本文是一篇生產(chǎn)管理論文，筆者針對溫室環(huán)境因素難以精準(zhǔn)調(diào)控、種植管理標(biāo)準(zhǔn)化及智能化程度低等問題展開研究，通過多地實地調(diào)研、咨詢專家以及總結(jié)前人經(jīng)驗，利用主成分分析、多重共線性分析、權(quán)重分析、嶺回歸及矩陣模型等統(tǒng)計學(xué)相關(guān)方法，從數(shù)據(jù)采集、存儲、處理和可視化的角度出發(fā)，對作物生長模型、生產(chǎn)過程數(shù)字化及系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)行了深入的研究。
1 緒論
1.1 研究的背景及意義
1.1.1 研究背景
數(shù)字農(nóng)業(yè)是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中一種集信息化、集約化以及新型化于一身的農(nóng)業(yè)技術(shù)(劉海啟，2019)。數(shù)字農(nóng)業(yè)將計算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)等信息高新技術(shù)和農(nóng)學(xué)、植物生理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科有機(jī)的結(jié)合起來，實現(xiàn)對作物生長發(fā)育以及相應(yīng)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行及時有效的獲取，在此基礎(chǔ)上將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)字化、智能化及標(biāo)準(zhǔn)化管理。黨的十八大以來，黨中央、國務(wù)院高度重視數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展，作出了一系列大力推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重大部署安排，同時物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的快速發(fā)展，為我國數(shù)字農(nóng)業(yè)的建設(shè)與發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。 我國設(shè)施蔬菜發(fā)展迅猛，黃瓜是設(shè)施蔬菜中的典型大宗作物之一，2020年我國黃瓜栽培面積150余萬公頃，占到全國蔬菜總種植面積的10%(楊凡等，2020)。黃瓜作為重要經(jīng)濟(jì)作物，我國黃瓜的種植規(guī)模和產(chǎn)量都位居世界第一，在農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)民增收中正發(fā)揮著越來越重要的作用。當(dāng)前的設(shè)施黃瓜種植管理標(biāo)準(zhǔn)化程度低，生長環(huán)境難以精準(zhǔn)調(diào)控，嚴(yán)重影響著產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。在數(shù)字化技術(shù)發(fā)展背景下，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)中心項目組對設(shè)施黃瓜產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了廣泛調(diào)研，實現(xiàn)了設(shè)施黃瓜生產(chǎn)全過程信息的實時監(jiān)測，完成了數(shù)據(jù)的自動采集和存儲，并開展了廣泛的設(shè)施黃瓜生產(chǎn)管理自動化管理及環(huán)境調(diào)控等工作，為設(shè)施黃瓜生產(chǎn)過程數(shù)字化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化奠定了堅實的基礎(chǔ)。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 作物生長模型
