陳 康

成都農業(yè)科技職業(yè)學院，四川成都 611130

科學技術在中國農業(yè)現(xiàn)代化建設中發(fā)揮著越來越大的作用。若要實現(xiàn)精確農業(yè)必須使各個方面達到全面信息化的要求，而實現(xiàn)全面信息化首要的條件是農業(yè)數(shù)字化，因此建立數(shù)學模型是現(xiàn)代化農業(yè)關鍵步驟。在農業(yè)生產過程中，農業(yè)數(shù)字化無法表明農業(yè)過程，數(shù)學建模的形式將農業(yè)生產過程中內在與外在的各種規(guī)律和條件進行數(shù)學模型的形式體現(xiàn)。長期的農業(yè)實踐已產生了許多數(shù)據(jù)，海量的數(shù)據(jù)蘊含著農業(yè)生產的規(guī)律，大數(shù)據(jù)時代的快速發(fā)展，數(shù)學的滲透，利用數(shù)學建模將數(shù)據(jù)與計算機技術相結合，可以促進智能和精確農業(yè)發(fā)展[1-3]。

1 農業(yè)數(shù)學模型提出的背景

數(shù)學應用廣泛，應用數(shù)學知識可以科學進行數(shù)據(jù)分析，并且建立合理的數(shù)學模型，從而指導未來的生產經(jīng)營活動，對未來進行科學、合理預測。隨著國家綜合實力的增強，人們的生活水平也不斷提高，人們對農產品的需求不斷擴大，對農產品的食品安全要求越來越高，因此在農業(yè)生產、運輸、儲存以及銷售方面需要運用科學的方法進行指導。農業(yè)生產與其他產品的生產存在很大的差異，與氣象關系密切，因此可以通過農業(yè)氣象預測模型指導農業(yè)生產；作物的生長受到土壤水分、溫度、光照等環(huán)境因素的影響，建立作物生長模型，為農業(yè)提供科學的種植決策。現(xiàn)如今，機械收割農產品應用廣泛，若沒有合理地使用機械，不僅會浪費資源，污染環(huán)境，還會耽誤收割時機，造成經(jīng)濟損失。然而，建立農業(yè)機械運作模型，通過對農業(yè)機械的工作參數(shù)和性能進行模型建立，提高機械的使用效率和農業(yè)生產質量，合理有效地使用機械，能夠降低能源消耗和避免環(huán)境污染，同時可以盡快、合理、科學地收割作物，提高效率和收益。很多農業(yè)生產者憑借經(jīng)驗開展農業(yè)生產活動，無法獲得有效的收益，因此可以根據(jù)市場需求的調研和歷年農業(yè)生產的相關數(shù)據(jù)，進行科學的分析和統(tǒng)計，建立農業(yè)決策模型，為農業(yè)決策者和生產者提供科學的決策支持和優(yōu)化種植方案，提高農業(yè)生產效益和可持續(xù)發(fā)展水平。大多數(shù)消費者對農產品的質量和安全有很高的要求，因此可以基于農產品的生產和銷售數(shù)據(jù)，建立農產品質量評估模型，對農產品的質量進行科學評估和檢測，從而提高農產品的質量和安全性，為消費者提供綠色產品[4]。

2 農業(yè)數(shù)學模型及其意義

2.1 農業(yè)氣象預測模型及其意義

農業(yè)氣象模型是農業(yè)生產對象或過程與氣象條件的數(shù)學關系或邏輯關系。農業(yè)生產與干旱災害、洪澇災害、低溫災害及高溫災害等有著至關重要的聯(lián)系，雖然現(xiàn)在為了減少氣象對農產品的影響，應用大棚種植技術，這對大多數(shù)農業(yè)生產者來說成本太高，大棚對地勢也有一定的要求，不能全國普及。因此，為了保障大多數(shù)農業(yè)生產者的利益，需要研究農業(yè)氣象預測模型，幫助農業(yè)生產者更好地進行農業(yè)生產。

2.1.1 農業(yè)氣象模型分類氣象預測模型分為經(jīng)驗模型和機理模型。經(jīng)驗模型是對大氣觀測數(shù)據(jù)的直接表達，常常用回歸方程中的單因子或多因子方法表示，用來預測氣象對作物影響的最終產量。其回歸模型如下：

