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、本研究在綜合國內外相關研究成果的基礎上，以不同株型棉花品種為研究對象，運用系統(tǒng)分析原理和數(shù)學建模技術，綜合棉花各個器官形態(tài)建成過程與溫度之間的定量關系，構建了基于生長度日(growing degree day，GDD)的棉花主莖、葉片、葉柄、分枝、棉鈴形態(tài)生長模型和干物質分配比例指數(shù)動態(tài)模型。應用面向對象的程序設計與軟構件技術，在江蘇省高信息技術研究試驗室已有研究成果的基礎上，以棉花生長模擬模型和管理知識模型為核心，以WebGIS為空間

2、信息管理平臺，運用軟件工程的思想，采用B/S(Browser/Server)模式，實現(xiàn)了基于模型和GIS技術的數(shù)字棉作系統(tǒng)(model and webGIS based decision support system of cotton management，MBWDSSCM)。具體研究結果如下：
　　 (1)系統(tǒng)分析了光溫生態(tài)因子對棉花葉片長、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、、光照時間與棉花各器官形態(tài)建成的關系，構建了基于GDD、以Logistic方程為基礎的棉花形態(tài)建成光溫模型。利用同年南京相應條件下的試驗數(shù)據(jù)對模型進行了檢驗，檢驗結果表明，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)指標的模擬值與檢驗值具有較好的吻合度，說明模型具有較好的預測性和描述性。
　　 (2)通過對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)觀測和定量分析，構建了棉花地上部各單位器官干物質分配比例指數(shù)動態(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)位的動態(tài)變化過程。利用同年本試驗室所獲取的棉花品種33B干物質積累資料，初步檢驗了本模型預測的棉花品種33B不同單位器官在不同GDD時刻的干物質分配比例指數(shù)的動態(tài)變化。結果表明，模型對主莖、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時刻的比例指數(shù)動態(tài)過程均有較好的預測性，模擬值和觀測值之間的RMSE平均值分別為0.028、0.017、0.013、0

6、.035、0.021、0.009、0.011、0.014。從干物質分配比例指數(shù)觀測值與模擬值間的1：1關系圖也可以看出，整個生育期內，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分配比例指數(shù)的模擬值與實測值吻合度均較好，變化趨勢也比較一致。棉花形態(tài)生長模型的構建為基于生理生態(tài)過程的棉花結構—功能形態(tài)模擬模型的構建及虛擬生長系統(tǒng)的研制奠定了基礎。
　　 (3)運用軟構件和參數(shù)化技術，決策支持與系統(tǒng)設計技術，結合GIS空

7、間技術，充分發(fā)揮模擬模型的動態(tài)預測功能、GIS的空間信息管理功能、知識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、生產條件等作為基本輸入，可為用戶提供棉作區(qū)劃、方案設計、模擬預測、方案評估和動態(tài)調控等功能。
　　 利用華北地區(qū)及江蘇部分縣市的資料，對系統(tǒng)進行了測試。結果表明，系統(tǒng)的設計思想和結構框架符合現(xiàn)代農業(yè)決策支持系統(tǒng)的發(fā)展要求，實現(xiàn)了農業(yè)生產的信息化和數(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、管理知識模型和GIS技術的優(yōu)點，因而具有以下鮮明的特點：①在系統(tǒng)結構方面，采用典型的三層B/S結構，數(shù)據(jù)的產生和表現(xiàn)完全分離，方便系統(tǒng)維護。②系統(tǒng)安全性較高，系統(tǒng)授予不同角色的用戶不同權限，很好的保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全，確保了系統(tǒng)穩(wěn)定運行。③在操作方面，界面友好，模型與WebGIS的結合大大改善了系統(tǒng)的輸入輸出界面，易于直觀形象地展示