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基于思维进化Elman神经网络的核桃果实膨大期需水预测探求

日期:2021年06月14日 编辑:ad201107111759308692 作者:w88手机登录下载 点击次数:210
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本文是一篇工程硕士w88,本文以某试验田的核桃作物需水量为研究对象,提出核桃需水预测模型,对需水量进行了准确合理的预测工作,并在核桃需水量预测的基础上继续进行研究探讨,主要完成的工作如下所示:(1)分析了作物需水预测,误差修正,有效降雨量的国内外的研究现状,提出本文研究的技术路线。对在核桃果实膨大期内所需的数据进行补足以及处理,避免因为数据问题而导致模型处理难度增大以及预测精度降低等问题。


第 1 章 绪论


1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

人口在逐渐增长,社会经济活动规模也不断地增强广泛,这就导致了人们对水资源的需求程度也随之产生变化,可从目前的水资源状况来看,却没有想象的那样乐观。长期的水资源浪费以至于在许多的地区都存在短缺的问题,生态环境也受到相应的影响而产生恶化。除此之外,在近些年,全球气候变暖加剧,蒸发强烈,大气环流以及水循环的周期缩短,这就引起了水资源的时空分布变化,从而导致水资源重新分配,加剧了干旱用水的紧张程度。以目前的缺水程度来看,在我国中等干旱年时,存在 358 亿 m3的缺水量,而在这其中,因为农业灌溉所导致缺水量占 300 亿 m3。尤其是在北方地区,地表水资源严重不足,从而造成了地下水开采严重。而且,北方地区还存在日益突出的河流断流问题,黄河尤为严重,其河段以及断流的时间日益加长。同时,这种缺水情况已经波及到了南方地区,所以说,这样的缺水情况已然成为制约社会经济发展的重大问题。

对于一个以农业为主要生产力的国家,农作物种植在我国是人民赖以生存的方式,用做农业上的灌溉水量占全部用水的 70%。而农业的地区性水资源短缺问题尤为明显。由于缺水的原因,农业产量经常性的低而不稳。我国一直以来倡导的农业可持续性发展策略就把灌溉的节水性作为最重视的问题。根据中共第十五届中央委员会第三次全体会议的要求,目前所面临的重大问题就是发展农业节水和推广节水灌溉,所以说,节约灌溉用水、避免造成不必要的浪费,已经成为我国灌溉工作的重中之重。但这并非是仅仅的对农业用水量进行缩减。

农作物在生长和发育的阶段内,要保证提供充沛的水量,尤其是某些关键时期,过少就会出现干旱减产现象,但浇灌过量又会造成用水浪费问题。所以对农作物进行灌溉时既不能过量也不能少量,而是要根据作物本身的需水规律结合科学有效的方法,为农作物提供其生长发育所需要的水分。

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1.2 国内外研究现状

1.2.1 作物需水预测国内外研究现状

关于作物需水的计算方法方面,在最开始时,是利用直接来得出结果的计算方法。其原理是根据所需研究作物的需水量和其影响因素实测得出的数据,建立一种联系两者的经验公式[1],对作物在生长发育时期所需水量来测定。早年间,美国、英国等国家选择的是简测法与田测法,通过这两种方式来观测作物需水量。之后,美国的布莱格斯等提出水面蒸量法。之后,关于作物需水量的计算办法逐步从简测法转向坑测法和测渗计方法等。随着计算机技术的进一步发展以及遥感、遥测技术的推广范围扩大,在作物需水量的研究上,也开始逐步利用这类技术。一些新的设备和仪器(比如中子探测土壤水分仪和负压计等)被应用到土壤水分含量的观测研究中[2],再之后,遥感技术也可以用来评估作物需水量,它是通过和地面的微气象信息结合,利用遥感数据来提取作物生长环境的地面、气象等参数,以此为基础来估算作物需水量,对于计算方法的更新有很大的进展。

相比于国外,国内关于作物需水量的研究方法开展较慢,1950-1980年,我国农业灌溉发展迅速,因此对作物需水量方面进行深入探讨,在该领域的研究转换为水分和作物生长发育的关系、蒸散蒸发与作物需水程度的研究。为我国在作物需水方面的计算及其它研究提供了参考。联合国世界环境与发展委员会于1992年提出了如何高效利用水资源等问题,此后我国的许多专家围绕着如何解决作物水资源有效利用这一问题投入了大量精力进行研究,目前已经有一套比较完善的思路。

