村級農田施肥專家系統設計與應用

劉 濤， 李廷軒， 王永東， 張錫洲， 鄭子成

(四川農業大學 資源環境學院， 四川 成都 611130)

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村級農田施肥專家系統設計與應用

劉 濤， 李廷軒， 王永東， 張錫洲， 鄭子成

(四川農業大學 資源環境學院， 四川 成都 611130)

摘要：[目的] 實現田塊尺度的施肥決策和精準施肥，達到測土配方施肥成果數字化延伸。[方法] 采用GIS組件ArcEngine，將GIS,RS,GPS和農業專家技術進行集成，以遙感影像為索引，建立基于農戶田塊為基本管理單元的觸摸屏村級農田施肥專家系統。并以犍為縣定文鎮炮房村為案例區進行了實際應用。利用四川省2005—2009年“3414”試驗數據，結合區域實際，構建了系統的主要糧油作物推薦施肥模型。[結果] 該系統不但實現了田塊尺度的施肥決策和養分管理，同時還具備農田基本信息、缺素診斷、病蟲害防治、政策法規和安全常識等查詢功能。[結論] 該系統具有界面友好，操作簡單明了的特點，并在村級田塊尺度上實現了精確施肥。

關鍵詞：田塊尺度； 農田； 施肥； 專家系統

傳統農業生產中，中國大多數農民主要憑經驗施肥，致使農業生產中存在著增肥不增產、土壤養分大量累積、化肥施用過量、養分利用效率低下和面源污染等問題，嚴重地制約著中國農業的可持續發展[1]。如何提高肥料利用率，合理施肥，減少污染，是目前亟待解決的問題。隨著“3S”技術、網絡技術、地統計學以及模糊數學方法的發展和應用，以土壤養分精確管理為目標的施肥信息系統，已成為土壤科學的研究熱點之一[2-3]。施肥專家系統是利用現代信息技術，根據施肥技術的基本原理與方法，以輔助制定肥料運籌方案為主要目的的計算機軟件系統[4]。系統的應用可以在較大程度上改變施肥隨意性大、量化程度差、穩定性和可控程度低的弱點，其發展水平是施肥技術科學化和現代化的重要標志。國內現有的施肥信息系統雖較多，管理措施更多的是通過經驗來制定，且系統涉及的區域較大(縣級、鄉級和片區尺度)，無法實現田塊尺度的精確施肥[5-6]。由于農戶的施肥習慣、種植制度等不同，不同田塊肥力差異明顯。因此，在了解土壤肥力基本情況基礎上，確定不同肥力等級土壤適宜施肥量，方能因地制宜，實時實地指導施肥。

測土配方施肥是通過對土壤有效養分的測定，根據作物需肥的規律、土壤供肥性能以及肥料效應，提出了大、中、微量元素的施用數量、施用時期和施用方法，在一定程度上解決了作物需肥與土壤供肥之間的矛盾，且已構建出了基于“3414”試驗的不同生態區作物測土配方施肥指標體系[7]。由于基于田塊尺度的村級施肥專家系統較少，本文以“3S”技術和農業專家知識為依托，以四川省犍為縣定文鎮炮房村為例，在土壤養分變異、施肥模型、作物缺素和病蟲害研究的基礎上，利用遙感影像、GIS組件和面向對象程序語言，采用觸摸屏方式，構建基于農戶田塊為基本管理單元的觸摸屏村級施肥專家系統，以實現田塊尺度的施肥決策和作物基本管理。這一系統的開發與應用，不僅是測土配方施肥成果數字化的有機延伸，也是創新為農服務的有效方式，對農戶田塊合理施肥及農業資源高效管理具有重要的現實意義。

1系統分析與設計

1.1　系統目標

根據水稻、玉米和油菜等主要糧油作物的生理特性、生長環境及生長特點，結合平衡施肥原理、地理信息系統及專家系統技術[8]，采用ArcEngine作為GIS組件[9]，通過Visual Studio 2008 C#開發出一套信息豐富、功能實用、操作簡單的田塊級農田施肥專家系統，集成地理信息系統功能、作物施肥模型和專家知識庫，為農戶田塊施肥提供科學、準確的依據。

