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數(shù)據(jù)挖掘下智能施肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

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數(shù)據(jù)挖掘下智能施肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

摘要:以智能施肥系統(tǒng)為研究對(duì)象,對(duì)智能施肥系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用過(guò)程和施肥數(shù)據(jù)信息的參數(shù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析,利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立施肥系統(tǒng)的空間決策過(guò)程以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。分析對(duì)比結(jié)果表明:該智能施肥系統(tǒng)能夠以作物生長(zhǎng)過(guò)程中的實(shí)際化肥需求和施肥量精確控制為目標(biāo),將作物生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)狀態(tài)信息與知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,形成智能施肥精確控制決策,達(dá)到施肥種類(lèi)和施肥量精確控制的目的。

關(guān)鍵詞:智能施肥系統(tǒng);數(shù)據(jù)挖掘;知識(shí)庫(kù);數(shù)據(jù)庫(kù)

0引言

隨著農(nóng)業(yè)數(shù)字化信息化的不斷發(fā)展,利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和智能信息控制技術(shù),對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中的施肥環(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)智能管理控制,能夠有效提高農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程及種植質(zhì)量控制[1]。環(huán)境因素直接影響作物的生長(zhǎng)狀態(tài),施肥種類(lèi)及施肥量是影響作物產(chǎn)量的至關(guān)重要因素,但在施肥過(guò)程中由于作物生長(zhǎng)信息及環(huán)境信息難以確定,造成施肥過(guò)程依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行,施肥難度相對(duì)較高,未達(dá)到預(yù)期的施肥效果[2-3]。為進(jìn)一步精確控制農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)于施肥量的需求,提高農(nóng)作物生產(chǎn)效益,筆者利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及智能空間控制技術(shù),設(shè)計(jì)了一種農(nóng)作物施肥智能系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了施肥種類(lèi)以及施肥量的精確控制。

1農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)挖掘關(guān)鍵技術(shù)

農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是針對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中信息數(shù)據(jù)的相關(guān)規(guī)律特性和潛在特性進(jìn)行分析處理,對(duì)比農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)信息與知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù),并根據(jù)價(jià)值目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)控制的過(guò)程[4]。數(shù)據(jù)挖掘過(guò)程是通過(guò)實(shí)體測(cè)量進(jìn)行空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理的過(guò)程,主要包含內(nèi)容有分類(lèi)、預(yù)估以及聚類(lèi)分析[5]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)通過(guò)對(duì)作物生長(zhǎng)狀態(tài)信息進(jìn)行收集,并通過(guò)分類(lèi)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)集成,再進(jìn)行作物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)的挖掘?qū)嵤┖驮u(píng)估[6]。數(shù)據(jù)對(duì)象確定完成后,針對(duì)抽象的生長(zhǎng)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并按照不同的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)區(qū)分,利用數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞共享的方法,對(duì)作物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效準(zhǔn)確的控制提升。數(shù)據(jù)挖掘完成后,對(duì)于獲取的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行類(lèi)別集成處理,構(gòu)建不同的數(shù)據(jù)集合,以實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的制定及實(shí)施。

2施肥系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)作物種植過(guò)程中化肥種類(lèi)選擇和施肥量的智能控制,在構(gòu)建智能施肥系統(tǒng)時(shí)應(yīng)遵循實(shí)用性、易操作、安全可靠及可擴(kuò)展的原則。實(shí)用性原則要求智能施肥系統(tǒng)能夠進(jìn)行系統(tǒng)更新和數(shù)據(jù)管理,根據(jù)不同的種植要求進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。智能施肥系統(tǒng)更多的使用者為作物種植人員,因此要求系統(tǒng)界面操作簡(jiǎn)單,能夠適用較大的使用人群,且使用過(guò)程中要求施肥系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作。智能施肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能包含登錄功能、知識(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)航、查詢(xún)、精確管理及系統(tǒng)管理等功能,核心設(shè)定過(guò)程是作物生長(zhǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及用戶(hù)需求分析。圖1所示為智能施肥系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。智能施肥系統(tǒng)中的施肥管理模塊實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)過(guò)程中的精準(zhǔn)施肥,在數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的支持下,對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境的含水量等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì),進(jìn)行元素精確需求分析,并針對(duì)生長(zhǎng)狀態(tài)需求進(jìn)行肥料種類(lèi)及施肥量的控制。圖2所示為智能施肥系統(tǒng)施肥管理功能框架圖。智能施肥系統(tǒng)中的系統(tǒng)管理模塊包含個(gè)人信息、數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)信息及相關(guān)權(quán)限信息,如圖3所示。從智能施肥系統(tǒng)維護(hù)及操作應(yīng)用角度出發(fā),進(jìn)行用戶(hù)管理分析,確保智能施肥系統(tǒng)的功能模塊能夠有效運(yùn)行。

3施肥功能模塊設(shè)計(jì)