作物生長模型是用來描述作物生長過程及其與環(huán)境因子之間定量關(guān)系的計算機(jī)程序或者數(shù)學(xué)方程，是從系統(tǒng)科學(xué)的角度，將環(huán)境、作物品種以及管理措施等對作物生長造成影響的因素作為一個整體系統(tǒng)的數(shù)值模擬系統(tǒng)，能夠定量化的研究環(huán)境因子以及種植管理措施對作物生長發(fā)育的影響。因其具有省時、省力以及可重現(xiàn)的特點(diǎn)，在作物栽培、水肥管理、環(huán)境調(diào)控等方面發(fā)揮的作用越來越重要(宋明丹等，2014；孫揚(yáng)越等，2019；馬萬征等，2012；毛罕平等，2018)。
最早開始生長模型研究的是荷蘭，“DE WIT學(xué)派”發(fā)表的光合作用模型，標(biāo)志著作物生理生態(tài)過程模擬的問世( De Wit C T, 1965)。隨后基于有效積溫理論建立了多種常見作物的生長模型。如Heuelink等用有效積溫法建立了番茄的生長模擬模型(Heuvelink, 1999)。徐剛等利用有效積溫建立了溫室番茄長季節(jié)栽培生長發(fā)育模型，模型精度高、預(yù)測性好(徐剛等，2005)。陳永快等以有效積溫為變量，采用Logistic曲線方程，建立了NFT下小白菜生長模型，將產(chǎn)量、株高和葉片數(shù)等與環(huán)境因子之間的關(guān)系直接用函數(shù)關(guān)系表達(dá)出來，對溫室環(huán)境和小白菜生長的優(yōu)化控制、生長期的定量化管理以及提高溫室利用效率等具有十分重要的意義(陳永快等，2020)。王全九等運(yùn)用Logistic生長模型進(jìn)行了有效積溫對馬鈴薯葉面積指數(shù)的定量分析，為合理選擇馬鈴薯適宜的播期和生長期管理提供了科學(xué)依據(jù)(王全九等，2020)。
這類基于有效積溫理論構(gòu)建的生長模型僅用溫度這一因子來反映作物生長狀況，在特定情況下可以滿足作物生長的要求，但忽略了光照這一重要環(huán)境因子的影響。因此有人基于輻熱積法建立了作物生長模型，如程陳等建立了以輻熱積為尺度的溫室黃瓜葉面積指數(shù)模型(程陳等，2019)。毛罕平等以光溫因子為變量，構(gòu)建了基于Logistic方程的黃瓜葉面積等的統(tǒng)計模型，研究光溫對黃瓜葉面積的影響并定量化分析溫室環(huán)境與黃瓜生長發(fā)育關(guān)系(李青林等，2011)。劉志剛等以光溫因子-輻熱積(TEP)為驅(qū)動變量，建立了溫室基質(zhì)栽培生菜營養(yǎng)生長模擬模型(劉志剛等，2016a)。倪紀(jì)恒等根據(jù)設(shè)施黃瓜果實對溫度和輻射的響應(yīng)，建立了以輻熱積作為基本尺度的溫室黃瓜果實模型，能較準(zhǔn)確地預(yù)測溫室黃瓜各節(jié)位的果實生長(倪紀(jì)恒等，2009)。Gupta等研究了設(shè)施條件下輻熱積對番茄幼苗長勢的影響(Gupta等，2012)。
2 相關(guān)理論和技術(shù)
2.1 作物生長模型分析相關(guān)理論
為實現(xiàn)設(shè)施黃瓜基于主要環(huán)境因子的生長模型構(gòu)建，研究擬采用主成分分析、多重共線性分析、回歸分析等統(tǒng)計分析結(jié)合的算法進(jìn)行挖掘分析。
2.1.1 主成分分析原理及方法
主成分分析(Principal component analysis，PCA)，又名主分量分析，是一種統(tǒng)計方法。該方法首先是由K.皮爾森（Karl Pearson）引入到非隨機(jī)變量，后續(xù)由H.霍特林引入到隨機(jī)向量的情形。PCA的理論是通過降維技術(shù)，把具有一定相關(guān)性的變量，按照貢獻(xiàn)率的大小，重新組合成一組新的、且相互獨(dú)立的、少數(shù)幾個能充分反映原始數(shù)據(jù)信息的綜合指標(biāo)，組合而成的綜合指標(biāo)被稱之為主成分，各主成分之間互不相關(guān)，在保留重要信息的前提下，避開原變量之間的線性相關(guān)關(guān)系，以便于進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)分析(Hervé Abdi et al., 2010；林海明等，2013)。
確定主成分的方法有兩種，一是通過選擇特征值大于1的指標(biāo)來選取主成分，二是通過方差累計貢獻(xiàn)率來選取主成分，累計貢獻(xiàn)率通常達(dá)到80%以上為宜。本研究通過第二種方法來確定判斷最能體現(xiàn)設(shè)施黃瓜長勢指標(biāo)的主成分。
2.2 生產(chǎn)過程數(shù)字化研究相關(guān)理論
為實現(xiàn)設(shè)施黃瓜不同生長時期數(shù)字化研究，本研究擬采用知識庫和規(guī)則庫建立基于不同時期的環(huán)境調(diào)控、病害預(yù)防及日常農(nóng)事管理的數(shù)字化管控指標(biāo)，為農(nóng)戶在生產(chǎn)管理中提供服務(wù)與決策支持。 2.2.1 知識庫構(gòu)建方法
