基于多目标农田管理方案综合评价方法及系统

1.本公开涉及基于多目标综合评价的农田管理优化方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在 先技术。
3.农田管理包括水分的管理(水质、水量、时程分配)、肥料的管理(种类、 用量、时程分配)和秸秆管理等其他管理。农田管理措施是影响作物品质、产 量与周围环境变化的决定性因素，其合理地管理有助于各方目标实现相对的共 赢。从管理者的利益来说，作物的产量和品质是最重要的；从资源的利用来说， 投入的水肥利用率高是相对较好的；从对环境的影响来说，对土壤、地下水质 与量的影响在可控合理的范围内是必须的。实际管理中，由于影响水肥高效利 用的生产目标的各因素之间相互影响相互制约，要同时达到所有目标的最优是 不可能的。


技术实现要素：

4.本公开为了解决上述问题，提出了一种基于多目标综合评价的农田管理优 化方法及系统，本公开采用主成分分析法和灰色关联度分析法，通过求解主成 分在能够完成的反映各指标变化的情况下，实现减少变量的个数，得到新的指 标来达到综合评价的目的，采用两种方法以夏玉米水肥高效利用为目标，选取4 各评价指标，对试验中的10种水肥方案的优劣进行评价。
5.根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
6.一种多目标农田管理方案综合评价方法，包括以下步骤：
7.获取夏玉米成熟后的干物质量、产量、氮肥偏生产力和磷肥偏生产力四个 生长效应相关因素数据以及相关水肥配比；
8.将夏玉米成熟后的干物质量、产量、氮肥偏生产力和磷肥偏生产力四个相 关因素作为评价指标；
9.利用主成分分析法计算主成分评价值，利用灰色关联度分析法分析夏玉米 生长效应的四个因素之间的关联系数；
10.求解每种水肥配比方案的得分情况，并进行排序。
11.根据另一些实施例，本公开采用如下技术方案：
12.一种多目标农田管理方案综合评价系统，包括：
13.数据库：用于存储获取的夏玉米成熟后的干物质量、产量、氮肥偏生产力 和磷肥偏生产力四个生长效应相关因素数据以及相关水肥配比；
14.数据处理中心：用于计算主成分评价值以及灰色关联度四个因素之间的关 联系数；
15.终端设备：用于展示计算结果以及对综合评价的排序。
16.还包括根据一些实施例，公开采用如下技术方案：
17.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用 于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理 器加载并执行一种多目标农田管理方案综合评价方法。
18.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
19.从夏玉米的高产与水肥的高效的角度出发，选择4个指标运用主成分分析 法和灰色关联度分析法对夏玉米水肥效应进行了综合评价，可消除各别指标的 差异性且相对客观，对寻求夏玉米水肥高效利用的管理方案更有实用意义。
附图说明
20.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公 开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
21.图1是综合评价方法流程图；
22.图2是不同灌溉下各处理no
3-‑
n变化过程图；
具体实施方式：
23.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
24.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。 除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的 普通技术人员通常理解的相同含义。
25.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图 限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确 指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说 明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、 组件和/或它们的组合。
26.本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计 算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结 合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包 含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、 cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
27.本发明公开了一种基于多目标综合评价的农田管理优化方法，包括以下步 骤：
28.s101：获取夏玉米成熟后的干物质量、产量、氮肥偏生产力和磷肥偏生产 力四个生长效应相关因素数据以及相关水肥配比；
29.s102:将夏玉米成熟后的干物质量、产量、氮肥偏生产力和磷肥偏生产力四 个相关因素作为评价指标；
30.s103:利用主成分分析法计算主成分评价值，利用灰色关联度分析法分析夏 玉米生长效应的四个因素之间的关联系数；
31.s104:求解每种水肥配比方案的得分情况，并进行排序。
32.夏玉米试验小区在山东省灌溉试验中心站，其位于山东省济南市长清区(北 纬36
°
34
′
，东经116
°
50
′
)，试验区属于暖温带半湿润季风气候区，历 年平均气温为14.3℃，年
均日照时数为2455h，年均蒸发量为1399.7mm， 年均降水量为654.7mm，夏季降水量占全年的62％，研究区土壤类型为壤土、 沙壤土，代表性作物为玉米、小麦及温带水果和蔬菜。
