趙方華，姜　波

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，烏魯木齊　830047)

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加工番茄精準(zhǔn)施肥決策支持系統(tǒng)的研究

趙方華，姜波

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，烏魯木齊830047)

摘要：針對新疆加工番茄全部機(jī)械化施肥造成的嚴(yán)重浪費(fèi)問題，提出了精準(zhǔn)施肥方案，并對施肥決策支持系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。為此，詳細(xì)介紹了精準(zhǔn)施肥決策支持的結(jié)構(gòu)、開發(fā)過程及功能實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用實(shí)例結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的加工番茄精準(zhǔn)施肥決策支持系統(tǒng)具有科學(xué)性和可行性，可以用于施肥方案指導(dǎo)。

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

0引言

隨著精準(zhǔn)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(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究，且在實(shí)際作物種植中進(jìn)行了應(yīng)用，并取得了很好的效果。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是由信息技術(shù)支持的根據(jù)空間變異，定位、定時(shí)、定量地實(shí)施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)[1]。其主要特點(diǎn)是通過綜合應(yīng)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(shù)(RS，Remote Sensing)，按照農(nóng)作物的生長規(guī)律及時(shí)、合理地投入種子、化肥、農(nóng)藥等，以達(dá)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(zhǔn)施肥是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中最核心技術(shù)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(dá)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(jī)械化施肥，在整個(gè)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(fèi)。通過對番茄產(chǎn)區(qū)的土壤肥力進(jìn)行分析，確定土壤等級劃分，進(jìn)而進(jìn)行精準(zhǔn)施肥，可以有效提高經(jīng)濟(jì)效益、降低污染、保護(hù)環(huán)境。目前，我國學(xué)者對施肥決策支持系統(tǒng)的研究取得了一定進(jìn)展[5-7]，但有關(guān)加工番茄精準(zhǔn)施肥決策支持系統(tǒng)卻鮮有報(bào)道。為此，本文結(jié)合實(shí)際情況，提出了基于知識模型和“3S”技術(shù)的加工番茄精準(zhǔn)施肥決策支持系統(tǒng)，以期為管理決策者提供有效指導(dǎo)。

1決策支持系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)[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(jī)交互系統(tǒng)3個(gè)部分組成。本研究提出的基于知識模型和關(guān)鍵技術(shù)庫的加工番茄精準(zhǔn)施肥決策支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　決策支持系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.1數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫(基礎(chǔ)數(shù)據(jù))和能進(jìn)行創(chuàng)建、查詢、存取、修改、維護(hù)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(shí)間段內(nèi)各時(shí)期的氣象資料，包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、日照時(shí)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(jī)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(shí)間、施肥類型、施肥時(shí)間和肥料利用率等。

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

1.2模型庫

模型庫系統(tǒng)是整個(gè)精準(zhǔn)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(yàn)的基礎(chǔ)上，利用已有的加工番茄栽培技術(shù)方面的研究資料，結(jié)合試驗(yàn)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(guān)系進(jìn)行分析、提煉和綜合，并應(yīng)用面向?qū)ο蟮木幊趟枷虢⑵饋淼膭?dòng)態(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(guān)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(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過不同的接口函數(shù)組成整個(gè)模型。

1.3方法庫

方法庫是精準(zhǔn)施肥決策支持系統(tǒng)的中控制和解決系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)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(shù)庫

“3S”技術(shù)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(xiàng)信息技術(shù)的總稱，是精準(zhǔn)施肥中最關(guān)鍵的技術(shù)。整個(gè)決策支持系統(tǒng)可利用GPS快速定位、RS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和GIS數(shù)據(jù)分析處理來實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)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(yù)測、實(shí)時(shí)調(diào)控及系統(tǒng)維護(hù)等綜合功能。“3S”技術(shù)組合原理如圖2所示。

1.5人機(jī)接口

人機(jī)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(biāo)等方式與決策者進(jìn)行交互。

