棉花形态建成模型与基于模型和GIS的数字棉作系统研究

摘要

本研究在综合国内外相关研究成果的基础上，以不同株型棉花品种为研究对象，运用系统分析原理和数学建模技术，综合棉花各个器官形态建成过程与温度之间的定量关系，构建了基于生长度日(growing degree day，GDD)的棉花主茎、叶片、叶柄、分枝、棉铃形态生长模型和干物质分配比例指数动态模型。应用面向对象的程序设计与软构件技术，在江苏省高信息技术研究试验室已有研究成果的基础上，以棉花生长模拟模型和管理知识模型为核心，以WebGIS为空间信息管理平台，运用软件工程的思想，采用B/S(Browser/Server)模式，实现了基于模型和GIS技术的数字棉作系统(model and webGIS based decision support system of cotton management，MBWDSSCM)。具体研究结果如下：
　　 (1)系统分析了光温生态因子对棉花叶片长、宽，叶柄长、粗，主茎节间长、粗，果节长、粗，蕾铃高、直径等形态发生的影响，量化了温度、光照时间与棉花各器官形态建成的关系，构建了基于GDD、以Logistic方程为基础的棉花形态建成光温模型。利用同年南京相应条件下的试验数据对模型进行了检验，检验结果表明，棉花主茎叶片长度、宽度、叶柄长、主茎节间长、主茎节间粗和果枝叶片长度、宽度、叶柄长度、果节长度、果节直径、蕾铃高度和直径的RMSE值范围分别为0.48cm、0.65cm、0.53cm、0.09cm、0.02cm、0.55cm、0.28cm、0.23cm、0.14cm、0.17cm、0.20cm、0.11cm。棉花器官形态指标的模拟值与检验值具有较好的吻合度，说明模型具有较好的预测性和描述性。
　　 (2)通过对紧凑型株型棉花品种33B主茎和果枝单位主茎、分枝、叶片、叶柄及蕾铃等器官干物重的连续观测和定量分析，构建了棉花地上部各单位器官干物质分配比例指数动态模拟模型。模型采用线性和指数方程描述了叶片、叶柄、主茎、分枝及蕾铃单位器官分配比例指数随GDD的动态变化过程；分别用指数方程及一元二次方程描述了叶片、叶柄、主茎、分枝及蕾铃单位分配比例指数随不同叶位、节位的动态变化过程。利用同年本试验室所获取的棉花品种33B干物质积累资料，初步检验了本模型预测的棉花品种33B不同单位器官在不同GDD时刻的干物质分配比例指数的动态变化。结果表明，模型对主茎、主叶、主柄、主茎分枝、果叶、果柄、果枝茎、蕾铃等单位器官在不同GDD时刻的比例指数动态过程均有较好的预测性，模拟值和观测值之间的RMSE平均值分别为0.028、0.017、0.013、0.035、0.021、0.009、0.011、0.014。从干物质分配比例指数观测值与模拟值间的1：1关系图也可以看出，整个生育期内，除果枝茎、果叶、果柄的模拟值略高外，其他各单位器官干物质分配比例指数的模拟值与实测值吻合度均较好，变化趋势也比较一致。棉花形态生长模型的构建为基于生理生态过程的棉花结构—功能形态模拟模型的构建及虚拟生长系统的研制奠定了基础。
　　 (3)运用软构件和参数化技术，决策支持与系统设计技术，结合GIS空间技术，充分发挥模拟模型的动态预测功能、GIS的空间信息管理功能、知识模型的管理决策功能，最终建立了基于数字模型和模拟分析的网络化数字棉作栽培管理决策系统，该系统以品种、气候、土壤、生产条件等作为基本输入，可为用户提供棉作区划、方案设计、模拟预测、方案评估和动态调控等功能。
　　 利用华北地区及江苏部分县市的资料，对系统进行了测试。结果表明，系统的设计思想和结构框架符合现代农业决策支持系统的发展要求，实现了农业生产的信息化和数字化管理。与以往的棉花管理决策支持系统相比，基于模型和GIS技术的数字棉作系统较好地综合了棉花生长模拟模型、管理知识模型和GIS技术的优点，因而具有以下鲜明的特点：①在系统结构方面，采用典型的三层B/S结构，数据的产生和表现完全分离，方便系统维护。②系统安全性较高，系统授予不同角色的用户不同权限，很好的保证了系统数据的安全，确保了系统稳定运行。③在操作方面，界面友好，模型与WebGIS的结合大大改善了系统的输入输出界面，易于直观形象地展示运行结果。④在功能方面，决策全面，系统可以提供棉花产前方案设计、产中动态调控、产后效益分析及生产环境管理等贯穿棉花生产全过程的信息化决策支持服务。系统的实现为棉花生产系统的数字化预测、设计、评价和调控提供了支持。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 引言

1农业信息化与信息农业关键技术概述

1.1农业信息与农业信息化

1.2信息农业关键技术概述

2农业信息技术在作物栽培领域中的应用

2.1作物生长模拟模型研究进展

2.2作物形态虚拟模型研究进展

2.3农业专家系统研究进展

2.4农业决策支持系统研究进展

3农业信息技术在棉花栽培领域中的应用

3.1棉花生长模拟模型研究进展

3.2棉花形态模型研究进展

3.3棉花管理专家系统研究进展

3.4棉花决策支持系统研究进展

4本研究的目的和意义

第二章 材料与方法

1模型构建

1.1建模思路

1.2建模路线

1.3资料来源

1.4建模与检验

2系统开发

2.1系统开发思路

2.2系统开发路线

2.3系统资料来源

2.4系统设计与开发

第三章 棉花地上部形态建成光温模型研究

1模型的描述

2生态效应因子和主要参数的确定

2.1温度

2.2光温影响因子

2.3各器官潜在长度

3模型的构建

3.1棉花叶片生长模型的构建

3.2棉花叶柄生长形态模型的构建

3.3棉花枝节生长形态模型的构建

3.4棉花蕾铃生长形态模型的构建

4模型的检验

5小结

第四章 棉花地上部干物质分配过程的定量模拟

1模型的构建和描述

1.1茎水平单位器官干物质分配比例指数

1.2枝水平亚单位器官干物质分配比例指数

2棉花单位器官干物质增长的动态模拟

3各器官干物重模型的检验

4小结

第五章 基于模型与GIS的数字棉作系统的研制

1系统体系结构

2系统开发环境与软件开发工具

2.1系统开发环境

2.2软件开发工具

2.3辅助开发工具

3系统的开发与集成

3.1系统数据库设计

3.2 Web应用程序开发

3.3模型组件的开发调用

3.4系统集成

4系统的运行环境

4.1服务器端运行环境

4.2客户端运行环境

5系统的功能及特点

5.1系统功能

5.2系统的特点

6系统实现关键技术

6.1平台构建技术

6.2模型结合技术

6.3模型与GIS耦合技术

7系统开发与实现

8系统测试和应用

8.1系统测试

8.2系统的测试应用

9小节

第六章 结论与讨论

1讨论

1.1棉花形态建成光温模型

1.2棉花干物质分配比例指数模型

1.3基于模型和GIS的数字棉作系统

2本研究的创新点

3本研究的不足之处

4今后的研究设想

4.1定量模型的完善

4.2系统功能的完善和扩展

4.3虚拟现实技术的应用

5结论

参考文献

附录 棉作系统用户使用操作手册

在读期间发表的学术论文

个人简历

致谢