氣象災害是影響農業(yè)生產活動的關鍵因素之一，如干旱、洪澇等災害，都會嚴重影響作物的生長發(fā)育。通過經(jīng)驗模型，可以掌握未來的氣象變化，制定科學的生產計劃，以便提高農作物產量和農產品品質。例如：若將出現(xiàn)連續(xù)干旱天氣，可以提前蓄水，避免因為缺水而導致作物死亡。農業(yè)生產者可以根據(jù)預測模型提前做好防汛、防風、防旱等措施，減少氣象災害對農作物產生的負面影響，降低經(jīng)濟損失[6]。

這類模型較為粗略，沒有考慮作物生長機理的影響，但在一定的預測范圍內能夠達到理想的效果。

理論模型又叫作機理模型，是用來描述特征水平上的系統(tǒng)行為的模型，該模型克服了經(jīng)驗模型的缺點，充分考慮影響作物發(fā)育和產量形成的物理和生理上的機理，實質上形成了半理論半經(jīng)驗模式。例如：作物產量形成的階乘模型，充分考慮影響作物產量的主要因素和次要因素，認為產量主要取決于3個農業(yè)氣象因素：光照能量、溫度和土壤濕度。這3個變量在作物生長周期的任何一天都影響著最終產量，因此作物-天氣模型數(shù)學表達式如下：

該模型主要考慮作物產量y為氣象時間t=0到t=m每日V值的總和V1、V2、V3的函數(shù)。表達作物機理的模型很多，水稻空殼率與光照、溫度關系模型，冬小麥越冬死苗率與臨界低溫持續(xù)時間的關系等。該模型可以很好地模擬作物光合作用、呼吸作用、水分消化和營養(yǎng)物質吸收、運輸、積累等重要的過程，從而能夠決定作物生產系統(tǒng)的生產力水平，可以有效模擬作物的能量和物質轉換過程，具有一定的復雜性，具有機理性強的特點。

2.1.2 氣象預測模型的缺點氣象預測模型存在不足之處，建立該模型需要應用大量的氣象數(shù)據(jù)和復雜的算法，氣象也受環(huán)境污染的影響，氣象預測模型可靠性和精確度不高，存在一定的誤差，因此氣象預測模型只能作為參考，要綜合很多情況做出合理的判斷。

2.1.3 氣象預測模型的意義通過對農業(yè)氣象模型的研究，可以更好地了解某個地區(qū)的氣候變化規(guī)律，從而對農業(yè)的生產活動具有指導意義。并且通過應用農業(yè)氣象學，可以有效地預防病蟲害、地質災害的發(fā)生，從而提前采取有效措施，降低風險，農業(yè)氣象模型可以為農業(yè)活動提供科學的依據(jù)，從而為農業(yè)生產提供幫助，提高農民的收益，實現(xiàn)農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2.2 作物生長模型及其意義

作物生長往往與土壤的品質、降雨量、氣候條件等因素有關，需要通過對比實驗，觀察統(tǒng)計主要影響因素，進行量化分析和模型建立，從而可以得到促進作物生長的量化指標，可以深入了解對作物生長發(fā)育過程的定量認識。在此基礎上進行種植實驗，進行大規(guī)模量產，利用量產的數(shù)據(jù)，進一步完善作物生長模型。

2.2.1 作物生長模型的分類作物生長模型分為經(jīng)驗模型、機理性模型、功能模型和結構模型。經(jīng)驗模型是一種只表達影響作物生長的各種因素存在的關系，而不能給出科學解釋的模型，模型主要根據(jù)因果關系的經(jīng)驗統(tǒng)計結果而建立，主要側重于作物生長的預測性和應用性，模型較為簡單。機理性模型則是能夠表達作物生長各種因素之間的定量關系，還能夠解釋系統(tǒng)行為的模型，是基于作物生長發(fā)育時的生理機理建立起來的模型，強調模型的定量性、解釋性和研究性。功能模型是一種用來描述系統(tǒng)結構和行為，并且用抽象的數(shù)字模擬過程和結果的模型，該模型包含經(jīng)驗模型和機理性模型的特點。結構模型是利用現(xiàn)代可視化工具和計算機仿真虛擬技術，模擬作物的生理結構和生長形態(tài)的變化規(guī)律，生長過程和結果均采用真實的三維圖像進行可視化表達的模型。