33.试验站内建有带有地下廊道的36个测坑，测坑规格为2.0m
×
3.33m，每 个测坑之间都有2.0m深的衬砌墙，且在廊道下100cm深度上设取水口，可 定期收集氮磷淋溶液，用于分析氮磷的迁移规律；同时每个测坑中都埋设100 cm的聚乙烯管，用于测定不同深度的土壤含水率。
34.对于水肥的配比方案中，对供试无机肥：氮肥为尿素(46.4％)，磷肥为过 硫酸钙(12％)，钾肥为氯化钾(60％)，氮肥用量设置3个水平，分别为优 化75％施氮(n144)、优化施氮(n192)和优化125％施氮(n240)；磷肥 用量设置3个水平，分别为优化70％施磷(p63)、优化施磷(p90)和优化125％ 施磷(p112)。
35.根据实验方案设计变量与目的，选取相关的评价指标，一般包括：作物产 量、作物相关品质、灌溉水利用效率、肥利用效率、土壤养分变化、地下水质 变化、地下水位变化等。
36.具体的，对不同水肥配比方案下的夏玉米成熟后的干物质量、产量、氮肥 偏生产力和磷肥偏生产力四个生长效应进行测定，观测夏玉米整个生育期里水 肥处理下的土壤含水率变化以及土壤中no3
‑‑
n、nh4+-n、p的分布与淋失情 况。
37.比较不同水肥处理对土壤nh4+-n的分布特征影响，绘制了不同阶段不同 水肥处理的不同深度土壤nh4+-n分布变化，获取夏玉米整个生育期间对照背 景值的变化。
38.通过计算夏玉米营养器官向籽粒转运的转移量、转移率、贡献率以及收获 指数四个指标，来分析水氮磷对夏玉米干物质转运的影响，指标的计算方法如 下：
39.at＝dw
vp-dw
vf
40.at为营养器官花前干物质转移量，g/株，dw
vp
为开花期营养器官干物质重，g/ 株，dw
vf
为成熟期营养器官干物质重，g/株。
41.对获取的评价指标同趋势处理，具体为：
42.假设有n个评价方案，每个方案有m个评价指标，则形成的数据矩阵x为
[0043][0044]
对低优评价指标进行同趋势处理，保证每个指标对整体方案评价优劣趋势 一致，即在前加入符号转化为高优评价指标。
[0045]
进行主成分的提取，主成分的提取按照各成分累计贡献率超过80％的原则 进行计算。
[0046]
主成分分析法采用降维的方法，通过求解主成分在能够完整的反映各指标 变化的情况下，实现减少变量个数，得到新的指标来达到综合评价的目的。在 进行计算前需要对低优评价指标进行同趋势处理，保证每个指标对整体方案评 价优劣趋势一致；指标同趋势化后，由公式1对评价指标x
ij
进行无量纲化处理；
[0047]
选择出的评价指标的数值单位不同，其大小值存在差异，为消除影响，需 要对评价指标进行无量纲化的标准处理，处理过程为：
[0048][0049]
式中，
[0050][0051]
yk＝r
k1
x1+r
k2
x2+
…
+r
km
xm(k《m)
ꢀꢀ
(3)。
[0052]
灰色关联度分析法是根据多组数据构成的相应的曲线，判断其几何形状的 相似度来证明数据间联系的紧密度。首先，根据实际情况来选取各指标的最优 值构成参考数列，其余方案系列为比较系列；计算比较系列与相应列的参考系 列的比值，对原始数据进行无量纲化处理；由公式4计算出各方案的关联系数， 再由公式5计算出各比较系列与参考系列的相似程度yi，参考数列为最优数列， 所以比较数列与参考数列的相似程度越高，表示各因素值较优，从而判断比较 数列(方案)优劣。
[0053][0054]
式中，ξi(x)为t0和ti在x点的关联系数；|t0(x)-ti(x)|为t0和ti数列在k点的 绝对差值；表示t0数列和ti数列在x点的二级最小绝对差；ρ为 分辨系数，常取0.5；表示t0数列和ti数列在x点的二级最大 绝对差。
[0055][0056]
在进行组合评价中，为避免出现随机误差或采用的方法存在问题，致使最 终评价结果与单一评价结果之间存在较大的不同。为此，在评价前是有必要进 行一致性检验，当各单一评价方法的结果大致相同才有意义进行组合评价。为 了检验所采取的4种单一评价方法是否具有一致性，选用kendall协同系数进行 事前检验。该方法原理如下：
[0057]
n个管理方案，m种评价方案。假设m种评价方法对5项指标的评分没有 一致性。
[0058]
当n≤7时，kendall协同系数k的表达式为：
[0059][0060]
式中，y
ij
为第i个评价对象在第j种评价方法下的排序值。k的 取值范围为0-1，其值越大，表明m种评价方法具有一致性。
[0061]
当n》7时，kendall协同系数k检验转化成χ2的检验，公式如下：
[0062][0063]
χ2在给定水平α下，χ2》χ
α2
(n-1)的检验，假设不成立，则m种评价方法具 有一致性。
[0064]
综上，若不具有一致性，则需要返回调整单一评价方法，直至具有一致性 后采用综合评价方法。
[0065]
假设有m种评价方案，第k种单一评价方案的第i个管理方案的排序值为y
ik
， 通过以下2种方法对单一评价方案进行组合评价。
[0066]
(1)幂平均法
[0067]
幂平均法是在传统的平均法与加权平均法的基础上改造，计算更为简单， 公式如下：
[0068][0069]
该公式是对无量钢化的数值进行计算，组合评价时，只需将各单一评价方 法的排序值带入公式，即可计算得到新的排序值y。
[0070]
(2)copeland法
[0071]
copeland法是一种少数服从多数的方法，在计算完各单一评价方法排序后， 根据排序对各方案的结果进行“优”、“相等”和“劣”的统计。若评价认为 在第k种评价下，该方案的y
ik
优于其他管理方案y
ik
的个数大于其他方案的y
ik
优 于该管理方案y
ik
的个数，记c
ik
为1；若小于c
ik
记为-1，相等c
ik
记为0，则最终yi的计算如下：
[0072][0073]
5.组合综合评价循环修正
[0074]
评价结果不完全一致的条件下，再次应用上述2方法对组合评价的结果进 行再组合，依次类推，直到得到理想的组合结果为止。根据最终的排序，选择 最优的管理方案。
[0075]
