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(shí)地調(diào)研、咨詢專家以及總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，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(jì)學(xué)相關(guān)方法，從數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、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(jì)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(shí)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(shí)有效的獲取，在此基礎(chǔ)上將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化，實(shí)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(shí)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(jiān)實(shí)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(xiàng)目組對設(shè)施黃瓜產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了廣泛調(diào)研，實(shí)現(xiàn)了設(shè)施黃瓜生產(chǎn)全過程信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，完成了數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和存儲(chǔ)，并開展了廣泛的設(shè)施黃瓜生產(chǎn)管理自動(dòng)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(jiān)實(shí)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(jì)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(gè)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(shí)、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(jì)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(dòng)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(shí)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(shí)模型，能較準(zhǔn)確地預(yù)測溫室黃瓜各節(jié)位的果實(shí)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(shí)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(jì)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(jì)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(gè)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(jì)貢獻(xiàn)率來選取主成分，累計(jì)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(shí)現(xiàn)設(shè)施黃瓜不同生長時(shí)期數(shù)字化研究，本研究擬采用知識(shí)庫和規(guī)則庫建立基于不同時(shí)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(shí)庫構(gòu)建方法
（1）知識(shí)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(shí)期的知識(shí)庫主要包含環(huán)境調(diào)控所需要的知識(shí)、病害診斷所需要的知識(shí)及日常農(nóng)事管理所需要的知識(shí)。在設(shè)計(jì)知識(shí)庫時(shí)，將知識(shí)庫劃分為三個(gè)生育期知識(shí)庫，每個(gè)生長期知識(shí)庫依據(jù)知識(shí)類別劃分為環(huán)境調(diào)控知識(shí)模塊、病害防控知識(shí)模塊及日常農(nóng)事管理知識(shí)模塊。
（2）知識(shí)獲取方法
在確定設(shè)施黃瓜知識(shí)庫需要哪些知識(shí)后，需要確定知識(shí)的獲取方式。為實(shí)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(shí)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(gè)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(shí)，該類知識(shí)經(jīng)過設(shè)施黃瓜生產(chǎn)專家審核驗(yàn)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(yàn)概況 ...................................... 20
3.1.1 試驗(yàn)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(jì)與實(shí)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(jì)與實(shí)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(jì)時(shí)，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(gè)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(shí)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)設(shè)施黃瓜產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)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(tái)搭建、后臺(tái)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(shí)地調(diào)研、咨詢專家以及總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，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(jì)學(xué)相關(guān)方法，從數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、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(shí)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(shí)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(yàn)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(shí)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(shí)類別的形式將各時(shí)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(shí)期的知識(shí)庫，并采用產(chǎn)生式規(guī)則法與專家知識(shí)相結(jié)合的方式推斷出不同生長時(shí)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(shí)期種植管理操作細(xì)則。最后以矩陣形式建立不同時(shí)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(shí)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）