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

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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)控制的過程［4］。數(shù)據(jù)挖掘過程是通過實(shí)體測(cè)量進(jìn)行空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理的過程，主要包含內(nèi)容有分類、預(yù)估以及聚類分析［5］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)通過對(duì)作物生長(zhǎng)狀態(tài)信息進(jìn)行收集，并通過分類的方式進(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)作物種植過程中化肥種類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、精確管理及系統(tǒng)管理等功能，核心設(shè)定過程是作物生長(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)可通過登錄界面進(jìn)行賬號(hào)信息登錄，根據(jù)用戶需求，可設(shè)置登錄時(shí)進(jìn)行登錄校驗(yàn)。登錄成功后，根據(jù)用戶權(quán)限，可進(jìn)行施肥數(shù)據(jù)分析處理及施肥過程的決策。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)過程，通過統(tǒng)計(jì)分析實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的查詢及應(yīng)用，并獲取作物生長(zhǎng)過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)航模塊通過對(duì)地塊信息和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行查詢，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)查詢模塊中，通過對(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)工作過程中通過將監(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)挖掘過程及空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，需通過空間數(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)用來存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的屬性信息，不同類型的空間數(shù)據(jù)，其屬性信息不同。通過建立智能施肥系統(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)開發(fā)完成后，在登錄界面輸入用戶名和用戶密碼，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、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。通過數(shù)據(jù)查詢獲取信息為: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