（1）知識類別
設(shè)施黃瓜生長劃分為苗期、初花期和果期，不同生長時期的知識庫主要包含環(huán)境調(diào)控所需要的知識、病害診斷所需要的知識及日常農(nóng)事管理所需要的知識。在設(shè)計知識庫時，將知識庫劃分為三個生育期知識庫，每個生長期知識庫依據(jù)知識類別劃分為環(huán)境調(diào)控知識模塊、病害防控知識模塊及日常農(nóng)事管理知識模塊。
（2）知識獲取方法
在確定設(shè)施黃瓜知識庫需要哪些知識后，需要確定知識的獲取方式。為實現(xiàn)設(shè)施黃瓜生產(chǎn)管理數(shù)字化，需要大量的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識及與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān)的數(shù)據(jù)，主要通過以下幾個途徑獲取。
①查閱文獻(xiàn)和專著。從知網(wǎng)、論壇等途徑查閱文獻(xiàn)和專著，獲取相關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)知識，該類知識經(jīng)過設(shè)施黃瓜生產(chǎn)專家審核驗證，具有一定的權(quán)威性。
②與專家交流。提前假定一些生產(chǎn)管理過程中可能出現(xiàn)的問題，向有代表性的專家請教，提供技術(shù)決策和解決問題的方案。
③參考國家標(biāo)準(zhǔn)。近些年來各地方相繼推出一些設(shè)施黃瓜種植標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)技術(shù)章程，從中獲取適宜的生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)。
④收集各級農(nóng)業(yè)科技機(jī)構(gòu)近年有關(guān)的研究成果。
3 基于主要環(huán)境因子的設(shè)施黃瓜生長模型研究 ................................... 20
3.1 試驗概況 ...................................... 20
3.1.1 試驗材料 ...................................... 20
3.1.2 數(shù)據(jù)采集類型與方法 ............................ 21
4 設(shè)施黃瓜生產(chǎn)過程數(shù)字化研究 ................................ 34
4.1 設(shè)施黃瓜生產(chǎn)過程管理方案 .................................. 34
4.1.1 設(shè)施黃瓜定植前管理方案 .................................... 36
4.1.2 設(shè)施黃瓜苗期管理方案 .................................. 37
5 設(shè)施黃瓜生產(chǎn)過程數(shù)字化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) ................................ 62
5.1 系統(tǒng)需求分析 ...................................... 62
5.1.1 系統(tǒng)用戶需求 .................................... 62
5.1.2 系統(tǒng)功能需求分析 .............................. 62
5 設(shè)施黃瓜生產(chǎn)過程數(shù)字化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
5.1 系統(tǒng)需求分析
5.1.1 系統(tǒng)用戶需求