案例一：在试验田中设计水氮磷三因素的10种方案，选择作物产量、干物 质量、灌溉水利用效率、氮肥偏生产力和磷肥偏生产力作为指标体系，具体参 数值见表1。
[0076]
表1 10种水肥方案下多目标参数
[0077]
[0078][0079]
由上述5种指标构成指标体系对10种水肥管理方案进行优选。具体步骤如 下：
[0080]
1.单一综合评价方法的评价
[0081]
(1)主成分分析法
[0082]
对评价指标进行同趋势处理后，由公式1对评价指标x
ij
进行无量纲化处理， 计算结果如表2.
[0083]
表2主成分分析法下10种水肥方案指标无量纲化处理
[0084][0085]
对表2由spss软件进行特征根的计算，主成分的提取(表3)以及成分得 分系数矩阵的求取(表4)。
[0086]
表3 指标主成分提取
[0087]
解释的总方差
[0088][0089]
表4 主成分得分系数
[0090]
成份得分系数矩阵
[0091][0092]
由此，计算出各方案两个主成分的得分以及最终得分，见表5。
[0093]
表5 10种水肥方案主成分得分与排序
[0094][0095]
(2)灰色关联度法
[0096]
选取各指标的最优值构成参考数列t0，其余方案系列为比较系列，对原始 数据进行无量纲化处理，见表6。
[0097]
表6 灰色关联度法下10种水肥方案指标无量纲化处理
[0098][0099][0100]
由公式4与5计算比较系列下各指标与参考系列指标的关联度与最终得分， 见表6。
[0101]
表6 灰色关联度法下10种水肥方案与参考序列的关联度、得分与排序
[0102][0103][0104]
由上述2种单一评价方法的结果可以看出，10种方案的评价结果不同，但 差异不大，需采取组合综合评价来得到最终结果。因此，在进行组合综合评价 前，需对其进行一致性评价，判断2种方案是否可以进行组合。
[0105]
在该案例下，共有10个管理方案，符合当n》7时，kendall协同系数k检验 转化成χ2的检验，由公式14计算χ2值。
[0106]
采用幂平均法与compeland法，由公式15与16对2种单一评价结果进行 组合评价，评价结果见表10。
[0107]
表10 组合综合评价下10种水肥方案的最终排序
[0108][0109][0110]
由表可以看出，10种方案的最终排序为t8》t9》t6》t7》t3》t4》t10》t1》t2》t5， 最优方案为t8。
[0111]
实施例2
[0112]
本发明公开了一种多目标农田管理方案综合评价系统，其特征是：包括：
[0113]
数据库：用于存储获取的夏玉米成熟后的干物质量、产量、氮肥偏生产力 和磷肥偏生产力四个生长效应相关因素数据以及相关水肥配比；
[0114]
数据处理中心：用于计算主成分评价值以及灰色关联度四个因素之间的关 联系数；
[0115]
终端设备：用于展示计算结果以及对综合评价的排序。
[0116]
其具体的采用上述系统实现农田水肥管理方案的综合评价，实现以下方法 步骤：
[0117]
获取夏玉米成熟后的干物质量、产量、氮肥偏生产力和磷肥偏生产力四个 生长效应相关因素数据以及相关水肥配比；
[0118]
将夏玉米成熟后的干物质量、产量、氮肥偏生产力和磷肥偏生产力四个相 关因素作为评价指标；
[0119]
利用主成分分析法计算主成分评价值，利用灰色关联度分析法分析夏玉米 生长效应的四个因素之间的关联系数；
[0120]
求解每种水肥配比方案的得分情况，并进行排序。
[0121]
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产 品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和 /或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/ 或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入 式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算 机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个 流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能
的装置。
[0122]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备 以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的 指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流 程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0123]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使 得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理， 从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程 或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0124]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领 域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之 内。
[0125]
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开 保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上， 本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开 的保护范围以内。