圖2　“3S”技術(shù)組合原理

2決策支持系統(tǒng)的開發(fā)過程

精準(zhǔn)施肥決策支持系統(tǒng)在PC機(jī)Windows7操作系統(tǒng)平臺上開發(fā)，數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2008，人機(jī)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(jìn)行設(shè)計(jì)，土壤肥力評價(jià)模型、施肥模型的算法與仿真則采用MatLab 2010a編程實(shí)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(jī)交互系統(tǒng)3部件，加工番茄精準(zhǔn)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(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、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(jìn)行決策支持的第1步，包括要決策的問題及對其進(jìn)行論證。本研究將對加工番茄施肥問題進(jìn)行分析論證，包括目前種植水平下能否達(dá)到進(jìn)行精準(zhǔn)施肥的標(biāo)準(zhǔn)，精準(zhǔn)施肥在加工番茄主產(chǎn)區(qū)是否具有可行性。同時(shí)，通過系統(tǒng)分析進(jìn)而提出精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)下的施肥設(shè)想、途徑和具體方案措施，并總結(jié)出系統(tǒng)分析報(bào)告。

2.2初步設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)包括將復(fù)雜的決策問題分成不同的子問題并進(jìn)行功能分析。由于決策系統(tǒng)總目標(biāo)比較大，很難立即解決復(fù)雜決策問題，故要對分解后的子問題分別進(jìn)行設(shè)計(jì)并解決。精準(zhǔn)施肥是個(gè)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(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

2.3詳細(xì)設(shè)計(jì)

詳細(xì)設(shè)計(jì)包括對子問題進(jìn)行模型設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)及總控詳細(xì)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)文件設(shè)計(jì)兩種設(shè)計(jì)形式。模型設(shè)計(jì)分為模型庫設(shè)計(jì)和模型算法設(shè)計(jì)：模型庫的設(shè)計(jì)是根據(jù)如何組織和存儲模型文件來確定的；模型算法設(shè)計(jì)要根據(jù)不同的模型采取合適的數(shù)學(xué)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(jìn)行等級劃分；在選擇合理的施肥方案時(shí)選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行施肥等。

圖3　開發(fā)流程圖

2.4編制程序

在對各模型進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)后，要對設(shè)計(jì)模型編制程序，以完善該模型的可操作性和實(shí)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(diǎn)。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(dú)開發(fā)數(shù)據(jù)庫會大大浪費(fèi)時(shí)間，考慮到實(shí)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(qiáng)大的工具箱功能，同時(shí)對于不同模型的控制算法具有很好的仿真效果，在程序運(yùn)行過程中計(jì)算效率也非常高，所以模型庫管理系統(tǒng)采用MatLab 2010a，進(jìn)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(luò)模型均在MatLab 2010a中進(jìn)行實(shí)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(shí)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(zhǔn)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(gè)系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，進(jìn)而能夠使決策支持系統(tǒng)穩(wěn)定地運(yùn)行。最后，通過編制總控程序，調(diào)試和運(yùn)行模型庫和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，從而形成加工番茄精準(zhǔn)施肥決策支持系統(tǒng)。

爸爸曾是中學(xué)里的英語教師，一表人才，也有明亮燦爛的人生。他籃球打得好，乒乓球也好。他喜歡曹操的“對酒當(dāng)歌，人生幾何”，也喜歡蘇學(xué)士的“大江東去”，一本《三國》，他能從頭講到尾。

3決策支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能及原理

通過不同關(guān)鍵技術(shù)的集成，加工番茄精準(zhǔn)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(shè)計(jì)、模擬預(yù)測、動(dòng)態(tài)調(diào)控、專家咨詢、系統(tǒng)維護(hù)和幫助共9項(xiàng)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(xiàng)功能均是結(jié)合GIS技術(shù)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(jì)算機(jī)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(jìn)行預(yù)處理、輸入、編輯存儲、查詢，運(yùn)算和綜合分析應(yīng)用，并研究和處理各種空間關(guān)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(shí)，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(jìn)行時(shí)間差異分析，對不同地塊、同一影響因子進(jìn)行空間差異分析，將生成的時(shí)空產(chǎn)量差異分布圖層進(jìn)行疊加處理，進(jìn)行產(chǎn)量診斷。