智能施肥系統(tǒng)可通過(guò)登錄界面進(jìn)行賬號(hào)信息登錄,根據(jù)用戶(hù)需求,可設(shè)置登錄時(shí)進(jìn)行登錄校驗(yàn)。登錄成功后,根據(jù)用戶(hù)權(quán)限,可進(jìn)行施肥數(shù)據(jù)分析處理及施肥過(guò)程的決策。圖4所示為智能施肥系統(tǒng)登錄流程圖。在進(jìn)行施肥管理功能模塊設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行施肥決策,確定施肥種類(lèi)組合方式及施肥量。施肥管理系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù),進(jìn)行需求分析,確定精確施肥過(guò)程。施肥管理功能模塊工作流程如圖5所示。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)信息及施肥數(shù)據(jù)過(guò)程,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的查詢(xún)及應(yīng)用,并獲取作物生長(zhǎng)過(guò)程中的施肥量以及氮磷鉀最佳優(yōu)化組合。智能施肥系統(tǒng)中的知識(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)航模塊通過(guò)對(duì)地塊信息和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行查詢(xún),實(shí)現(xiàn)肥料的精確選擇及精準(zhǔn)控制。在知識(shí)數(shù)據(jù)查詢(xún)模塊中,通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的檢測(cè)分析,建立基準(zhǔn)數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù),在系統(tǒng)工作過(guò)程中通過(guò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,獲取知識(shí)數(shù)據(jù)查詢(xún)結(jié)果。

4施肥系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

進(jìn)行智能施肥系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘過(guò)程及空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析時(shí),需通過(guò)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩個(gè)不同角度進(jìn)行分析,在確定最優(yōu)化施肥過(guò)程的前提下,建立智能施肥系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。智能施肥系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)核心是一種可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)模型,以此為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和空間決策。在數(shù)據(jù)挖掘和空間決策的過(guò)程中,要求每一環(huán)節(jié)有較高的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。SQL數(shù)據(jù)庫(kù)是智能施肥系統(tǒng)數(shù)據(jù)可分析的依據(jù),智能施肥系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)如表1所示。智能施肥系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)的表達(dá)形式是系統(tǒng)的屬性數(shù)據(jù)庫(kù),屬性數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的屬性信息,不同類(lèi)型的空間數(shù)據(jù),其屬性信息不同。通過(guò)建立智能施肥系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建的不同形式,每一個(gè)空間元素及數(shù)據(jù)通過(guò)單元標(biāo)識(shí)的方式,進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效性統(tǒng)計(jì)控制。表2所示為系統(tǒng)采集屬性數(shù)據(jù)庫(kù),表3為用戶(hù)屬性數(shù)據(jù)庫(kù),表4所示為系統(tǒng)決策屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘及數(shù)據(jù)庫(kù)信息,構(gòu)建作物生長(zhǎng)過(guò)程施肥模型,以實(shí)測(cè)微量元素含量與數(shù)據(jù)庫(kù)微量元素需求為輸入條件,根據(jù)肥料元素含量,確定的作物過(guò)程。施肥需求如表5所示。

5施肥系統(tǒng)試驗(yàn)

智能施肥系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后,在登錄界面輸入用戶(hù)名和用戶(hù)密碼,即可進(jìn)入系統(tǒng)界面。在系統(tǒng)界面內(nèi)可實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)、知識(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)航、施肥管理以及施肥系統(tǒng)管理設(shè)置等,并通過(guò)在玉米田地當(dāng)中進(jìn)行測(cè)試,驗(yàn)證施肥系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)數(shù)據(jù)查詢(xún)獲取信息為:作物為玉米,幼苗長(zhǎng)勢(shì)較強(qiáng),幼苗葉鞘為紫色,葉片為綠色;株距緊湊,株高290cm,穗位高100cm,全株葉片20片,花粉成粉紅色,果穗為筒形,穗長(zhǎng)19cm,16穗行,黃色籽粒,籽粒千粒質(zhì)量350g。通過(guò)知識(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)航獲取信息為:作物籽粒均勻,雜質(zhì)少,籽粒密度770g/L,籽粒中蛋白質(zhì)含量11%,脂肪含量4%,淀粉含量73%,氨基酸含量1%。通過(guò)在同一位置采用人工檢測(cè)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集兩種方式,獲取施肥過(guò)程相關(guān)數(shù)據(jù),將人工檢測(cè)數(shù)據(jù)代入施肥量及施肥種類(lèi)控制模型,與系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證智能施肥系統(tǒng)控制可靠性。智能施肥系統(tǒng)驗(yàn)證對(duì)比數(shù)據(jù)如表6所示。由表6可以看出:智能施肥系統(tǒng)進(jìn)行精確施肥過(guò)程中,系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)與人工檢測(cè)獲取的數(shù)據(jù)基本相符;人工檢測(cè)獲取的數(shù)據(jù)在智能模型中計(jì)算后,獲取的施肥種類(lèi)及施肥量與系統(tǒng)決策數(shù)據(jù)基本吻合,表明該智能施肥系統(tǒng)在進(jìn)行作物精準(zhǔn)施肥控制過(guò)程中具有一定的可靠性。

6結(jié)論

基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)設(shè)計(jì)的智能施肥系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)功能,根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行施肥決策,可對(duì)作物生長(zhǎng)狀態(tài)及基本知識(shí)庫(kù)信息進(jìn)行有效的識(shí)別,滿(mǎn)足了系統(tǒng)的使用需求。測(cè)試結(jié)果表明:施肥系統(tǒng)能夠?qū)ψ魑锷L(zhǎng)過(guò)程中的相關(guān)狀態(tài)信息和環(huán)境參數(shù)信息進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥的有效決策。

作者:劉敬成 單位:德陽(yáng)城市軌道交通職業(yè)學(xué)院