大數(shù)據(jù)背景下作物施肥推薦系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

李莉婕， 童倩倩， 陳維榕， 趙澤英*， 彭志良， 陳海燕， 岳延濱， 韓 峰

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 科技信息研究所， 貴州 貴陽 550006； 2.貴州省土壤肥料工作總站， 貴州 貴陽 550001)

測(cè)土配方施肥技術(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)肥與作物增產(chǎn)的重要舉措。目前，肥料投入已占農(nóng)資投入的40%以上，對(duì)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率達(dá)40%～60%[1]。我國(guó)大力推廣測(cè)土配方施肥技術(shù)服務(wù)，并在基層配方肥經(jīng)銷點(diǎn)配備施肥專家咨詢系統(tǒng)(觸摸屏)，方便農(nóng)民查詢測(cè)土信息和作物施肥方案[2]。貴州省實(shí)施測(cè)土配方施肥的田塊較常規(guī)施肥田塊每667m2平均增產(chǎn)8%以上[3]。測(cè)土配方施肥為提升耕地的綜合生產(chǎn)能力發(fā)揮了重要作用[4]。為提高技術(shù)轉(zhuǎn)化的入戶率，解決測(cè)土配方施肥技術(shù)成果轉(zhuǎn)化技術(shù)到位率低的問題，我國(guó)各地除制作施肥指導(dǎo)卡發(fā)放給農(nóng)戶外，紛紛利用信息技術(shù)開發(fā)基于不同平臺(tái)、不同載體的智能終端配方施肥技術(shù)專家系統(tǒng)，使基層農(nóng)技干部或農(nóng)戶通過系統(tǒng)獲得施肥咨詢，為農(nóng)戶獲得精準(zhǔn)化、個(gè)性化服務(wù)提供便捷輔助工具[5-6]。任周橋等[7]建立基于知識(shí)庫的施肥決策系統(tǒng)并較好地模擬了現(xiàn)實(shí)施肥的決策過程。方舒等[8]構(gòu)建基于施肥單元的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并依據(jù)相關(guān)施肥模型計(jì)算不同單元的施肥方案。熊凱等[9]針對(duì)多種作物構(gòu)建以同類型村級(jí)地塊為最小施肥單元的測(cè)土配方施肥綜合服務(wù)平臺(tái)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)和施肥專家系統(tǒng)等的不斷發(fā)展，施肥信息系統(tǒng)逐漸趨向于智能化、便捷化和精確化[9-11]。龍騰等[12]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具備數(shù)據(jù)管理、地圖制圖、耕地地力評(píng)價(jià)、施肥建議和變化監(jiān)測(cè)等功能的測(cè)土配方施肥信息服務(wù)系統(tǒng)。車明亮等[13]結(jié)合GIS、GPS及無線通信技術(shù)，構(gòu)建基于GIS無線服務(wù)的小麥氮肥施肥推薦系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小麥氮肥施用的實(shí)時(shí)推薦查詢。張濤等[14]采用分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)基于Web構(gòu)建在線咨詢、實(shí)時(shí)決策和發(fā)布的施肥系統(tǒng)；張國(guó)峰等[15-17]建立移動(dòng)端測(cè)土配方查詢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤信息和施肥決策的在線和本地查詢。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，精準(zhǔn)施肥模式實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)GIS離線式分析的組織與存儲(chǔ)、模型驅(qū)動(dòng)、簡(jiǎn)單可視化向?qū)崟r(shí)分析可擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)處理與管理、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、可視化分析的大數(shù)據(jù)GIS轉(zhuǎn)變。何山等[18]對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代精準(zhǔn)施肥模式的路徑和方法進(jìn)行了探索；顧洪瑞等[19]初步建立了基于云計(jì)算的測(cè)土配方施肥服務(wù)系統(tǒng)。

