江都水稻精确栽培管理系统的开发与应用

张光桃, 陈志斌, 王大圣, 张　军*

(1.扬州职业大学, 江苏 扬州　225009； 2. 江都农科所, 江苏 江都　225000)



江都水稻精确栽培管理系统的开发与应用

张光桃1, 陈志斌2, 王大圣2, 张军1*

(1.扬州职业大学, 江苏 扬州225009； 2. 江都农科所, 江苏 江都225000)

摘要：以扬州市江都区水稻为对象,基于江都区基础农情数据,对南京农业大学国家农业信息工程技术中心研发的基于模型和GIS的水稻生产管理决策支持系统进行本地化二次开发,为水稻生产全过程制定精确管理方案。利用光谱分析方法,基于便携式作物生长监测仪及诊断调控模型,实现水稻生长的实时诊断与精确调控。江都水稻精确栽培管理系统的开发与应用,为县域水稻精确管理提供了新的服务载体和应用模式。

关键词：水稻；精确栽培；管理系统

随着互联网+进入农业的步伐越来越快,农业大数据时代已经来临[1，2],这对于传统农业来说既是机遇,也是挑战。农业通过大数据带来的技术突破推动农业迈向全面信息化时代。精确农作是大数据应用的先行者,相关领域已成为主要研究热点之一[3，4],通过使用RS(遥感)、GIS(地理信息系统)、GPS(全球定位系统)及无线传感器网络可以有效降低人力、物力消耗和对农田环境的影响,获取精确的作物生长环境和作物信息,促进了农业发展方式的转变[5，6]。水稻作为传统的粮食作物,在我国国民经济发展中具有举足轻重的作用,开发应用基于大数据的水稻精确栽培管理系统,必将进一步推动江都区水稻生产技术的革新,引领全省水稻的发展。

1研究区域概况与研究方法

1.1　研究区域概况

江都地处苏中地区,是国家重要商品粮生产基地及优质稻米生产基地,水稻常年种植面积稳定在65万亩以上,播种面积占全年粮食播种面积的50%左右,产量占全年粮食产量的70%左右。江都交通便捷,具有较好的农田基础配套设施,路、桥、涵、闸、林网、机具、电力、灌溉等设施齐全,灌排方便,适合开展农业科技创新和成果转化及示范。作为江苏省苏中高产水稻生产区,江都已步入高产的发展阶段,但品种混杂现象依然存在,量多质不稳的问题比较突出,增产不增收,产量波动大,传统的偏施氮肥和肥料运筹方式与高产优质栽培要求不相适应,这些已成为水稻增产提质主要瓶颈,制约了江都水稻生产的进一步发展,因此，大力推进水稻精确栽培已成为江都水稻生产的迫切需求。

1.2　研究方法

一是开展专题调查调研,了解水稻生产状况；二是以水稻生产系统为对象,开发支持数字农作技术的水稻生产基础农情信息管理系统;三是构建和完善数字化水稻生产方案设计模型,开发基于模型和GIS的水稻精确决策支持系统;四是构建基于光谱感知的作物生长指标诊断与调控模型,开发应用便携式作物生长监测诊断仪;五是集成建立水稻精确栽培管理系统,开展规模化示范和推广。其技术路线如图1所示:

图1　江都水稻精确栽培管理系统技术路线

2系统的开发与应用

2.1　系统的设计

江都水稻栽培精确管理系统采用系统建模方法来定量表达水稻栽培管理体系的知识体系及变化模式,构建广适性水稻栽培知识模型及决策支持系统,实现不同生产条件下栽培方案的数字化和精确化设计。系统由数据库、模型库、GIS组件和人机界面等部分组成。数据库由气象数据、土壤数据、品种数据、生产水平等构成的属性数据库及空间数据库组成。模型库主要包括水稻精确管理知识模型及气象数据生成模型。水稻精确管理知识模型由适用于精确农作的水稻栽培管理知识模型模块和基于苗情长势的动态诊断调控模块整合而成,气象数据生成模型采用Richardson提出的预测方法进行构建。系统具有管理方案设计、适宜指标预测、动态管理调控、专家知识咨询和系统维护与帮助等功能。其中管理方案设计和适宜指标预测功能是基于不同情景下的基础数据库,直接通过调用水稻栽培管理知识模型来实现;动态管理调控功能是直接通过运行生长诊断与动态调控模型来实现的。同时,对于暂时难以量化的部分专家知识,则通过知识库来补充表达。

2.2　系统的开发

依托南京农业大学国家农业信息工程技术中心开发的基于模型与GIS的水稻生产管理支持系统,采用Microsoft Visual Studio 2010开发平台,使用ESRI公司的MapObjects 2.4作为GIS的应用平台,Access作为数据库,进行本地化二次开发。本次系统涉及到分层架构开发、数据库操作、代码自动生成工具、自定义控件开发、GIS二次开发、动态菜单技术、存储过程、面向对象等技术。

2.3　系统的应用

基于江都水稻栽培精确管理系统,综合分析江都水稻主体品种参数、气象因子、土壤条件及生产水平,应用系统工具,既可形成全区目标650公斤产量水平的水稻栽培需氮、磷、钾的处方图,指导大面积生产,也可精确到核心区田块,提供精确栽培设计方案,明细其生育进程、群体指标、水分管理、植保措施等，实现从区域到田块尺度的水稻精确栽培管理，精确管理方案如图2所示。