1.2　需求分析

本專家系統根據“村、組和農戶姓名”數據信息，觸摸該信息或遙感影像農田田塊即可得到該田塊的推薦施肥方案，通過觸摸“問題咨詢”即可得到防治措施的交互式的農田施肥專家系統，因此需要構建操作簡單、可靠、規范、直觀的系統，確保其實用性。系統可供相關農業管理部門、技術人員以及農戶瀏覽查詢使用。

1.3　系統框架與功能設計

系統體系結構采用GIS，RS，GPS和數據庫技術，依據土壤養分空間變異、作物養分吸收規律、施肥決策模型和專家知識，通過面向對象程序設計，構建具有重用性、擴展性和可更新數據田塊尺度的村級農田施肥專家系統[10-12]。該系統由推薦施肥、缺素診斷、病蟲防治、政策法規和安全常識5個模塊組成，系統設計框架見圖1。

圖1　農田施肥專家系統設計框架

(1) 推薦施肥。以高分辨率的遙感影像為底圖，疊加空間施肥數據，采用村、組和農戶姓名3個層次進行查詢，獲取單質肥、復合肥推薦施肥方案和農田基本信息。

(2) 缺素診斷。施肥不平衡或土壤養分供應和植株吸收出現障礙，作物將出現缺素癥狀。農戶通過對比系統作物缺素癥的照片、癥狀描述和防治措施進行分析診斷，有效指導施肥，矯正植物營養的缺素癥狀[13]。

(3) 病蟲防治：作物受氣候、水分、土壤和肥料等影響出現病蟲害癥狀。通過對病蟲害作物的照片和癥狀描述，分析作物的病蟲害情況，指導農戶進行合理的防治[14]。

(4) 政策法規：用戶通過瀏覽當前農業的政策法規，了解農民的權利和義務，提高農民的法律意識。

(5) 安全常識：介紹農業生產中基本安全常識，了解農產品安全質量、農藥殘留和農機安全，減少事故發生。

1.4　系統數據庫設計

系統數據庫采用文件數據庫方式進行空間數據和屬性數據的存儲[15]。空間數據以農戶田塊為基本單位，是村級農田施肥專家系統的核心，也是系統與用戶交互最為直觀的數據，通過File GeoDataBase以Shape文件格式存儲田塊、村界和組界的空間信息，同時疊加遙感影像圖片，農戶可更為方便的找到自己的田塊。屬性數據庫是用戶查詢的具體表現內容，包括田塊養分信息、農戶信息、化肥信息庫、作物缺素數據庫、病蟲防治數據庫、農業知識數據庫?？臻g數據庫和屬性數據庫有機的結合，從而更方便的從空數據庫或屬性數據庫進行檢索[16]。

2系統開發

2.1　系統開發環境與工具

系統在Windows XP環境下，用ArcMap 9.3進行前期處理，采用Visual Studio 2008 C#編程的方式，結合ArcEngine 9.3組件進行二次開發，最后進行編譯發布。

系統運行要求：CPU 2GHz以上，內存2G，硬盤5G，Windows XP操作系統。

2.2　系統界面

本系統界面實行左右分欄，左邊為菜單欄，右邊為內容區。用戶通過觸摸或鼠標可以對菜單進行點擊，內容區則對應相應的內容。

2.3　程序代碼

采用ArcEngine作為底層開發平臺，通過已封裝的類庫進行應用開發，以下是部分開發代碼：

(1) 加載地圖。

public void LoadMap(string pathMap)

{

axMapControl.LoadMxFile(pathMap);

}

(2) 空間查詢地圖。

農戶通過“村、組和農戶姓名”進行查詢，實現農戶田塊空間定位。

public void FilterLayer(string where)

{

IFeatureLayer flyr = (IFeatureLayer)axMapControl1.get_Layer(0);

IFeatureClass fcls = flyr.FeatureClass;

IQueryFilter queryFilter = new QueryFilterClass();queryFilter.WhereClause = where;

ZoomToSelectedFeature(flyr, queryFilter); ∥縮放到選擇結果集，并高亮顯示

IFeatureCursor featureCursor = fcls.Search(queryFilter, true);

FlashPolygons(featureCursor); ∥閃爍選中得圖斑

}

(3) 顯示結果

通過pFeature.get_Value方法對田塊相應的屬性進行查詢顯示。

pFeature.get_Value(pFeature.Fields.FindField("農田編號")).ToString();

pFeature.get_Value(pFeature.Fields.FindField("農戶名稱")).ToString();

pFeature.get_Value(pFeature.Fields.FindField("氮肥用量")).ToString();