貴州山區(qū)地形起伏大、耕地破碎、土壤類型多樣，致使養(yǎng)分空間分布的連續(xù)性與漸變性受阻斷；分散經(jīng)營(yíng)體制下人為因素對(duì)養(yǎng)分空間分布的影響大。趙澤英等[20-22]開發(fā)的喀斯特山區(qū)測(cè)土配方施肥決策系統(tǒng)為推行科學(xué)施肥提供了技術(shù)支撐。但目前貴州省測(cè)土配方施肥推廣方式仍是由縣、鄉(xiāng)、村服務(wù)中心(站)通過養(yǎng)分平衡配方法或地力分區(qū)配方法計(jì)算制作施肥指導(dǎo)卡發(fā)放給農(nóng)戶，農(nóng)民根據(jù)指導(dǎo)卡選購肥料并施用，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，推廣面相對(duì)較窄。鑒于此，依據(jù)主要農(nóng)作物測(cè)土配方施肥技術(shù)成果，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)技術(shù)與3S技術(shù)相結(jié)合的方法開發(fā)基于桌面版、觸摸屏版、手機(jī)版的貴州主要作物及特色果蔬耕地施肥信息服務(wù)系統(tǒng)，并進(jìn)行推廣應(yīng)用，以期完善施肥技術(shù)推廣服務(wù)體系，滿足測(cè)土配方施肥技術(shù)多層次推廣模式的需要。

1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與技術(shù)開發(fā)

1.1設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以貴州測(cè)土配方施肥工作成果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)和GIS技術(shù)建立以縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)為系統(tǒng)單元的施肥空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫。用戶確定地塊位置后，系統(tǒng)可自動(dòng)獲取該單元的立地條件及養(yǎng)分信息等屬性數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)精確到地塊的施肥推薦。系統(tǒng)主要由施肥分區(qū)、推薦施肥、耕地信息查詢、農(nóng)業(yè)知識(shí)庫及參數(shù)維護(hù)5個(gè)部分組成(圖1)。

圖 1作物施肥推薦系統(tǒng)框架

Fig.1 The framework of crop fertilization recommendation system

1.2技術(shù)開發(fā)

桌面版和觸摸屏版施肥推薦系統(tǒng)分別以計(jì)算機(jī)、觸摸屏為載體，采用專家系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合GIS技術(shù)，以Microsoft．NET Framework為平臺(tái)，Microsoft Visual Studio C#2008為工具，Arc GIS Engine和Access為數(shù)據(jù)庫集成開發(fā)施肥服務(wù)系統(tǒng)。通過系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)作物氮、磷、鉀肥及微肥的使用量、施用時(shí)期分配、施肥方法的決策推薦，生成施肥建議卡并打印輸出。移動(dòng)端施肥推薦系統(tǒng)以Android 4.0以上操作系統(tǒng)、內(nèi)存32G以上、支持GPS的智能手機(jī)為平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)作物施肥決策推薦、采樣點(diǎn)查詢等功能。

2系統(tǒng)的功能

2.1施肥分區(qū)

依據(jù)農(nóng)業(yè)部在貴州省實(shí)施的測(cè)土配方施肥項(xiàng)目的土壤測(cè)試數(shù)據(jù)、1∶10 000的第二次農(nóng)村土地調(diào)查產(chǎn)生的土地利用現(xiàn)狀圖、第二次土壤普查的1∶50 000的土壤圖等資料，以市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)為測(cè)土配方施肥信息服務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行單元建立施肥推薦系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫。建成貴州省全省市州級(jí)數(shù)據(jù)庫10個(gè)(9個(gè)地州+貴安新區(qū))，縣級(jí)數(shù)據(jù)庫97個(gè)(88個(gè)縣市區(qū)+9個(gè)開發(fā)區(qū)或風(fēng)景區(qū)管委會(huì))，鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)數(shù)據(jù)庫1 511個(gè)。以氣候條件、土壤類型、地貌類型、當(dāng)前耕作制度、生產(chǎn)水平等為表征，在求大同、存小異，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為界打破縣域行政界線的條件下，劃分了貴州主要作物的施肥分區(qū)。

2.2推薦施肥

2.2.1地圖推薦地圖推薦施肥是系統(tǒng)的核心內(nèi)容。系統(tǒng)可對(duì)貴州省不同生態(tài)條件下主要作物的施肥提供決策咨詢，咨詢分為面上服務(wù)的單元配方和根據(jù)采樣點(diǎn)進(jìn)行的采樣配方。配方的推薦達(dá)到個(gè)性化服務(wù)，能實(shí)現(xiàn)氮磷鉀肥的使用量推薦、施用時(shí)期分配、不同肥料品種的組合決策、產(chǎn)量預(yù)測(cè)及效益估算等功能。

