張光桃, 陳志斌, 王大圣, 張　軍*

(1.揚州職業(yè)大學, 江蘇 揚州　225009； 2. 江都農(nóng)科所, 江蘇 江都　225000)

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江都水稻精確栽培管理系統(tǒng)的開發(fā)與應用

張光桃1, 陳志斌2, 王大圣2, 張軍1*

(1.揚州職業(yè)大學, 江蘇 揚州225009； 2. 江都農(nóng)科所, 江蘇 江都225000)

摘要：以揚州市江都區(qū)水稻為對象,基于江都區(qū)基礎(chǔ)農(nóng)情數(shù)據(jù),對南京農(nóng)業(yè)大學國家農(nóng)業(yè)信息工程技術(shù)中心研發(fā)的基于模型和GIS的水稻生產(chǎn)管理決策支持系統(tǒng)進行本地化二次開發(fā),為水稻生產(chǎn)全過程制定精確管理方案。利用光譜分析方法,基于便攜式作物生長監(jiān)測儀及診斷調(diào)控模型,實現(xiàn)水稻生長的實時診斷與精確調(diào)控。江都水稻精確栽培管理系統(tǒng)的開發(fā)與應用,為縣域水稻精確管理提供了新的服務載體和應用模式。

關(guān)鍵詞：水稻；精確栽培；管理系統(tǒng)

隨著互聯(lián)網(wǎng)+進入農(nóng)業(yè)的步伐越來越快,農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)來臨[1，2],這對于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)來說既是機遇,也是挑戰(zhàn)。農(nóng)業(yè)通過大數(shù)據(jù)帶來的技術(shù)突破推動農(nóng)業(yè)邁向全面信息化時代。精確農(nóng)作是大數(shù)據(jù)應用的先行者,相關(guān)領(lǐng)域已成為主要研究熱點之一[3，4],通過使用RS(遙感)、GIS(地理信息系統(tǒng))、GPS(全球定位系統(tǒng))及無線傳感器網(wǎng)絡可以有效降低人力、物力消耗和對農(nóng)田環(huán)境的影響,獲取精確的作物生長環(huán)境和作物信息,促進了農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變[5，6]。水稻作為傳統(tǒng)的糧食作物,在我國國民經(jīng)濟發(fā)展中具有舉足輕重的作用,開發(fā)應用基于大數(shù)據(jù)的水稻精確栽培管理系統(tǒng),必將進一步推動江都區(qū)水稻生產(chǎn)技術(shù)的革新,引領(lǐng)全省水稻的發(fā)展。

1研究區(qū)域概況與研究方法

1.1　研究區(qū)域概況

江都地處蘇中地區(qū),是國家重要商品糧生產(chǎn)基地及優(yōu)質(zhì)稻米生產(chǎn)基地,水稻常年種植面積穩(wěn)定在65萬畝以上,播種面積占全年糧食播種面積的50%左右,產(chǎn)量占全年糧食產(chǎn)量的70%左右。江都交通便捷,具有較好的農(nóng)田基礎(chǔ)配套設(shè)施,路、橋、涵、閘、林網(wǎng)、機具、電力、灌溉等設(shè)施齊全,灌排方便,適合開展農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化及示范。作為江蘇省蘇中高產(chǎn)水稻生產(chǎn)區(qū),江都已步入高產(chǎn)的發(fā)展階段,但品種混雜現(xiàn)象依然存在,量多質(zhì)不穩(wěn)的問題比較突出,增產(chǎn)不增收,產(chǎn)量波動大,傳統(tǒng)的偏施氮肥和肥料運籌方式與高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培要求不相適應,這些已成為水稻增產(chǎn)提質(zhì)主要瓶頸,制約了江都水稻生產(chǎn)的進一步發(fā)展,因此，大力推進水稻精確栽培已成為江都水稻生產(chǎn)的迫切需求。

1.2　研究方法

一是開展專題調(diào)查調(diào)研,了解水稻生產(chǎn)狀況；二是以水稻生產(chǎn)系統(tǒng)為對象,開發(fā)支持數(shù)字農(nóng)作技術(shù)的水稻生產(chǎn)基礎(chǔ)農(nóng)情信息管理系統(tǒng);三是構(gòu)建和完善數(shù)字化水稻生產(chǎn)方案設(shè)計模型,開發(fā)基于模型和GIS的水稻精確決策支持系統(tǒng);四是構(gòu)建基于光譜感知的作物生長指標診斷與調(diào)控模型,開發(fā)應用便攜式作物生長監(jiān)測診斷儀;五是集成建立水稻精確栽培管理系統(tǒng),開展規(guī)?；痉逗屯茝V。其技術(shù)路線如圖1所示:

圖1　江都水稻精確栽培管理系統(tǒng)技術(shù)路線

2系統(tǒng)的開發(fā)與應用

2.1　系統(tǒng)的設(shè)計

江都水稻栽培精確管理系統(tǒng)采用系統(tǒng)建模方法來定量表達水稻栽培管理體系的知識體系及變化模式,構(gòu)建廣適性水稻栽培知識模型及決策支持系統(tǒng),實現(xiàn)不同生產(chǎn)條件下栽培方案的數(shù)字化和精確化設(shè)計。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、模型庫、GIS組件和人機界面等部分組成。數(shù)據(jù)庫由氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、品種數(shù)據(jù)、生產(chǎn)水平等構(gòu)成的屬性數(shù)據(jù)庫及空間數(shù)據(jù)庫組成。模型庫主要包括水稻精確管理知識模型及氣象數(shù)據(jù)生成模型。水稻精確管理知識模型由適用于精確農(nóng)作的水稻栽培管理知識模型模塊和基于苗情長勢的動態(tài)診斷調(diào)控模塊整合而成,氣象數(shù)據(jù)生成模型采用Richardson提出的預測方法進行構(gòu)建。系統(tǒng)具有管理方案設(shè)計、適宜指標預測、動態(tài)管理調(diào)控、專家知識咨詢和系統(tǒng)維護與幫助等功能。其中管理方案設(shè)計和適宜指標預測功能是基于不同情景下的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,直接通過調(diào)用水稻栽培管理知識模型來實現(xiàn);動態(tài)管理調(diào)控功能是直接通過運行生長診斷與動態(tài)調(diào)控模型來實現(xiàn)的。同時,對于暫時難以量化的部分專家知識,則通過知識庫來補充表達。

2.2　系統(tǒng)的開發(fā)

依托南京農(nóng)業(yè)大學國家農(nóng)業(yè)信息工程技術(shù)中心開發(fā)的基于模型與GIS的水稻生產(chǎn)管理支持系統(tǒng),采用Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)平臺,使用ESRI公司的MapObjects 2.4作為GIS的應用平臺,Access作為數(shù)據(jù)庫,進行本地化二次開發(fā)。本次系統(tǒng)涉及到分層架構(gòu)開發(fā)、數(shù)據(jù)庫操作、代碼自動生成工具、自定義控件開發(fā)、GIS二次開發(fā)、動態(tài)菜單技術(shù)、存儲過程、面向?qū)ο蟮燃夹g(shù)。

2.3　系統(tǒng)的應用

基于江都水稻栽培精確管理系統(tǒng),綜合分析江都水稻主體品種參數(shù)、氣象因子、土壤條件及生產(chǎn)水平,應用系統(tǒng)工具,既可形成全區(qū)目標650公斤產(chǎn)量水平的水稻栽培需氮、磷、鉀的處方圖,指導大面積生產(chǎn),也可精確到核心區(qū)田塊,提供精確栽培設(shè)計方案,明細其生育進程、群體指標、水分管理、植保措施等，實現(xiàn)從區(qū)域到田塊尺度的水稻精確栽培管理，精確管理方案如圖2所示。

圖2　江都小紀畝產(chǎn)目標700公斤水稻精確管理方案

為了方便獲取指標數(shù)據(jù),得到作物生長指標診斷與調(diào)控模型,提高作物生長精確管理智慧化水平,開發(fā)應用了便攜式作物生長監(jiān)測診斷儀,該監(jiān)測儀是作物精確管理關(guān)鍵設(shè)備。南京農(nóng)業(yè)大學國家農(nóng)業(yè)信息工程技術(shù)中心,基于農(nóng)學理論,綜合應用現(xiàn)代光譜理論和定量建模技術(shù),借助系統(tǒng)分析方法和動態(tài)建模技術(shù),深入研究水稻光譜特征與生長指標和產(chǎn)量形成的機理性關(guān)系,建立水稻生長信息的診斷指標動態(tài),構(gòu)建基于生長信息的水稻精確診斷模型及基于實時生長診斷的調(diào)控模型,并進行產(chǎn)品化,實現(xiàn)水稻生長管理的動態(tài)調(diào)控和智慧決策(表1)。