圖4　功能模塊圖

3.2方案設(shè)計(jì)

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(guān)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(biāo)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(jìn)行進(jìn)一步修訂，直至能滿足要求為止。

3.3模擬預(yù)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(jìn)行模擬預(yù)測。當(dāng)實(shí)際值與模擬值誤差大于一定范圍時(shí)，系統(tǒng)會通過調(diào)整自身參數(shù)值并根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)繼續(xù)進(jìn)行下一步的模擬預(yù)測，同時(shí)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(jìn)行對比分析。

3.4動(dòng)態(tài)調(diào)控

以系統(tǒng)設(shè)計(jì)的施肥方案對加工番茄的進(jìn)行施肥操作，圍繞最初預(yù)期的目標(biāo)，在加工番茄生長過程中進(jìn)行全程跟蹤。若模擬出來的加工番茄生長指標(biāo)偏離最初的設(shè)定值，則需根據(jù)番茄的生長模型及時(shí)對施肥方案或灌水量進(jìn)行調(diào)整，以期達(dá)到合理施肥、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、環(huán)境污染少、經(jīng)濟(jì)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(chǔ)上，可參考專家咨詢以作為輔助指導(dǎo)，這樣即可建立一個(gè)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(zhǔn)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(shù)等番茄栽培種植管理過程中定性的、非線性定量的知識進(jìn)行咨詢。

4系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例分析

該系統(tǒng)在新疆加工番茄某主產(chǎn)區(qū)試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行了推廣使用。試驗(yàn)田位于天山北坡，試驗(yàn)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(yàn)區(qū)面積20hm2，共分為20個(gè)大小固定的網(wǎng)格，網(wǎng)格標(biāo)號為A1～A4、B1～B4、C1～C4、D1～D4共20個(gè)樣本網(wǎng)格；壟長寬均為100m，每個(gè)網(wǎng)格中土壤采樣時(shí)采用“十”字型求5個(gè)點(diǎn)平均值的方法。系統(tǒng)可通過信息查詢查到試驗(yàn)地塊所有信息，如土壤主要養(yǎng)分指標(biāo)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(jìn)行肥力評價(jià)，進(jìn)而給精準(zhǔn)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(dāng)截矩陣λ=0.94時(shí)獲得的土壤肥力聚類結(jié)果。由圖5中數(shù)據(jù)可知：20個(gè)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(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)區(qū)養(yǎng)分實(shí)際情況，進(jìn)行加工番茄精準(zhǔn)施肥時(shí)可根據(jù)各級土壤的肥力選擇不同的施肥標(biāo)準(zhǔn)，具體如下：

1)A4為1級土：土壤肥沃，可酌情施用有機(jī)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(yīng)多施有機(jī)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(jī)肥、氮、磷肥施用量的基礎(chǔ)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(chǔ)上應(yīng)增施有機(jī)肥、氮、磷肥。

5結(jié)論

結(jié)合新疆加工番茄產(chǎn)業(yè)實(shí)際情況，構(gòu)建了基于知識模型和以“3S”技術(shù)等為關(guān)鍵技術(shù)的加工番茄精準(zhǔn)施肥決策支持系統(tǒng)。實(shí)例分析表明：所構(gòu)建的加工番茄施肥決策支持系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性、靈活性、決策性及可靠性，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)下整個(gè)加工番茄行業(yè)的數(shù)字化、科學(xué)化和現(xiàn)代化奠定了基礎(chǔ)。加工番茄精準(zhǔn)施肥作為一個(gè)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(jī)版狀態(tài)。因此，開發(fā)出更具有綜合性、智能化的網(wǎng)絡(luò)版決策支持系統(tǒng)還有待于進(jìn)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(xiàn)標(biāo)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(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61064005)

收稿日期：2015-03-17