2.2.2 作物生長模型的意義作物生長模型可以被應用于制定宏觀的農業(yè)決策，進一步加強作物管理和環(huán)境干預，為某地區(qū)提供科學的農業(yè)規(guī)劃、作物品種的選擇等。作物生長模型可以通過研究作物生長過程與其影響因素的定量關系，從而選擇利于其生長的因素，加速作物生長發(fā)育，從而幫助決策者合理地安排生產活動。同時，運用作物生長模型，可以通過定量數(shù)字化管理，根據(jù)作物的生長情況和農田的特點，在作物種植、施肥、除蟲害防治等方面制定出精準、科學、有效的方案，可以提高作物的存活率和產量，從而有效降低生產成本，減少資源浪費，提高經(jīng)濟效益。利用作物生長模型，還可以根據(jù)不同類型的作物生長特點和生長環(huán)境的需求，智能化地考慮農業(yè)生產結構，保證農業(yè)生產的合理性、科學性。為作物生產決策系統(tǒng)的建立和開發(fā)奠定良好的基礎，為持續(xù)農業(yè)和精準農業(yè)的研究提供了科學的研究手段和方法。

2.3 農業(yè)機械運行模型及其意義

現(xiàn)代農業(yè)和傳統(tǒng)的家庭農業(yè)存在很大的差異，現(xiàn)代農業(yè)基本上是規(guī)模種植，規(guī)?；芾?。因此，在種植、施肥、打農藥以及收割等都會運用農業(yè)機械。合理地運用農業(yè)機械可以大大提高生產效率，同時節(jié)約時間和人工成本。例如：在大規(guī)模進行稻田除蟲時，使用農業(yè)機械，1～2 d完成農藥噴灑作業(yè)，這樣就不需要擔心因為天氣問題而導致農藥失效的現(xiàn)象。但是，在運用機械開展農業(yè)生長活動時，往往因為不合理地使用機械造成能源的浪費，污染環(huán)境；對機械性能不夠了解，沒有統(tǒng)籌規(guī)劃，錯失時機，造成資源浪費等。因此，需要通過對農業(yè)機械的工作參數(shù)和性能進行模型建立，提高機械的使用效率和農業(yè)生產質量。運用層次分析法和聚類分析法建立數(shù)學模型，利用優(yōu)選法設計合理的路徑，確保機械在最短的時間內完成預定的農業(yè)生產活動，達到用時最少、效率高、經(jīng)濟效益高的目的。

隨著現(xiàn)代農業(yè)的逐步發(fā)展，農業(yè)種植、生產規(guī)?；?，傳統(tǒng)的人工模式已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代農業(yè)的需求，農業(yè)機械化水平正在逐步提高，農業(yè)機械運行模型也得到進一步完善，從而可以幫助農業(yè)生產者更好地開展農業(yè)生產活動，對農業(yè)發(fā)展起到一定的推動作用。農業(yè)機械運行模型能夠改善農業(yè)設施裝備條件，推動農業(yè)科技成果的轉化和應用，實現(xiàn)農藝與農業(yè)機械的緊密結合；農業(yè)機械發(fā)展有效地突破農業(yè)生產的限制，促進農業(yè)發(fā)展方式的快速轉變。

2.4 農業(yè)決策模型及其意義

在振興鄉(xiāng)村農業(yè)的大背景下，需要解決農民的收入問題，在從事農業(yè)生產活動前，就需要建立農業(yè)決策模型，幫助農民預測未來的收入，同時降低投入成本。通過調研考察市場的對農產品的需求，以及當?shù)剞r業(yè)特點，運用數(shù)學方法建立決策模型，在多種選擇方案中選擇最具有經(jīng)濟價值的方案，提高農民的經(jīng)濟收入。農業(yè)決策模型主要有農產品種植選擇決策，農產品培育決策，農產品采摘儲存決策等。在農產品生產的每一個環(huán)節(jié)都有多種選擇，利用調研的數(shù)據(jù)，結合當前市場的實際情況，做出多方面的決策，進行科學的分析和統(tǒng)計，建立各個階段的農業(yè)決策模型，為農業(yè)決策者和生產者提供科學的決策支持和優(yōu)化種植方案、采摘存儲方案以及運輸方案，提高農業(yè)生產效益和可持續(xù)發(fā)展水平。同時，能夠準確計算出每個方案的成本和效益，能夠幫助農民選擇最優(yōu)的方案，實現(xiàn)成本利益最大化。