3系統實現

3.1　區域概況

研究區位于四川省樂山市犍為縣定文鎮炮房村，以丘陵為主，屬亞熱帶濕潤氣候，年平均氣溫17.5 ℃，無霜期333 d，年平均降雨量1 141 mm，年平均日照957 h。耕地面積2.8 hm2，主要種植水稻、玉米和油菜。

3.2　數據庫的建立

3.2.1基礎數據

(1) 空間數據。以0.5 m分辨率的GeoEye遙感影像為基礎，采用WGS84坐標系，柵格數據為Tif格式，矢量數據為Shape格式。

(2) 屬性數據。根據土壤類型、肥力等級和地形等因素，將炮房村施肥區域劃分為若干個采樣單元，每個采樣單元約為0.67 hm2，且土壤類型基本一致。在作物收獲后或播種前采集，每個土樣以1個取土點為中心，在10 m 半徑內取5 點混合而成，同時用GPS(Garmin 72)記錄中心點位置。取0—20 cm耕層土壤，采樣點數量為163個，樣點分布圖見圖2。經過室內分析得到土壤相應測試數據：pH值、有機質、全氮、有效磷、速效鉀和堿解氮。同時，通過實地調查，獲得區域內田塊土壤類型、種植制度、農戶信息等屬性資料。

(3) 文字圖片數據。作物缺素診斷、病蟲防治、政策法規、安全常識采用圖片和文字描述相結合的方法，存儲在數據文件中。

3.2.2建立田塊施肥基本單元田塊施肥單元是施肥決策基本對象，也是農戶查詢的最小單元。同一單元具有相對一致的土壤養分、理化性性狀和立地條件，且四周有明顯的田埂或道口包圍，一個田塊由一位農戶承包經營。采用遙感影像解譯后生成以實際田塊為邊界的施肥基本單元，建立田塊編號和農戶所在的村和組，生成農戶承包田塊圖6 918個，達到一個田塊對應一個施肥單元的精度，并以遙感影像為底圖，使農戶查詢觸摸屏時具有真實的空間視覺效果。

通對163個采樣點的堿解氮、有效磷和速效鉀進行正態分布檢驗，對不符分布的數據進行對數轉換，運用ArcGIS 9.3地統計模塊對采樣點進行高斯Kriging模型插值分析，生成堿解氮、有效磷和速效鉀的養分圖，然后對田塊進行空間賦值，使每個田塊具有土壤養分的屬性數據。

圖2　土壤采樣點分布

3.3　施肥模型

根據2005—2009年四川省“3414”試驗數據，采用肥料效應函數法和邊際效應分析計算主要糧油作物最佳施肥量。肥料效應模型為：

(1)

式中：y——籽粒產量(kg/hm2)；x1——N用量(kg/hm2)；x2——P2O5用量(kg/hm2)；x3——K2O用量(kg/hm2)。如果上述方程擬合成功(二次項前系數為負值，一次項前系數為正值，F檢驗顯著)，根據邊際收益等于邊際成本，即dy·yp=dx·xp的原則計算經濟最佳產量施肥量，分別以x1，x2和x3為變量，對方程兩邊求導，得到方程組：

b1+2b2x1+b7x2+b8x3=x1p/yp

(2)

b3+2b4x2+b7x1+b9x3=x2p/yp

(3)

b5+2b6x3+b8x1+b9x2=x3p/yp

(4)

式中：x1p，x2p，x3p和yp分別為N，P2O5，K2O和糧食價格(元/103kg)，把三元二次方程系數bi值、肥料和糧食價格代入上述方程組，解方程組即可得到最佳氮、磷、鉀肥用量[17-19]。

再根據試驗點計算出的肥料用了，建立了土壤速效養分含量與最佳施肥量對數模型(表1)，所有擬合方程均達到了極顯著。然后根據犍為縣炮房村每個施肥單元土壤測試結果，計算出每個田塊相應作物的推薦施肥量。