通過對山東省德州市陵城區(qū)麋鎮(zhèn)智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園、東平思源產(chǎn)業(yè)園、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新園等多地深入調(diào)研分析，黃瓜種植管理數(shù)據(jù)、生長數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)對于生產(chǎn)而言極具重要性，充分了解黃瓜數(shù)字化種植管理流程以及環(huán)境和黃瓜生長之間的關(guān)系有利于設(shè)施黃瓜生產(chǎn)相關(guān)人員了解產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況。在該系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計時，著重考慮以下用戶的需求： （1）黃瓜種植戶：黃瓜種植戶可以了解到當(dāng)前種植品種，種植地信息等，還可以了解到黃瓜整個數(shù)字化種植流程，結(jié)合當(dāng)前作物生長狀況，合理調(diào)整管理措施，如吊蔓、施肥、簪花等操作，讓作物更好的生長，達(dá)到增產(chǎn)提質(zhì)的效果。
（2）基層負(fù)責(zé)人員：主要為在基層工作的實際操作人員，采集黃瓜種植管理的相關(guān)數(shù)據(jù)、生長數(shù)據(jù)，為生長模型的構(gòu)建以及生產(chǎn)數(shù)字化研究提供數(shù)據(jù)支撐。
（3）農(nóng)業(yè)科研機(jī)構(gòu)：通過使用設(shè)施黃瓜生產(chǎn)數(shù)字化管理系統(tǒng)，可獲取黃瓜的多項生長信息、環(huán)境信息及種植管理信息等，從而進(jìn)行科學(xué)研究，共同完善設(shè)施黃瓜生產(chǎn)過程數(shù)字化研究，為實現(xiàn)設(shè)施黃瓜產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺奠定基礎(chǔ)。
（4）系統(tǒng)管理人員：主要負(fù)責(zé)設(shè)施黃瓜產(chǎn)業(yè)數(shù)字化系統(tǒng)的需求開發(fā)、平臺搭建、后臺管理、功能完善、系統(tǒng)維護(hù)、不同用戶的權(quán)限管理以及數(shù)據(jù)的采集維護(hù)等。
6 總結(jié)與展望
6.1 總結(jié)
針對溫室環(huán)境因素難以精準(zhǔn)調(diào)控、種植管理標(biāo)準(zhǔn)化及智能化程度低等問題展開研究，通過多地實地調(diào)研、咨詢專家以及總結(jié)前人經(jīng)驗，利用主成分分析、多重共線性分析、權(quán)重分析、嶺回歸及矩陣模型等統(tǒng)計學(xué)相關(guān)方法，從數(shù)據(jù)采集、存儲、處理和可視化的角度出發(fā)，對作物生長模型、生產(chǎn)過程數(shù)字化及系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)行了深入的研究。主要研究成果及結(jié)論如下：
（1）基于主要環(huán)境因子的設(shè)施黃瓜生長模型研究
利用主成分分析及權(quán)重分析法提取了設(shè)施黃瓜長勢特征，不同生育時期的葉面積負(fù)荷值在第一主成分中占比最高，評估模型中得分最高，且在權(quán)重分析中占比最大，說明葉面積能夠較明顯的表現(xiàn)黃瓜生長狀況；然后由嶺回歸建立的基于環(huán)境因子對設(shè)施黃瓜不同時期的生長模型發(fā)現(xiàn)，苗期主要環(huán)境影響因子為光照、溫度和濕度，花期主要影響因子為溫度和光照，果期主要影響因子為濕度和光照，模型的決定系數(shù)皆大于90%，檢驗結(jié)果顯著性較高。生長特征分析和各生長期生長模型的構(gòu)建為后續(xù)設(shè)施黃瓜生產(chǎn)過程數(shù)字化研究奠定了基礎(chǔ)。
（2）設(shè)施黃瓜生產(chǎn)過程數(shù)字化研究
將設(shè)施黃瓜生產(chǎn)過程劃分為苗期、初花期及果期，構(gòu)建設(shè)施黃瓜生產(chǎn)過程數(shù)字化方案，并借助知識庫和規(guī)則庫對設(shè)施黃瓜生長全過程進(jìn)行數(shù)字化描述。以知識類別的形式將各時期的生產(chǎn)管理劃分為環(huán)境數(shù)字化調(diào)控、病害數(shù)字化預(yù)防及日常農(nóng)事數(shù)字化管理。在此基礎(chǔ)上建立不同時期的知識庫，并采用產(chǎn)生式規(guī)則法與專家知識相結(jié)合的方式推斷出不同生長時期具體的可行性管理方案，形成生產(chǎn)管理規(guī)則庫，制定不同時期種植管理操作細(xì)則。最后以矩陣形式建立不同時期生產(chǎn)管理指標(biāo)的判斷矩陣、種植模型和操作模型，建立全周期數(shù)字化模型，實現(xiàn)設(shè)施黃瓜種植管理數(shù)字化，為農(nóng)戶標(biāo)準(zhǔn)化種植管理提供服務(wù)與決策支持。
參考文獻(xiàn)（略）