農業(yè)決策模型為農業(yè)生產經(jīng)營者提供一種分析方法，能夠為農業(yè)生產者制定更科學、更有效、更實用的設計方案，從而提高經(jīng)濟效益和實現(xiàn)農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。通過決策模型的建立，可以更好地解決農業(yè)生產者收入問題，便于了解農業(yè)生產者投資的變化情況，后期收益情況，能夠讓農業(yè)生產者了解投資的風險性。決策模型也可以將復雜問題簡單化，使決策者更清楚地看出哪些是已知參數(shù)，哪些是可變決策變量，哪些是反映目標結果的變量，通過改變哪些方式方法，可以獲得更高的經(jīng)濟收益。

2.5 農產品質量評估模型及其意義

農產品的質量問題是消費者關心的一個重要問題，需要適應市場需求，種植符合健康要求的綠色農產品。相關部門需要評估農產品質量，農業(yè)生產者生產出符合國家標準的農產品，使消費者放心購買。

農產品質量評估主要分為生物因素危害評估、化學藥品危害評估、農產品營養(yǎng)成分評估、轉基因危害評估、物理因素評估等內容，通過對農產品質量進行監(jiān)測和評估，可以根據(jù)評估結果對下一批產品進行科學、合理的處理，以達到評估標準，以增強農產品的市場競爭力，同時為了減少藥物使用，可以推動農業(yè)科技創(chuàng)新，促進農產品產業(yè)鏈的形成和發(fā)展。利用農產品質量評估模型，還可以保護物種的多樣性，減少環(huán)境污染和生態(tài)破壞，確保農產品的安全、可靠。

3 結束語

為了保障農產品的可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展，需要利用科學的手段，進行農業(yè)規(guī)模生產。擴大農業(yè)的產能，優(yōu)化農業(yè)結構，增加農業(yè)品種類型，增加就業(yè)崗位。運用農業(yè)氣象預測模型、作物生長模型、農業(yè)機械運行模型、農業(yè)決策模型以及農產品質量評估模型等數(shù)學手段，對農業(yè)生產活動進行指導，可以有效提高農產品的經(jīng)濟效益。從事農業(yè)生產活動，不僅僅是一個獨立的生產過程，它是一個系統(tǒng)過程，包括前期的農業(yè)生產準備過程，土壤性質檢測過程，作物育種選擇過程，生產—銷售—貿易的綜合系統(tǒng)的過程，而數(shù)學模型的應用可以有效幫助農業(yè)生產者分析農業(yè)經(jīng)濟因素，并且通過模型的建立，模型的評估分析不同氣候對農產品的影響和有效的防御措施，通過農產品質量評估解決種植綠色產品、生產健康的農產品問題。同時，運用數(shù)學模型，可以科學制定有效的農業(yè)生產方案和計劃，提高農業(yè)生產者經(jīng)濟收入。

農業(yè)發(fā)展受到自然因素和人為因素的影響，導致農業(yè)問題錯綜復雜。而且我國是農業(yè)大國，需要用科學數(shù)學的方法來有效解決復雜的農業(yè)問題。農業(yè)數(shù)學建模由于將農業(yè)過程數(shù)字化，使農業(yè)科學從經(jīng)驗水平上升至理論高度。要實現(xiàn)農業(yè)數(shù)字化，若不以數(shù)學建模為基礎，就只能停留在農業(yè)問題的表面，而不能深入各種農業(yè)生產的過程，就不能對農業(yè)生產做出優(yōu)化和決策。農業(yè)數(shù)學建模是精確農業(yè)的學科基礎和核心技術。