表1　川中丘陵區土壤速效養分含量與最佳施肥量對數模型

注：y表示最佳施肥量；x為對應的速效養分含量

3.4　成果輸出

農戶在觸摸屏上點擊自己所在的組和姓名或點擊遙感影像上所在的田塊，即可查詢農田基本信息、推薦施肥、缺素診斷、病蟲防治、政策法規和安全常識等。

(1) 農田基本信息。農田基本信息表主要包括土壤類型、地力等級、種植制度、有機質、有效磷、全氮、速效鉀、速效氮和pH值等，同時對田塊土壤養分指標能夠進行豐缺評價，評價結果可為農戶種植作物的布局和施肥提供科學的指導依據。

(2) 推薦施肥。按照水稻、玉米和油菜的施肥模型(表1)，計算出每個田塊相應作物推薦施肥量。根據單質肥料用量，系統生成3種施肥方案，一種單質肥料方案和2種復合肥方案，為農戶精確施肥提供參考依據。

對比炮房村農田施肥專家系統推薦施肥和農戶常規施肥(表2)發現，在保證作物獲得最佳產量的前提下，系統推薦施肥量較農戶常規施肥有所減少。其中水稻每公頃N，P2O5，K2O用量較常規施肥分別減少35，9，45 kg；玉米P2O5，K2O用量分別減少9，45 kg；油菜P2O5用量減少9 kg?？梢?，農田施肥專家系統可以在較大程度改善炮房村施肥的現狀。

表2炮房村常規施肥與專家系統推薦施肥用量

kg/hm2

(3) 缺素診斷與病蟲害防治。通過各種缺素圖片對作物的缺素癥狀和病蟲害進行展示，用文字對癥狀進行描述并提供防治措施。農戶方可根據病癥，對應圖片進行缺素診斷與病蟲害防治。

(4) 政策法規和安全常識。采用文字方式，對政策法規和安全常識進行顯示。政策法規主要介紹當前農業的政策法規，了解農民的權利和義務，提高農民的法律意識。安全常識主要介紹農產品安全質量、農藥殘留和農機安全，減少事故發生。

4結 論

(1) 基于田塊尺度的村級農田施肥專家系統，充分利用ArcEngine并結合遙感影像，在田塊尺度上實現精確施肥。系統具有界面友好，操作簡單明了，實用性強等特點，實現了田塊尺度的施肥決策和養分管理。該系統已在炮房村進行了初步應用，取得了較好效果。

(2) 該系統應用后，在獲得最佳產量的前提下，系統推薦施肥量較農戶常規施肥有所減少，但施肥模塊還未涉及到與作物養分吸收相關的降雨量、日照、氣候、作物品種等因素，有待進一步完善。

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Design and Application of Fertilization Information System for Farmland of Village Scale

LIU Tao， LI Tingxuan， WANG Yongdong， ZHANG Xizhou， ZHENG Zicheng

(CollegeofResourceandEnvironmentalScience,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu,Sichuan611130,China)

Abstract：[Objective] To achieve the field scale fertilization decision-making and precise fertilization and attain fertilizer digital extension of the soil testing.[Methods] Practical application with the examples of Paofang village, Dingwen town, Jianwei county as an example by the method of ArcEngine module of GIS to integrate GIS, RS, GPS with agriculture experts technology, with remote sensing image as the index, village scale farmland fertilization expert system of touching screen was developed. By using the experimental data of “3414” in Sichuan Province from 2005 to 2009, on the basis of the facts, fertilization recommendation model of the main grain and oil crops was established for the expert system. [Results] The system not only realized the fertilization decision-making and nutrient management of field scale, but had inquiry function such as the basic farmland information, deficiency diagnosis, pest control, policies and regulations and safety common sense et al.[Conclusion] The fertilization information system achieved the precise fertilization on the field scale, which has the characteristics of friendly interface and simple operation, finally attained fertilizer digital extension for the field scale of villages.

Keywords:field scale; farmland; fertilization; expert system

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)03-0186-05

中圖分類號：S147.2

通信作者：李廷軒(1966—),男(漢族),四川省宣漢縣人,博士,教授,主要從事養分資源管理方面研究。E-mail:litinx@263.net。

收稿日期：2014-04-13修回日期：2014-05-20

資助項目：四川省教育廳重點項目“基于WebGIS的四川省耕地質量管理信息平臺的研制”(14ZA0010)

第一作者：劉濤(1980—),男(漢族),四川省江油市人,碩士,助研,主要從事養分資源信息化方面研究。E-mail:11812717@qq.com。