图2　江都小纪亩产目标700公斤水稻精确管理方案

为了方便获取指标数据,得到作物生长指标诊断与调控模型,提高作物生长精确管理智慧化水平,开发应用了便携式作物生长监测诊断仪,该监测仪是作物精确管理关键设备。南京农业大学国家农业信息工程技术中心,基于农学理论,综合应用现代光谱理论和定量建模技术,借助系统分析方法和动态建模技术,深入研究水稻光谱特征与生长指标和产量形成的机理性关系,建立水稻生长信息的诊断指标动态,构建基于生长信息的水稻精确诊断模型及基于实时生长诊断的调控模型,并进行产品化,实现水稻生长管理的动态调控和智慧决策(表1)。

表1　江都小纪核心区水稻基于作物生长监测诊断的精确中期调控

为检验江都水稻精确管理系统的实用性以及可靠性,2014年,在江都典型生态区(里下河稻区和沿江稻区),选取具有代表性的田块,在前茬小麦收获前取土样测试分析土壤理化特性。小麦收获后将田块一分为二,中间做埂并用薄膜进行封闭隔断,一半田块根据农田基础数据运行精确管理系统生成设计方案并进行管理,另一半田块采用农技人员指导的常规方案进行管理,通过比较分析水稻主要生育阶段生长动态、最终产量结构、增产、增效等指标来验证和评价江都水稻精确管理系统的实用性和指导性,并对江都水稻栽培精确管理系统进行了必要的修改和完善。结果表明应用江都水稻精确管理系统进行栽培管理,表现出明显的增产增收效应。精确管理田块平均每公顷产量达10562.5公斤,与采用农技人员指导的农户方案进行管理的田块的平均每公顷9693.9公斤相比,精确栽培管理方案在示范区的平均单位面积有效穗数增加了3.34%,每穗粒数增加了4.11%,千粒重增加了1.57%,产量增加了8.31%,同时每公顷减少了30.2公斤的纯氮投入,每公顷新增收益2602.8元以上(表2)。表明本系统较当地农技人员指导的常规方案更能精确动态地量化关键指标,更符合各个田块水稻生长的实际需要,优化了水稻群体质量,有力推进水稻高产、优质、高效生产。

表2　不同生态类型田块水稻精确栽培方案和常规方案的产量及产量构成

SP:水稻精确栽培方案; GP:常规方案。

3讨论

依托南京农业大学国家农业信息工程技术中心开发的基于模型与GIS的水稻生产管理支持系统,进行了本地化二次开发,建立水稻生长信息的诊断指标动态,构建基于生长信息的水稻精确诊断模型及基于实时生长诊断的调控模型,进行精确调控,推动了传统农业技术服务方式的转变,为县域水稻精确管理提供新的服务载体和应用模式。江都水稻精确栽培管理系统易用性强、适用性广、科技含量高,用定量化的数学模型代替传统专家系统中知识规则,实现了定性、半定量到定量的升级,有效地结合了专家系统的决策性和模拟模型的预测性,克服了传统作物栽培模式和专家系统强调地域性和经验性等缺陷[7],业务功能全面,创新性、前瞻性强,具有较大的实用价值和应用前景。

本系统也存在有待进一步改进的地方。受条件限制,江都区基础数据获取难度大,特别是土壤数据获取。近年来大面积生产上品种也较为混杂,品种参数信息要求相对较多。由于推行实施小麦秸杆的全量还田,估算肥料当季利用率难度较大。最佳管理单元大小的确定还需进一步探讨研究。这些问题都需在江都水稻精确管理系统应用时加以深入研究和不断完善。

参考文献：

[1]王文生,郭雷风.农业大数据及其应用展望[J].江苏农业科学,2015,43(9):1-5.

[2]郭承坤,刘延忠,陈英义,等.发展农业大数据的主要问题及主要任务[J].安徽农业科学,2014,42(27):9642-9645.

[3]曹卫星.农业信息学[M].北京:中国农业出版社,2005.

[4]邝朴生,蒋文科,刘刚,等.精确农业基础[M].北京:中国农业大学出版社,1999.

[5]刘小军,曹静,汤亮,等.基于模型和GIS的水稻生产管理决策支持系统构建与应用[J].中国水稻科学,2010,24(3):297-302.

[6]杨建宁,张井超,朱艳,等.便携式作物生长监测诊断仪性能试验[J].农业机械学报,2013,44(4):208-212.

[7]仲晓春,王云,高辉,等.县域水稻精确栽培决策支持系统研究与开发[J].中国农学通报,2008,24(11):485-489.

(责任编辑：杨洁)

The Development of Rice Precise Cultivation Management System in Jiangdu District and Its Application

ZHANG Guang-tao1, CHEN Zhi-bin2, WANG Da-sheng2

(1.Yangzhou Polytechnic College, Yangzhou 225009, China; 2.Jiangdu Agricultural Research Institute, Jiangdu 225000, China)

Abstract:Taking the rice in Jiangdu district of Yangzhou city as the research target, and based on agricultural data of Jiangdu district, decision support system for rice production management is re-developed locally, which is based on a model and GIS developed by National Agricultural Information Engineering Technology Center of Nanjing Agricultural University, making precise management plan for the whole process of rice production. Using spectral analysis method, and based on the portable crop growth monitoring and the regulation model, the real-time diagnosis and precise control of rice growth are realized. The development and application of precise cultivation management system for rice production in Jiangdu district provides a new service carrier and application mode for the rice precise management in county-level areas.

Key words:rice; precise cultivation; management system

中图分类号:S 511

文献标识码:A

文章编号:1008-3693(2015)04-0056-04

*通讯作者：张军(1969—)，男，扬州职业大学工程研究中心教授，博士。

基金项目:江苏省农业三新工程项目(SXGC2014199);扬州农业科技攻关项目(2012102)。

作者简介：张光桃(1980—),男,扬州职业大学信息工程学院讲师,硕士。

收稿日期：2015-10-01