基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的玉米智能施肥系統(tǒng)應(yīng)用

魏 燾

（甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070）

1 引言

玉米栽培與氣溫、濕度、光照、土壤理化性質(zhì)等條件有直接關(guān)系。隨著農(nóng)業(yè)信息化的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)逐漸引入玉米栽培作業(yè)中，并取得了較好發(fā)展成效。生產(chǎn)中，可以針對(duì)玉米的實(shí)際生長(zhǎng)情況和環(huán)境，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的玉米智能施肥信息化系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集和分析玉米栽培過(guò)程中的氣溫、濕度、光照、土壤理化性質(zhì)等生長(zhǎng)數(shù)據(jù)信息，開(kāi)展智能化、自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)分析和管控，包括玉米施肥材料的選擇、玉米施肥量的合理控制、玉米生長(zhǎng)環(huán)境信息管理等，從而較好地提高玉米栽培的技術(shù)含量和信息化水平。

2 智能施肥系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是利用空間數(shù)據(jù)挖掘的信息化轉(zhuǎn)換、輸入和處理方式（具體的數(shù)據(jù)挖掘方法主要包括數(shù)據(jù)分類(lèi)、數(shù)據(jù)估計(jì)、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)、聚類(lèi)分析），獲悉信息對(duì)象隱含或潛在的規(guī)律和特點(diǎn)，然后在建立數(shù)據(jù)分類(lèi)模型的前提下，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)概化的方法，動(dòng)態(tài)分析并輸出數(shù)據(jù)的變化狀態(tài)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理和評(píng)估，從而把握數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)規(guī)則和特征，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘處理，為數(shù)據(jù)決策提供支持。

2.2 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)

采用集成化技術(shù)進(jìn)行挖掘數(shù)據(jù)的處理，其表現(xiàn)形式主要包括以下四種。

2.2.1 主題式的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。這種形式是指對(duì)倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)信息的不同主題進(jìn)行分類(lèi)和歸納處理，形成不同主題的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，如農(nóng)業(yè)行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)、種質(zhì)資源信息、土壤肥力數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。

2.2.2 集成化的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。即對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集中加工和預(yù)處理，再對(duì)其進(jìn)行匯總整理和分析，可快速高效地獲悉數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

2.2.3 應(yīng)用層的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。為了更好地對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支撐，要進(jìn)行數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的穩(wěn)定應(yīng)用和操作。為此，要做好數(shù)據(jù)錄入控制和數(shù)據(jù)查詢(xún)操作控制，以便快速穩(wěn)定地進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的更新和應(yīng)用。

2.2.4 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)。要結(jié)合數(shù)據(jù)信息的動(dòng)態(tài)變化和階段性狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)信息的動(dòng)態(tài)更新和存儲(chǔ)，使之與農(nóng)業(yè)規(guī)劃生產(chǎn)各階段相契合。

2.3 智能空間決策技術(shù)

在對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析的前提下，構(gòu)建相關(guān)數(shù)據(jù)模型對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，如利用GIS技術(shù)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的聚類(lèi)分析和關(guān)聯(lián)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)多維數(shù)據(jù)的合理調(diào)整和精準(zhǔn)控制［1］。

3 玉米智能施肥系統(tǒng)應(yīng)用存在的問(wèn)題

當(dāng)前，我國(guó)的農(nóng)業(yè)信息化水平整體偏低，尚未構(gòu)建形成全面的農(nóng)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)體系。在玉米智能施肥系統(tǒng)的應(yīng)用中存在明顯的不足和困難，主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面。

3.1 生產(chǎn)仍受傳統(tǒng)施肥習(xí)慣影響

在玉米栽培中，生產(chǎn)者大多以傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)進(jìn)行施肥操作，缺乏相關(guān)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)＜业闹苯又笇?dǎo)，加之無(wú)法保證玉米施肥信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與共享，難以實(shí)現(xiàn)玉米智能施肥數(shù)據(jù)的直觀比對(duì)，這在客觀上增大了玉米智能施肥的操作難度，無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。

3.2 多因素影響精準(zhǔn)施肥的實(shí)施

在玉米施肥作業(yè)中，很多因素都會(huì)對(duì)玉米的生產(chǎn)狀態(tài)產(chǎn)生影響，如土壤水分、pH值、速效氮含量等。在眾多因素的相互影響下，不利于智能施肥系統(tǒng)的精準(zhǔn)分析和施肥指導(dǎo)。

3.3 玉米智能施肥系統(tǒng)模型構(gòu)建不完善

在利用玉米智能施肥系統(tǒng)作業(yè)過(guò)程中，生產(chǎn)者對(duì)玉米的生產(chǎn)狀態(tài)、施肥種類(lèi)、施肥量等相關(guān)數(shù)據(jù)分析明顯不足，沒(méi)有對(duì)玉米智能施肥數(shù)據(jù)進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)和分析，且大多因數(shù)據(jù)量和相關(guān)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)累積不足而無(wú)法形成完善的多因子權(quán)重分析模型，不利于提高玉米智能施肥精準(zhǔn)控制。

3.4 玉米智能施肥信息交流存在欠缺

當(dāng)前的玉米智能施肥尚未構(gòu)建完整高效的信息交流平臺(tái)，相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜逸^難對(duì)玉米施肥過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)指導(dǎo)，缺乏高效的交流和反饋機(jī)制，不利于玉米智能精準(zhǔn)施肥效果的提升和應(yīng)用推廣。

4 基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的玉米智能施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

