加工番茄管理知识模型及决策支持系统的研究

摘要

加工番茄是新疆干旱区优势特色产业,在农业发展战略中占有较高地位,经过近几年的发展已成为新疆第二大经济作物。目前,干旱区加工番茄种植已初步进入产业化发展道路,但要做到均衡生产、现代化栽培管理、更快发展加工番茄的产业化生产,开发加工番茄管理决策支持系统是关键。 本研究运用知识模型的构建原理,将系统分析方法利数学建模技术应用于加工番茄栽培生产管理的知识表达体系中,在广泛收集和利用加工番茄栽培理论与技术方面的知识、数据和专家经验的基础上,并结合必要的试验支持研究,对加工番茄生长发育特性和栽培管理指标与品种类型、生态环境和生产技术水平之间的逻辑关系进行解析、归纳和综合,并运用数理统计分析方法进行量化表示,构建了基于作物-环境-措施关系的、可适用于不同时空环境的加工番茄栽培管理知识模型。并进一步结合加工番茄栽培管理知识库表达系统,设计和实现了综合性、智能化的基于知识模型的加工番茄管理决策支持系统(KMDSSPTM)。 加工番茄栽培管理知识模型主要包括播前方案设计、生育进程与生长动态预测两个部分。其中,播前方案设计知识模型包括产量目标、品种选择、播栽日期、种植密度与播种量、肥料和水分运筹等；生育指标动态知识模型包括适宜生育期、株高、叶面积指数、干物质积累量、营养物质积累量等。产量目标知识模型是基于逐步订正的“作物生长动态统计方法”进行动态量化的,在确定决策点最大光合生产潜力的估算值的基础上,通过量化温度、水分、土壤肥力和栽培管理水平等对加工番茄产量的影响,结合前三年历史平均产量水平而建立的：品种选择知识模型是利用生态学原理和多目标决策方法,通过定量计算加工番茄品种特征值与环境因子和生产需求之间的符合度,进而推荐适宜的品种；播期的确定主要以茬口安排、品种熟性和生育的环境要求为基础,以成熟期置信度为衡量标准,以定量化生理发育时间为时间尺度确定品种的适宜和最晚播期；种植密度是根据“以产定枝,以枝定苗”的原理,通过引入品种分杖性和株型参数,并依据品种、肥水管理水平等对种植密度的影响,以动态量化不同产量水平与适宜有效分枝数之间的关系计算得到。在种植密度的基础上,应用相对权重法量化土壤理化环境、播种质量和整地质量等多个生态因子对出苗率的影响,进而确定适宜的播种量；水分运筹是在量化加工番茄产量与需水量之间关系的基础上,计算总的需水量,再根据土壤水分平衡原理,通过获取气象资料计算田间蒸散量和有效降雨量,结合加工番茄的需水规律,动态计算加工番茄整个生育时期的游溉定额和各生育时期的水分分配定颁；肥料运筹动态知识模型是根据养分平衡原理和养分需求规律建立起来的,模型首先量化实现目标产量与所需要氮、磷、钾养分总餐的关系,计算出加工番茄一生需肥量,再根据土壤的理化特性及基础养分含量等计算土壤氮磷钾当季供应量,确立了氮磷钾的总施用量、有机氮无机氮的配比以及无机氮基肥与追肥的适宜比例等肥料管理技术中的关键技术。 根据加工番茄动态发育所积累的生理发育效应恒定的原理,通过定量计算温度和光照对加工番茄的生理发育效应影响,引入品种基本发育因子,建立了加工番茄品种以生理发育时间为尺度的适宜动态生育时期预测模型：运用Monsi公式,计算了转色期至初采期的最大适宜叶面积指数,并以生理发育时间为预报变量,以相对化LAI动态数学模型为基础,建立了加工番茄适宜叶面积指数和动态设计的知识模型：根据Logistic曲线增长规律,建立了干物质积累动态模型,引入收获指数,建立了基于分配指数的各器官干物质分配和产量预测动态模型：通过动态计算到达各主要生育时期群体养分积累量及其各阶段干物质积累,建立了加工番茄适宜地上部植株养分指标动态知识模型；加工番茄的株高变化是通过定量基于生理发育时间的实时株高与通过品种植物学参数的机理性模拟而得到的最终株高之间的关系来描述的。在构建加工番茄栽培管理动态知识模型的基础上,进一步结合加工番茄栽培管理知识库表达系统,在Delphi7.0平台上构建了基于知识模型的加工番茄管理决策支持系统,实现了预测功能和决策功能的集成,为加工番茄栽培的智能化和数字化管理决策奠定基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

前言

第一章文献综述

1.1作物栽培理论的研究进展

1.2作物生产管理系统的研究进展

1.2.1国内外作物模型的研究动态

1.2.2国内外作物决策支持系统研究动态

1.2.3作物生产管理系统的研究展望

1.3研究目的和意义

第二章研究思路与研究方法

2.1研究思路

2.2研究内容

2.3技术路线

2.4资料来源

2.4.1文献资料与专家咨询

2.4.2田间支持试验

2.5研究方法

2.5.1加工番茄栽培管理知识模型的构建

2.5.2知识、数据表示方式

2.5.3系统程序开发技术

2.5.4模型检验

第三章加工番茄播前技术方案设计的动态知识模型

3.1模型描述

3.1.1产量目标模型

3.1.2品种选择

3.1.3播期确定

3.1.4适宜密度与播种量设计模型

3.1.5肥料运筹模型

3.1.6水分管理模型

3.2模型验证

3.2.1产量目标知识模型实例分析

3.2.2品种选择知识模型实例分析

3.2.3播期确定知识模型实例分析

3.2.4密度和播种量知识模型实例分析

3.2.5肥料运筹知识模型实例分析

3.2.6水分管理知识模型实例分析

第四章加工番茄生育进程与生长动态知识模型

4.1模型描述

4.1.1生育进程

4.1.2叶面积指数动态

4.1.3干物质积累、分配和产量形成动态

4.1.4株高动态

4.1.5养分积累动态

4.2模型实例分析

4.2.1生育期模型检验

4.2.2叶面积指数模型检验

4.2.3干物质积累模型检验

4.2.4株高模型检验

4.2.5养分积累模型检验

第五章基于知识模型的加工番茄管理决策支持系统的设计与实现

5.1系统结构

5.1.1数据库

5.1.2知识模型库

5.1.3知识库

5.2系统的功能与技术原理

5.2.1基本信息及系统维护管理

5.2.2种植适应性决策

5.2.3播前种植方案设计

5.2.4适宜生育指标动态预测与因苗调控

5.2.5文本浏览及专家知识咨询

5.3系统的开发与检验

5.3.1系统开发环境及工具

5.3.2系统应用实例分析

5.4系统特点

第六章 结论与讨论

6.1结论

6.2讨论

6.2.1加工番茄栽培管理知识模型

6.2.2今后设想

参考文献

附录 参数与变量（缩写）说明表

致谢

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