表1　江都小紀核心區(qū)水稻基于作物生長監(jiān)測診斷的精確中期調(diào)控

為檢驗江都水稻精確管理系統(tǒng)的實用性以及可靠性,2014年,在江都典型生態(tài)區(qū)(里下河稻區(qū)和沿江稻區(qū)),選取具有代表性的田塊,在前茬小麥收獲前取土樣測試分析土壤理化特性。小麥收獲后將田塊一分為二,中間做埂并用薄膜進行封閉隔斷,一半田塊根據(jù)農(nóng)田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)運行精確管理系統(tǒng)生成設(shè)計方案并進行管理,另一半田塊采用農(nóng)技人員指導的常規(guī)方案進行管理,通過比較分析水稻主要生育階段生長動態(tài)、最終產(chǎn)量結(jié)構(gòu)、增產(chǎn)、增效等指標來驗證和評價江都水稻精確管理系統(tǒng)的實用性和指導性,并對江都水稻栽培精確管理系統(tǒng)進行了必要的修改和完善。結(jié)果表明應用江都水稻精確管理系統(tǒng)進行栽培管理,表現(xiàn)出明顯的增產(chǎn)增收效應。精確管理田塊平均每公頃產(chǎn)量達10562.5公斤,與采用農(nóng)技人員指導的農(nóng)戶方案進行管理的田塊的平均每公頃9693.9公斤相比,精確栽培管理方案在示范區(qū)的平均單位面積有效穗數(shù)增加了3.34%,每穗粒數(shù)增加了4.11%,千粒重增加了1.57%,產(chǎn)量增加了8.31%,同時每公頃減少了30.2公斤的純氮投入,每公頃新增收益2602.8元以上(表2)。表明本系統(tǒng)較當?shù)剞r(nóng)技人員指導的常規(guī)方案更能精確動態(tài)地量化關(guān)鍵指標,更符合各個田塊水稻生長的實際需要,優(yōu)化了水稻群體質(zhì)量,有力推進水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)。

表2　不同生態(tài)類型田塊水稻精確栽培方案和常規(guī)方案的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

SP:水稻精確栽培方案; GP:常規(guī)方案。

3討論

依托南京農(nóng)業(yè)大學國家農(nóng)業(yè)信息工程技術(shù)中心開發(fā)的基于模型與GIS的水稻生產(chǎn)管理支持系統(tǒng),進行了本地化二次開發(fā),建立水稻生長信息的診斷指標動態(tài),構(gòu)建基于生長信息的水稻精確診斷模型及基于實時生長診斷的調(diào)控模型,進行精確調(diào)控,推動了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)服務方式的轉(zhuǎn)變,為縣域水稻精確管理提供新的服務載體和應用模式。江都水稻精確栽培管理系統(tǒng)易用性強、適用性廣、科技含量高,用定量化的數(shù)學模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)專家系統(tǒng)中知識規(guī)則,實現(xiàn)了定性、半定量到定量的升級,有效地結(jié)合了專家系統(tǒng)的決策性和模擬模型的預測性,克服了傳統(tǒng)作物栽培模式和專家系統(tǒng)強調(diào)地域性和經(jīng)驗性等缺陷[7],業(yè)務功能全面,創(chuàng)新性、前瞻性強,具有較大的實用價值和應用前景。

本系統(tǒng)也存在有待進一步改進的地方。受條件限制,江都區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取難度大,特別是土壤數(shù)據(jù)獲取。近年來大面積生產(chǎn)上品種也較為混雜,品種參數(shù)信息要求相對較多。由于推行實施小麥秸桿的全量還田,估算肥料當季利用率難度較大。最佳管理單元大小的確定還需進一步探討研究。這些問題都需在江都水稻精確管理系統(tǒng)應用時加以深入研究和不斷完善。

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(責任編輯：楊潔)

The Development of Rice Precise Cultivation Management System in Jiangdu District and Its Application

ZHANG Guang-tao1, CHEN Zhi-bin2, WANG Da-sheng2

(1.Yangzhou Polytechnic College, Yangzhou 225009, China; 2.Jiangdu Agricultural Research Institute, Jiangdu 225000, China)

Abstract:Taking the rice in Jiangdu district of Yangzhou city as the research target, and based on agricultural data of Jiangdu district, decision support system for rice production management is re-developed locally, which is based on a model and GIS developed by National Agricultural Information Engineering Technology Center of Nanjing Agricultural University, making precise management plan for the whole process of rice production. Using spectral analysis method, and based on the portable crop growth monitoring and the regulation model, the real-time diagnosis and precise control of rice growth are realized. The development and application of precise cultivation management system for rice production in Jiangdu district provides a new service carrier and application mode for the rice precise management in county-level areas.

Key words:rice; precise cultivation; management system

中圖分類號:S 511

文獻標識碼:A

文章編號:1008-3693(2015)04-0056-04

*通訊作者：張軍(1969—)，男，揚州職業(yè)大學工程研究中心教授，博士。

基金項目:江蘇省農(nóng)業(yè)三新工程項目(SXGC2014199);揚州農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)項目(2012102)。

作者簡介：張光桃(1980—),男,揚州職業(yè)大學信息工程學院講師,碩士。

收稿日期：2015-10-01