棉花形態(tài)建成模型與基于模型和GIS的數(shù)字棉作系統(tǒng)研究.pdf

1、本研究在綜合國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，以不同株型棉花品種為研究對(duì)象，運(yùn)用系統(tǒng)分析原理和數(shù)學(xué)建模技術(shù)，綜合棉花各個(gè)器官形態(tài)建成過程與溫度之間的定量關(guān)系，構(gòu)建了基于生長度日(growing degree day，GDD)的棉花主莖、葉片、葉柄、分枝、棉鈴形態(tài)生長模型和干物質(zhì)分配比例指數(shù)動(dòng)態(tài)模型。應(yīng)用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)與軟構(gòu)件技術(shù)，在江蘇省高信息技術(shù)研究試驗(yàn)室已有研究成果的基礎(chǔ)上，以棉花生長模擬模型和管理知識(shí)模型為核心，以WebGIS為空間

2、信息管理平臺(tái)，運(yùn)用軟件工程的思想，采用B/S(Browser/Server)模式，實(shí)現(xiàn)了基于模型和GIS技術(shù)的數(shù)字棉作系統(tǒng)(model and webGIS based decision support system of cotton management，MBWDSSCM)。具體研究結(jié)果如下：
　　 (1)系統(tǒng)分析了光溫生態(tài)因子對(duì)棉花葉片長、寬，葉柄長、粗，主莖節(jié)間長、粗，果節(jié)長、粗，蕾鈴高、直徑等形態(tài)發(fā)生的影響，量化了溫度

3、、光照時(shí)間與棉花各器官形態(tài)建成的關(guān)系，構(gòu)建了基于GDD、以Logistic方程為基礎(chǔ)的棉花形態(tài)建成光溫模型。利用同年南京相應(yīng)條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明，棉花主莖葉片長度、寬度、葉柄長、主莖節(jié)間長、主莖節(jié)間粗和果枝葉片長度、寬度、葉柄長度、果節(jié)長度、果節(jié)直徑、蕾鈴高度和直徑的RMSE值范圍分別為0.48cm、0.65cm、0.53cm、0.09cm、0.02cm、0.55cm、0.28cm、0.23cm、0.14cm、

4、0.17cm、0.20cm、0.11cm。棉花器官形態(tài)指標(biāo)的模擬值與檢驗(yàn)值具有較好的吻合度，說明模型具有較好的預(yù)測(cè)性和描述性。
　　 (2)通過對(duì)緊湊型株型棉花品種33B主莖和果枝單位主莖、分枝、葉片、葉柄及蕾鈴等器官干物重的連續(xù)觀測(cè)和定量分析，構(gòu)建了棉花地上部各單位器官干物質(zhì)分配比例指數(shù)動(dòng)態(tài)模擬模型。模型采用線性和指數(shù)方程描述了葉片、葉柄、主莖、分枝及蕾鈴單位器官分配比例指數(shù)隨GDD的動(dòng)態(tài)變化過程；分別用指數(shù)方程及一元二次方程

5、描述了葉片、葉柄、主莖、分枝及蕾鈴單位分配比例指數(shù)隨不同葉位、節(jié)位的動(dòng)態(tài)變化過程。利用同年本試驗(yàn)室所獲取的棉花品種33B干物質(zhì)積累資料，初步檢驗(yàn)了本模型預(yù)測(cè)的棉花品種33B不同單位器官在不同GDD時(shí)刻的干物質(zhì)分配比例指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明，模型對(duì)主莖、主葉、主柄、主莖分枝、果葉、果柄、果枝莖、蕾鈴等單位器官在不同GDD時(shí)刻的比例指數(shù)動(dòng)態(tài)過程均有較好的預(yù)測(cè)性，模擬值和觀測(cè)值之間的RMSE平均值分別為0.028、0.017、0.013、0

6、.035、0.021、0.009、0.011、0.014。從干物質(zhì)分配比例指數(shù)觀測(cè)值與模擬值間的1：1關(guān)系圖也可以看出，整個(gè)生育期內(nèi)，除果枝莖、果葉、果柄的模擬值略高外，其他各單位器官干物質(zhì)分配比例指數(shù)的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合度均較好，變化趨勢(shì)也比較一致。棉花形態(tài)生長模型的構(gòu)建為基于生理生態(tài)過程的棉花結(jié)構(gòu)—功能形態(tài)模擬模型的構(gòu)建及虛擬生長系統(tǒng)的研制奠定了基礎(chǔ)。
　　 (3)運(yùn)用軟構(gòu)件和參數(shù)化技術(shù)，決策支持與系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，結(jié)合GIS空

7、間技術(shù)，充分發(fā)揮模擬模型的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)功能、GIS的空間信息管理功能、知識(shí)模型的管理決策功能，最終建立了基于數(shù)字模型和模擬分析的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字棉作栽培管理決策系統(tǒng)，該系統(tǒng)以品種、氣候、土壤、生產(chǎn)條件等作為基本輸入，可為用戶提供棉作區(qū)劃、方案設(shè)計(jì)、模擬預(yù)測(cè)、方案評(píng)估和動(dòng)態(tài)調(diào)控等功能。
　　 利用華北地區(qū)及江蘇部分縣市的資料，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和結(jié)構(gòu)框架符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)的發(fā)展要求，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化和數(shù)字

8、化管理。與以往的棉花管理決策支持系統(tǒng)相比，基于模型和GIS技術(shù)的數(shù)字棉作系統(tǒng)較好地綜合了棉花生長模擬模型、管理知識(shí)模型和GIS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，因而具有以下鮮明的特點(diǎn)：①在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，采用典型的三層B/S結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和表現(xiàn)完全分離，方便系統(tǒng)維護(hù)。②系統(tǒng)安全性較高，系統(tǒng)授予不同角色的用戶不同權(quán)限，很好的保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全，確保了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。③在操作方面，界面友好，模型與WebGIS的結(jié)合大大改善了系統(tǒng)的輸入輸出界面，易于直觀形象地展示