chǎn)區(qū)田塊為單元，生成各單元的土壤養(yǎng)分含量圖，對同一地塊、同一影響因子進行時間差異分析，對不同地塊、同一影響因子進行空間差異分析，將生成的時空產(chǎn)量差異分布圖層進行疊加處理，進行產(chǎn)量診斷。

圖4　功能模塊圖

3.2方案設計

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫獲取加工番茄產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分等相關資料，結(jié)合知識模型產(chǎn)生一套施肥方案，此方案可以是單模型的，也可以是組合模型的。若生成的施肥方案能夠滿足品質(zhì)目標和產(chǎn)量要求，則可采用所生成的施肥方案；若不能滿足要求，則需考慮對生成的方案進行進一步修訂，直至能滿足要求為止。

3.3模擬預測

系統(tǒng)可通過所采用的施肥方案，基于加工番茄的生長模型，在不同環(huán)境和不同生產(chǎn)水平條件下對加工番茄的產(chǎn)量品質(zhì)及施肥量進行模擬預測。當實際值與模擬值誤差大于一定范圍時，系統(tǒng)會通過調(diào)整自身參數(shù)值并根據(jù)實測數(shù)據(jù)繼續(xù)進行下一步的模擬預測，同時提供模型調(diào)整前后的不同數(shù)值、圖形、表格等，以供決策者進行對比分析。

3.4動態(tài)調(diào)控

以系統(tǒng)設計的施肥方案對加工番茄的進行施肥操作，圍繞最初預期的目標，在加工番茄生長過程中進行全程跟蹤。若模擬出來的加工番茄生長指標偏離最初的設定值，則需根據(jù)番茄的生長模型及時對施肥方案或灌水量進行調(diào)整，以期達到合理施肥、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、環(huán)境污染少、經(jīng)濟效益好的目的。

3.5專家咨詢

在以提出的施肥方案作為主要決策方案的基礎上，可參考專家咨詢以作為輔助指導，這樣即可建立一個基于已有施肥方案的知識模型和專家輔助咨詢的加工番茄精準施肥決策支持系統(tǒng)。通過專家咨詢，決策者可以對田塊整地、深耕、扶壟、肥料施用、采摘及收獲技術等番茄栽培種植管理過程中定性的、非線性定量的知識進行咨詢。

4系統(tǒng)應用實例分析

該系統(tǒng)在新疆加工番茄某主產(chǎn)區(qū)試驗田內(nèi)進行了推廣使用。試驗田位于天山北坡，試驗地塊土質(zhì)為地勢平坦、排水良好、土層深厚的壤土土質(zhì)。試驗區(qū)面積20hm2，共分為20個大小固定的網(wǎng)格，網(wǎng)格標號為A1～A4、B1～B4、C1～C4、D1～D4共20個樣本網(wǎng)格；壟長寬均為100m，每個網(wǎng)格中土壤采樣時采用“十”字型求5個點平均值的方法。系統(tǒng)可通過信息查詢查到試驗地塊所有信息，如土壤主要養(yǎng)分指標信息(見表1)等。然后，通過知識模型庫中的模糊聚類分析算法等模型，可對采集到的土壤信息進行肥力評價，進而給精準施肥提供依據(jù)。

表1　樣本數(shù)據(jù)表

圖5　土壤肥力聚類結(jié)果

圖5是由當截矩陣λ=0.94時獲得的土壤肥力聚類結(jié)果。由圖5中數(shù)據(jù)可知：20個土壤養(yǎng)分樣本根據(jù)肥力水平的不同可分為4類，即(A1、A2、A3、A5、B2、B3、B5、C2、C3、C4、C5、D1、D2、D3、D4、D5)，(B1、B4)，(A4)，(C1)。結(jié)合新疆土壤養(yǎng)分分級標準及試驗區(qū)養(yǎng)分實際情況，進行加工番茄精準施肥時可根據(jù)各級土壤的肥力選擇不同的施肥標準，具體如下：

1)A4為1級土：土壤肥沃，可酌情施用有機肥及氮磷鉀肥，爭取高產(chǎn)；

2)A1、A2、A3、A5、B2、B3、B5、C2、C3、C4、C5、D1、D2、D3、D4、D5為2級土：土壤肥力中等，應多施有機肥及氮磷鉀肥；

3)B1、B4為3級土：土壤肥力相對貧瘠，在保證有機肥、氮、磷肥施用量的基礎上要增施鉀肥；

4)C1為4級土：土壤貧瘠，在穩(wěn)定鉀肥施用量的基礎上應增施有機肥、氮、磷肥。

5結(jié)論

結(jié)合新疆加工番茄產(chǎn)業(yè)實際情況，構建了基于知識模型和以“3S”技術等為關鍵技術的加工番茄精準施肥決策支持系統(tǒng)。實例分析表明：所構建的加工番茄施肥決策支持系統(tǒng)具有較高的實用性、靈活性、決策性及可靠性，為進一步實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)下整個加工番茄行業(yè)的數(shù)字化、科學化和現(xiàn)代化奠定了基礎。加工番茄精準施肥作為一個龐大的系統(tǒng)工程，其決策支持系統(tǒng)尚處于初步研究階段，還不是十分完善，可視化界面還處在單機版狀態(tài)。因此，開發(fā)出更具有綜合性、智能化的網(wǎng)絡版決策支持系統(tǒng)還有待于進一步的研究與完善。

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The Research of Decision Support System about Processing Tomatoes Precise Fertilization

Zhao Fanghua， Jiang Bo

Abstract：Precise fertilization scheme is put forward and fertilization decision support system is designed and researched for the serious waste problem caused by all mechanized fertilization of Xinjiang processed tomatoes. Precise fertilization structure, development process and function of decision support were introduced in detail in the paper. The application results show that the processing tomato precise fertilization decision support system is scientific and feasible, so it can be used to fertilize plan guidance.

Key words：processing tomato; precise fertilization; decision support system; knowledge model; "3S" technology

文章編號：1003-188X(2016)04-0011-06

中圖分類號：S147.3；TP182

文獻標識碼：A

作者簡介：趙方華(1988-)，男，河南商丘人，碩士研究生，(E-mail)258994041 @qq.com。通訊作者：姜波(1955-)，男，吉林懷德人，教授,(E-mail)jiangbo@xju.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金項目(61064005)

收稿日期：2015-03-17