有些学者从作物种植系统的角度对其研究,对于不同环境气候下的作物需水情况进行研究,例如Nesrine Chaali,Sofiane Ouazaa[3]等针对了卡哈马地区,利用作物需水量模型,确定了不同水文年(平均年、厄尔尼诺年和拉尼娜年)的作物需水量和净灌溉需水量,以选择最合适的方案来更好地管理农业水资源。崔伟敏和宋妮等人[4]通过对气候存在差异的典型区域进行研究,搜集了多年的逐日气象数据,用多种比较常见的需水量预测模型来预测参考作物需水量。姚本智[5]通过对气候条件的变化进而影响作物生长产生考虑,进而会影响道作物需水,所以对种植区气候产生变化时的作物需水进行有效研究,取得了不错的研究成果。有些研究工作者则主要侧重于对作物需水量影响因子的研究,迟道才[6]分析了各气象因素对ET0的影响,找寻影响作物需水主要的气象因子,为准确地预测作物需水量打下基础。罗那那等[7]通过对个因素的相关性分析,为北疆棉花的需水预测工作提供重要支撑。还有些侧重于某种作物不同生育期的需水情况研究。慕臣英和梁红等人[8]对沈阳春玉米不同生育期内的需水量进行计算,进而分析其变化特征。Carlos Zambrano-Vaca等[9]等为确保桃树在生长初期有着充足水供应,以8月至10月的枝条发育阶段桃子的需水量,来估算1至3年的情况,避免缺水或过少灌溉桃树。

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第 2 章 核桃需水特点和数据预处理


2.1 核桃需水特点

2.1.1 生长期需水情况

核桃树体高大,叶片宽阔,蒸腾量较大,对于水量的要求比较高,尤其在生长发育阶段,是需水程度较大的一种作物。水分一旦有所亏缺就会对核桃的成长还有花芽分化产生影响,进而对核桃产量造成很大的影响。不一样的生长期内核桃作物的需水量差异程度也有不小的波动。核桃发育阶段,是需水临界期。在这个时间段内如果水量补充不足,尤其在关键时期缺水,更会产生各种生理障碍,影响果实正常发育和产量,会造成大幅度减产。果实膨大期是核桃果实生长发育的关键时期,这期间,果实将会进入一段快速发育的过程。同时,雌花芽的分化过程也一同进行,需要大量的水分,是核桃在生长发育所需水分最关键的一段时期。所以对这个时期进行需水情况的研究很有代表性。

图 2-1 核桃需水变化规律

图 2-1 核桃需水变化规律

图 2-1 为 2015 和 2016 两年 7 月份 1 号至 31 号的核桃需水量变化规律折线图。根据此图我们很容易看出前十天核桃需水量变化较为平稳,从第十天开始上升,此时核桃需水量变大,待达到了峰值后开始迅速下降,总体来看在 7 月份核桃需水量呈周期规律性变化。

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2.2 数据预处理

2.2.1 数据来源

由于每年的 7 月份为核桃灌水的关键时期,以河北省邯郸市某精准灌溉试验田中的核桃作物作为实验对象,以每天为单位采集了三年每年核桃果实膨大期(7月 1 日-31 日)共 93 组的核桃需水量数据以及气象数据资料。把影响核桃需水的气象因素数据当作网络模型的输入变量,网络的输出变量为在研究期间内核桃作物的逐日需水量值。

该精准试验田在邯郸西部,土壤 pH 值为弱碱性 7.25。在本研究过程中,测得了 1.0m 深度的泥土干容重还有田间持水量的数值,田间持水量(占干土质量)为 26.3%。土层厚度在 1.0m 以上,其中核桃树根系在 1.1m 以上。

试验田中设有自动气象站,所有的气象数据均是在距离地面 2 米处测得,数据自动记录在数据采集器中。需要采集的气象数据有:平均气压 P(hPa)、平均气温 T(℃)、风速 F(m/s)、日照时数 S(h)、相对湿度 RH(%)。

表 2-1 气象因素数据采集

表 2-1 气象因素数据采集

上表 2-1 中是部分气象因素历史数据,在这些数据之中,存在部分异常和由于人工等原因而产生的突变情况,能看出在日照时数这方面有异常和缺失情况,要得到完整的实验数据,必须进行处理,关于这方面异常值的处理将会在下节进行分析。

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第 3 章 基于思维进化神经网络的核桃需水量预测模型........................17

3.1 平均影响值算法.....................17

3.1.1 平均影响值算法概述.......................17

3.1.2 平均影响值的计算方式..............................18

第 4 章 核桃需水预测的误差修正模型.........................35

4.1 预测误差产生的原因分析......................35

4.2 相似日算法.............................35

第 5 章 有效降雨量和核桃缺水量...................................47

5.1 有效降雨量.........................47

5.1.1 有效降雨量概念..................................47

5.1.2 有效降雨量相关计算方法................................48


第 5 章 有效降雨量和核桃缺水量


5.1 有效降雨量

5.1.1 有效降雨量概念

在农田水利范畴内,有效降雨量(Effective Precipitation)的定义是:在旱作物的种植环境下,自然降雨中被作物所吸收利用的那部分降雨量,它是不包含地表径流、渗漏到作物根部以下的那部分[60]。原因是这些水量并无法被作物有效地利用吸收,因此这部分降雨量就会看做成对作物生长发育所无效的水量。

图 5-1 作物有效降雨量主要影响因素

图 5-1 作物有效降雨

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