在系統(tǒng)主界面點(diǎn)擊地圖推薦施肥按鈕打開地圖推薦施肥界面。系統(tǒng)提供了縣界、鄉(xiāng)鎮(zhèn)界、村界、小地名、公路、水庫(河流)、城鎮(zhèn)、居民地、耕地單元、衛(wèi)星圖片等圖層，用戶可以通過勾選圖層名稱開關(guān)選擇需要加載的圖層，通過工具條中放大、縮小、復(fù)位和漫游等導(dǎo)航按鈕的觸擊實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖單元顯示的控制。手機(jī)版系統(tǒng)還可以通過GPS定位用戶所在的地塊位置，使用戶更便捷的確定耕地所處空間位置。選定地塊單元后，進(jìn)入推薦施肥界面，在該界面用戶按照實(shí)際情況通過下拉單選框選擇作物種類，點(diǎn)擊系統(tǒng)的數(shù)字小鍵盤輸入地塊面積、常年產(chǎn)量等信息，或根據(jù)所在區(qū)域的特點(diǎn)及自身經(jīng)驗(yàn)對(duì)界面中參數(shù)進(jìn)行一定程度的調(diào)整，然后選擇當(dāng)?shù)亟?jīng)銷的單質(zhì)肥料種類或復(fù)合肥比例后，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算該地塊施肥純量、總肥料用量、追肥時(shí)期及用量等信息，并可以直接打印施肥建議卡供農(nóng)戶使用。

2.2.2樣點(diǎn)推薦施肥對(duì)曾采樣地塊進(jìn)行科學(xué)推薦施肥是本模塊的核心功能。建立各縣區(qū)歷年來測(cè)土配方施肥項(xiàng)目采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，用戶通過鄉(xiāng)鎮(zhèn)名、村名、農(nóng)戶姓名、地塊名稱等下拉菜單的選擇確定采樣單元，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)出采樣地塊的詳細(xì)信息如面積、土種類型、采樣時(shí)間、土壤理化性狀等，并在此基礎(chǔ)上獲取施肥推薦。樣點(diǎn)推薦施肥針對(duì)性地為測(cè)土配方施肥工作中已采樣的農(nóng)戶提供施肥建議，能夠?yàn)檗r(nóng)戶施肥提供個(gè)性化的咨詢決策服務(wù)，在系統(tǒng)推廣應(yīng)用中更易于農(nóng)戶接受。

2.3耕地信息查詢

包括土壤屬性查詢、采樣點(diǎn)查詢和采樣點(diǎn)分布查詢。土壤屬性查詢提供地圖上任一耕地單元所在村組、土壤類型、立地條件、土體構(gòu)型和理化性狀等信息；采樣點(diǎn)查詢提供曾采樣地塊的土壤屬性、地力產(chǎn)量等已調(diào)查的詳細(xì)信息；采樣點(diǎn)分布查詢可在地圖上顯示到已采過土壤樣品的精確位置，為農(nóng)技人員下一步科學(xué)采樣提供參考。

2.4農(nóng)業(yè)知識(shí)庫

系統(tǒng)面向?qū)ο笠曰鶎由孓r(nóng)技術(shù)部門和農(nóng)戶為主，知識(shí)庫以作物栽培管理與測(cè)土配方施肥知識(shí)為中心，包括貴州主要農(nóng)作物以及特色果蔬、中藥材的優(yōu)良品種、栽培管理技術(shù)、作物缺素癥狀和病蟲害防治技術(shù)等文本、圖片與視頻課件。根據(jù)各地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，用戶可以有針對(duì)性地選擇適宜該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。

2.5參數(shù)維護(hù)