要遵循實(shí)用性、易操作性、安全性和可擴(kuò)展性原則，以數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等相關(guān)智能技術(shù)為依托，圍繞玉米栽培生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)，進(jìn)行玉米智能施肥系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

4.1 玉米智能施肥空間數(shù)據(jù)查詢(xún)模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用

要對(duì)用戶的玉米智能施肥需求數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查分析，統(tǒng)計(jì)玉米智能施肥各空間內(nèi)的屬性信息，以便用戶可以通過(guò)玉米智能施肥系統(tǒng)查詢(xún)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，及時(shí)把握玉米智能施肥空間的異常數(shù)據(jù)信息，提高玉米智能施肥空間數(shù)據(jù)決策及處理效果。以產(chǎn)量預(yù)測(cè)子功能模塊為例，可以根據(jù)某地塊近3年玉米產(chǎn)量數(shù)值計(jì)算獲取預(yù)測(cè)產(chǎn)量結(jié)果，達(dá)到預(yù)測(cè)目的。又如：在“判定地力等級(jí)”的子功能模塊中，可以輸入判斷耕地地力指標(biāo)的數(shù)據(jù)，包括有機(jī)質(zhì)、pH值、全氮、速效鉀/磷、陽(yáng)離子代換量、鎘、汞、砷、鉻、有效銅/鋅/鐵/錳、土壤容量等［2］。

4.2 智能施肥知識(shí)導(dǎo)航模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用

可以構(gòu)建玉米智能施肥知識(shí)導(dǎo)航模塊，利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)統(tǒng)計(jì)分析玉米智能施肥相關(guān)土壤參數(shù)，如溫度、水分、pH值、全氮及速效氮/磷/鉀等，合理選擇玉米種植地塊，確定對(duì)應(yīng)品種在不同土壤條件下的施肥種類(lèi)及施肥用量等信息。以品種推薦功能模塊為例，對(duì)于具有較好水肥條件的生長(zhǎng)環(huán)境來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)系統(tǒng)推薦，選擇對(duì)水肥條件要求更苛刻的高質(zhì)量玉米品種或水果玉米品種；對(duì)于水肥條件較差的生長(zhǎng)環(huán)境而言，可以通過(guò)系統(tǒng)智能推薦，選擇對(duì)肥料要求敏感度偏低的玉米品種，從而減少土壤基礎(chǔ)水肥條件因素對(duì)玉米生產(chǎn)的不利影響。

4.3 精準(zhǔn)施肥智能化管理模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用

為提高施肥管理效果，應(yīng)根據(jù)玉米生長(zhǎng)實(shí)際需求、土壤基礎(chǔ)水肥條件等，利用智能施肥系統(tǒng)優(yōu)化控制施肥量和灌溉量。以“合理施肥”子功能模塊為例，可以依照不同的地力等級(jí)設(shè)置相應(yīng)的施肥方案，根據(jù)玉米不同生長(zhǎng)階段實(shí)施動(dòng)態(tài)化施肥管理，實(shí)現(xiàn)分區(qū)域按量按需的精準(zhǔn)控量、變量施肥，充分滿足玉米對(duì)養(yǎng)分的需求，提高肥料利用率，以達(dá)到減施增效的施肥效果。

4.4 病蟲(chóng)害診治管理模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在玉米栽培中，難免會(huì)發(fā)生病蟲(chóng)害。因此，還要在玉米智能施肥系統(tǒng)中增加病蟲(chóng)害診治管理模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可能出現(xiàn)的病蟲(chóng)害，并根據(jù)病蟲(chóng)害種類(lèi)、發(fā)生時(shí)期、發(fā)生程度等提供防治策略，以便種植戶根據(jù)信息及時(shí)進(jìn)行防控。例如，在智能施肥系統(tǒng)的病蟲(chóng)害診治模塊中，可以在玉米四葉期，提示進(jìn)行去除小苗、弱苗、病苗及田間雜草等田間管理，并提示在玉米間苗之后適時(shí)補(bǔ)施氮肥，從而達(dá)到及時(shí)防治病蟲(chóng)害的目的［3］。

4.5 系統(tǒng)管理模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用

應(yīng)當(dāng)從系統(tǒng)維護(hù)、系統(tǒng)操作及系統(tǒng)應(yīng)用的角度出發(fā)，對(duì)玉米智能施肥系統(tǒng)進(jìn)行管理，可以使擁有不同權(quán)限的用戶進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)管理和操作。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，玉米智能施肥系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用順應(yīng)農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展趨勢(shì)，要充分利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)和智能空間決策技術(shù)構(gòu)建玉米智能施肥系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)不同的功能模塊（包括智能施肥空間數(shù)據(jù)查詢(xún)模塊、智能施肥知識(shí)導(dǎo)航模塊、精準(zhǔn)智能化施肥管理模塊、病蟲(chóng)害診治管理模塊和系統(tǒng)管理模塊等），對(duì)玉米生育期內(nèi)的土壤成分、溫度、濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，做到玉米施肥的精準(zhǔn)化、智能化控制。后續(xù)還要擴(kuò)大對(duì)土壤樣本數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)收集驗(yàn)證工作，集成玉米智能種植、施肥等相關(guān)技術(shù)，完善玉米智能施肥系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，同時(shí)要不斷加深對(duì)玉米種植及施肥技術(shù)的研究，促進(jìn)玉米智能施肥系統(tǒng)的多元化和智能化應(yīng)用，從而推進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的數(shù)字化、信息化建設(shè)。