基于模型与GIS的水稻精确管理处方生成技术研究

论文摘要

精确农业管理模型是变量处方生成的数字化基础,是整个精确农作信息流管理中的核心环节,充分发挥作物精确管理模型的优势,结合空间信息获取及分析技术,生成基于品种类型、生态环境、生产技术等差异的精确管理处方,已成为国内外精确农作发展中迫切需要解决的重要技术,也是数字农业发展的必然趋势。本研究以水稻为研究对象,通过解析、提炼和综合水稻栽培管理方案与生态环境、品种特性、稻作方式等诸多因素之间的动态关系,对本实验室的水稻栽培管理动态知识模型的部分子模块进行了优化和完善；在此基础上,将模型与GIS相结合,运用地统计学方法,构建了基于土壤和气象资料的空间管理分区方法,形成了适用于不同区域尺度下的水稻精确管理处方生成技术体系。研究结果有效提升了水稻栽培管理动态知识模型的准确性、广适性和实用性,也为其他作物管理知识模型的优化及精确管理处方生成技术的研究提供了理论基础和框架。运用系统分析方法和动态建模技术,基于作物-环境-技术的动态关系,综合考虑不同稻作方式（手栽、机插、抛秧和直播）、不同稻作制度（单季稻和双季稻）条件下气象资料、品种类型、土壤类型、秸秆还田情况、产量及品质目标、肥水丰缺因子、栽培管理水平等因素的影响,对水稻栽培管理动态知识模型的部分子模块进行了优化。其中,适宜播栽期设计子模型构建了根据最佳抽穗结实期和水稻主茎叶片数计算适宜播种期的算法；基本苗设计子模型构建了不同稻作方式下模型各参数的定量化算法；氮肥基追比运筹子模型则综合考虑了稻作方式、土壤类型、品种参数及秸秆还田比例等因素的影响；群体茎蘖动态和干物质积累动态的适宜指标动态子模型构建了基于有理方程和Richards方程的定量化算法。模型实例分析及大田试验资料检验结果显示,优化后的模型具有更强的广适性、准确性。基于已构建的水稻栽培管理动态知识模型及地理信息系统（GIS）平台,采用系统工程思想和软构件技术,设计开发了基于模型与GIS的水稻精确管理系统；通过应用地统计学方法和GIS空间分析方法,研究了小、中、大3个不同区域尺度下的水稻精确管理处方生成过程中农田信息差异分析、管理分区方法、管理单元设定、参数输入及结果输出等环节的处理方法,构建了适用于不同区域尺度的基于模型与GIS的水稻精确管理处方生成技术体系。研究结果为今后其他作物或更大尺度的精确管理处方生成技术及管理分区的研究提供了一定的基础框架。为进一步检验和评价基于模型与GIS的水稻精确管理处方生成技术的实用性和应用效果,于2008-2010年水稻生长季节,在吴江、昆山、吴中、金坛、新昌、武进、丹阳、仙居等地开展了本技术的示范应用与评价工作。应用结果表明,技术系统设计的精确管理方案与对照方案（常规方案和农户方案）相比,生育期内群体生长动态更加合理,穗粒数和千粒重增加明显,总体表现出5.45%～26.35%的增产效应,增效993.6～2376.9元·hm-2,而且较对照方案节氮7.5～13.5kg·hm-2,节本增效32.6～58.7元·hm-2,总体增效1026.2～2435.6元·hm-2,在增加经济效益和生态效益方面具有显著效果,真正做到了按需变量投入。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述与研究目的
• 摘要
• 1 作物栽培管理技术研究进展
• 2 作物模型技术研究进展
• 2.1 作物生长模拟模型
• 2.2 农业专家系统
• 2.3 作物管理知识模型
• 3 作物精确管理支撑技术
• 3.1 “3S”技术
• 3.2 基于地统计学的空间信息分析技术
• 3.3 作物管理分区研究进展
• 3.4 农业决策支持系统研究进展
• 4 本研究目的与意义
• 参考文献
• 第二章 研究思路与方法
• 摘要
• 1 研究思路与技术路线
• 1.1 研究思路
• 1.2 技术路线
• 2 资料来源与处理方法
• 2.1 文献资料与专家咨询
• 2.2 气象资料
• 2.3 土壤资料
• 2.4 间试验资料
• 3 模型的优化与检验方法
• 3.1 模型的优化方法
• 3.2 模型的检验方法
• 4 管理分区方法
• 4.1 数据处理方法
• 4.2 模糊K-均值分区算法
• 4.3 管理分区数的确定
• 参考文献
• 第三章 水稻栽培管理动态知识模型的优化与检验
• 摘要
• 1 材料与方法
• 1.1 试验设计
• 1.2 项目测定与数据处理
• 1.3 模型优化与评价方法
• 2 模型描述
• 2.1 播栽期设计
• 2.2 基本苗设计
• 2.3 氮肥基追比设计
• 2.4 适宜指标动态
• 3 模型检验
• 3.1 基本苗设计实例分析
• 3.2 播栽期设计实例分析
• 3.3 氮肥基追比设计实例分析
• 3.4 适宜指标动态实例检验
• 4 讨论与结论
• 参考文献
• 第四章 基于模型与GIS的水稻精确管理处方生成技术
• 摘要
• 1 材料与方法
• 1.1 数据来源
• 1.2 数据处理方法
• 1.3 精准农业管理分区方法
• 2 基于模型与GIS的水稻精确管理系统构建
• 2.1 系统结构设计
• 2.2 系统功能设计
• 2.3 系统实现
• 3 精确管理处方生成技术
• 3.1 大尺度精确管理处方生成
• 3.2 中尺度精确管理处方生成技术
• 3.3 小尺度精确管理处方生成技术
• 4 小结与讨论
• 参考文献
• 第五章 水稻精确管理处方生成技术的应用与评价
• 摘要
• 1 材料与方法
• 1.1 对比试验示范田的设置
• 1.2 基础资料收集和管理处方生成
• 1.3 大田试验资料获取
• 1.4 区域尺度检验资料获取
• 2 结果与分析
• 2.1 田块尺度精确管理处方生成技术的检验分析
• 2.2 区域尺度的精确管理处方生成技术的检验分析
• 3 讨论与结论
• 参考文献
• 第六章 讨论与结论
• 摘要
• 1 讨论
• 1.1 水稻栽培管理动态知识模型
• 1.2 基于模型与GIS的水稻精确管理处方生成技术
• 1.3 本研究的特色与创新
• 1.4 今后的研究设想
• 2 结论
• 参考文献
• 附表1 基于不同土壤肥力的水稻施肥方案对比
• 附表2 2008-2010年大田对比示范试验产量及产量结构
• 附录Ⅰ 硕士期间发表或投稿的论文
• 附录Ⅱ 硕士期间参与的科研项目
• 致谢