施肥參數(shù)模塊包括每100 kg產(chǎn)量吸收量、目標(biāo)產(chǎn)量、肥料當(dāng)季利用率、土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)、土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)、肥料效應(yīng)函數(shù)和施肥時(shí)期運(yùn)籌等參數(shù)[23]。模塊提供作物施肥參數(shù)的查詢、修改和導(dǎo)出功能。參數(shù)庫包括水稻、玉米、油菜、馬鈴薯、辣椒、大白菜、火龍果、蘋果、百香果和獼猴桃等作物和果蔬的推薦施肥指標(biāo)參數(shù)1 511套，來源于1 939個(gè)3414田間肥料試驗(yàn)，2 214個(gè)配方施肥與常規(guī)施肥同田對(duì)比試驗(yàn)，以及多年來貴州田間肥效試驗(yàn)等試驗(yàn)結(jié)果。在作物目標(biāo)產(chǎn)量的計(jì)算中，若有空白產(chǎn)量(未施肥地塊產(chǎn)量)，系統(tǒng)根據(jù)地力差減法進(jìn)行計(jì)算；若有前3年平均產(chǎn)量，系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量法及土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)法進(jìn)行施肥推薦的加權(quán)計(jì)算；若2種數(shù)據(jù)均有，則按照2種推薦結(jié)果加權(quán)計(jì)算；若2種數(shù)據(jù)都沒有，則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)輸入目標(biāo)產(chǎn)量，系統(tǒng)根據(jù)耕地所處分區(qū)，采用效應(yīng)函數(shù)法和目標(biāo)產(chǎn)量法進(jìn)行施肥推薦。系統(tǒng)在進(jìn)行施肥決策時(shí)，所有條件在同一界面完成選擇輸入，選擇條件時(shí)系統(tǒng)調(diào)用前期采集信息數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)(土種類型、質(zhì)地和土壤養(yǎng)分測(cè)試值等)，以簡(jiǎn)化咨詢流程。系統(tǒng)還提供了數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。數(shù)據(jù)采集和更新的方法以及采集的數(shù)據(jù)要具備能夠根據(jù)用戶提出的新數(shù)據(jù)需求而適時(shí)調(diào)整和完善的能力。

3系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1施肥推薦服務(wù)

目前已獲得國(guó)家版權(quán)局計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)的施肥信息服務(wù)系統(tǒng)有《測(cè)土配方施肥觸摸屏查詢系統(tǒng)V1.0》(登記號(hào)：2012SR113468)、《測(cè)土配方施肥專家咨詢系統(tǒng)V1.0》(登記號(hào)：2013SR136067)和《基于Android的手機(jī)測(cè)土配方施肥推薦系統(tǒng)》(登記號(hào)：2014SR043485)，系統(tǒng)已在貴州省69個(gè)縣(市、區(qū))推廣應(yīng)用(圖2)。系統(tǒng)的應(yīng)用在一定程度上推動(dòng)了測(cè)土配方施肥技術(shù)的信息化、智能化推廣，為農(nóng)民提供了直觀、簡(jiǎn)便、科學(xué)的施肥指導(dǎo)，提高了農(nóng)技人員的工作效率，樹立了農(nóng)民的科學(xué)施肥觀念，擴(kuò)大了測(cè)土配方施肥技術(shù)的推廣應(yīng)用范圍，有力地支撐了節(jié)約肥料資源、減少農(nóng)業(yè)面源污染、改善生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)。

圖2系統(tǒng)在貴州省的推廣應(yīng)用情況

Fig.2 Popularization and application of the crop fertilization recommendation system in Guizhou Province

3.2觸摸屏版施肥推薦服務(wù)

觸摸屏是目前最簡(jiǎn)單、方便且適宜于農(nóng)戶使用的信息查詢輸入設(shè)備[24]。施肥系統(tǒng)安裝在觸摸屏一體機(jī)上后可安放在農(nóng)資經(jīng)銷處等公眾場(chǎng)合使用，使農(nóng)民便捷地瀏覽、查看和打印所需信息。觸摸屏版施肥系統(tǒng)可對(duì)貴州省各縣不同生態(tài)條件下的主要作物和果蔬施肥提供決策咨詢，咨詢分為面上服務(wù)的單元配方和為采樣點(diǎn)提供的個(gè)性化施肥配方，能實(shí)現(xiàn)氮、磷、鉀肥的使用量推薦，施用時(shí)期分配，不同肥料品種的組合決策、產(chǎn)量預(yù)測(cè)和效益估算等功能。用戶通過在觸摸屏上操作實(shí)現(xiàn)對(duì)自己田塊相關(guān)信息的瀏覽、查詢，對(duì)田間任何位點(diǎn)(或任何1個(gè)操作單元)進(jìn)行配方施肥的咨詢，打印施肥建議卡。2011—2019年系統(tǒng)已在息烽、福泉等68個(gè)縣(市、區(qū))推廣應(yīng)用600余套，系統(tǒng)服務(wù)農(nóng)戶304.92萬戶，累計(jì)服務(wù)指導(dǎo)作物種植274.42萬hm2，在一定程度上滿足了農(nóng)業(yè)推廣部門的指導(dǎo)需求，提高了農(nóng)民的科學(xué)施肥觀念，為深化測(cè)土配方施肥技術(shù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3.3基于Android手機(jī)的施肥推薦服務(wù)

系統(tǒng)以移動(dòng)終端為載體，農(nóng)技人員可以隨時(shí)隨地查詢所處位置的耕地資源信息和相關(guān)農(nóng)技知識(shí)。由施肥(分地圖推薦施肥、樣點(diǎn)推薦施肥、輸入數(shù)據(jù)推薦施肥、配方施肥技術(shù)資料和肥料施用技術(shù)等模塊)、技術(shù)(分水稻、玉米、蔬菜、果樹等種植技術(shù)的模塊和生產(chǎn)技術(shù)視頻資料)、查詢(分土壤屬性、耕地地力等級(jí)、采樣點(diǎn)和行政區(qū)搜索等)、維護(hù)(包括登錄、數(shù)據(jù)更新、版本、說明、設(shè)置在線或離線等)等部分。系統(tǒng)可對(duì)田間耕地的任何位點(diǎn)進(jìn)行定位，通過肥效模型算法，實(shí)現(xiàn)地塊的作物施肥推薦。系統(tǒng)在平時(shí)離線運(yùn)行，在需要以貴州全省、市(州)的地圖進(jìn)行運(yùn)行時(shí)以ARCGIS SERVER地圖服務(wù)的在線地圖方式實(shí)現(xiàn)，所有的離線地圖、數(shù)據(jù)均需要從軟件中自行下載更新，提供的安裝包只帶1個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)提供的農(nóng)業(yè)技術(shù)知識(shí)和視頻等可以更好地為作物種植提供有效幫助。該系統(tǒng)已在黔東南州和錦屏、羅甸等21個(gè)縣市累計(jì)已推廣應(yīng)用420套。

4小結(jié)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者借助信息手段對(duì)推薦施肥進(jìn)行了探索，精準(zhǔn)施肥技術(shù)成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的最早應(yīng)用領(lǐng)域，也是未來高效施肥研究與應(yīng)用的主要方向[25]。作物施肥推薦服務(wù)系統(tǒng)采用以用戶為本的軟件界面信息設(shè)計(jì)，在地圖推薦施肥圖層中添加了衛(wèi)星影像圖和小地名，在樣點(diǎn)推薦施肥中提供了農(nóng)戶姓名、采樣時(shí)間和地塊名稱，有利于用戶對(duì)耕地單元進(jìn)行更直觀的定位，增加了系統(tǒng)的可信度和可操作性。根據(jù)用戶的需求建立場(chǎng)景模型，對(duì)界面信息結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)集中于如何滿足用戶多層次的需求，如用戶可以選擇根據(jù)不同的參數(shù)進(jìn)行施肥計(jì)算、選擇地圖施肥進(jìn)行直觀計(jì)算施肥及選擇樣點(diǎn)施肥系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)出采樣點(diǎn)信息進(jìn)行計(jì)算施肥，或選擇測(cè)試施肥對(duì)采樣空白區(qū)域進(jìn)行計(jì)算施肥，滿足不同用戶的個(gè)性化使用需求。

系統(tǒng)的應(yīng)用大大縮短了農(nóng)技人員手工填寫施肥建議卡的時(shí)間，降低了農(nóng)技人員的工作強(qiáng)度，提高了農(nóng)戶對(duì)測(cè)土配方施肥的認(rèn)可度和主動(dòng)領(lǐng)取建議卡的積極性，對(duì)擴(kuò)大測(cè)土配方施肥應(yīng)用范圍有促進(jìn)作用。系統(tǒng)更新方法簡(jiǎn)便，農(nóng)技人員稍加培訓(xùn)即可掌握。測(cè)土配方施肥工作每年都新增加采樣點(diǎn)及土壤養(yǎng)分分析數(shù)據(jù)，基層技術(shù)人員隨時(shí)可在后臺(tái)更新當(dāng)?shù)氐氖┓蕝?shù)，獲取更為科學(xué)的推薦施肥配比。隨著測(cè)土配方施肥工作實(shí)施的不斷深入，將進(jìn)一步細(xì)化和調(diào)整施肥指標(biāo)體系，從而建立更為本地化的施肥信息服務(wù)系統(tǒng)。