基于小波神经网络的温室番茄产量预测.pdf

收 稿 日 期 2019 07 15 修 回 日 期 2019 10 10 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 61673281 博 士 后 面 上 项 目 2018M631820 青 海 省 重 点 研 发 项 目 2017 NK 107 辽 宁 省 重 点 研 发 项 目 2018103007 作 者 简 介 尹 义 志 男 在 读 硕 士 研 究 生 主 要 从 事 温 室 番 茄 栽 培 技 术 研 究 E mail yinyizhi 1 通 信 作 者 王 永 刚 男 副 教 授 主 要 从 事 温 室 智 能 优 化 控 制 研 究 E mail wygvern 番 茄 是 中 国 北 方 地 区 设 施 栽 培 的 主 要 蔬 菜 之 一 北 方 地 区 日 光 温 室 内 的 番 茄 种 植 多 采 用 高 效 轮 作 的 栽 培 模 式 1 温 室 的 环 境 因 子 土 壤 的 营 养 含 量 与 番 茄 的 生 理 特 性 直 接 决 定 了 番 茄 的 产 量 预 测 温 室 内 的 番 茄 产 量 能 够 为 确 定 适 宜 的 种 植 计 划 合 理 安 排 施 肥 量 灌 溉 量 及 时 采 取 除 虫 除 草 等 措 施 定 期 采 取 通 风 增 温 补 光 等 措 施 为 番 茄 的 健 康 生 长 创 造 良 好 环 境 前 人 对 于 番 茄 产 量 预 测 的 基 于 小 波 神 经 网 络 的 温 室 番 茄 产 量 预 测 尹 义 志 王 永 刚 张 楠 楠 刘 宇 航 沈阳农业大学信息与电气工程学院 沈阳 110161 摘 要 为 解 决 北 方 日 光 温 室 内 传 统 的 番 茄 产 量 预 测 方 法 预 测 精 度 低 预 测 结 果 与 实 际 产 量 相 差 较 大 无 法 保 证 资 源 的 合 理 利 用 和 经 济 效 益 最 大 化 等 问 题 提 出 运 用 将 小 波 分 析 和BP 网 络 结 合 的 方 式 预 测 温 室 内 番 茄 产 量 首 先 利 用 相 应 的 传 感 器 设 备 获 取 温 室 内 的 各 种 变 量 数 据 应 用MATLABR2017a 软 件 对 其 进 行 处 理 并 分 类 剔 除 掉 偏 差 较 大 的 数 据 并 进 行 特 征 提 取 筛 选 出8 种 与 番 茄 产 量 相 关 的 特 征 参 数 作 为 模 型 的 输 入 变 量 然 后 设 计 构 建 小 波 神 经 网 络 预 测 模 型 将 处 理 后 的 数 据 作 为 模 型 的 输 入 变 量 并 且 不 断 修 正 模 型 参 数 通 过 多 次 训 练 和 校 正 提 升 预 测 精 度 并 将 该 模 型 与BP 神 经 网 络 模 型 作 物 机 理 模 型 相 比 较 试 验 结 果 表 明 此 模 型 的 预 测 结 果 与 实 际 产 量 间 的 平 均 相 对 误 差 为1 02 预 测 精 度 和 拟 合 效 果 均 优 于BP 神 经 网 络 模 型 和 作 物 机 理 模 型 运 算 速 度 较 快 且 具 有 较 好 的 鲁棒性和函数逼近能力 能够为定量预测北方日光温室番茄产量提供一定的理论和技术依据 关键词 番茄 产量 日光温室 BP 神经网络 小波神经网络模型 中图分类号 S641 2 文献标识码 A 文章编号 1673 2871 2020 08 053 07 Study on tomato yield prediction in greenhouse based on wavelet neural network YINYizhi WANGYonggang ZHANGNannan LIUYuhang CollegeofIngormationandElectricalEngineering ShenyangAgriculturalUniversity Shenyang110161 Liaoning China Abstract In order to solve the problem of low accuracy large gap between the prediction effect and the actual yield impossible to ensure the rationalusing of resources and the maximumof economicbenefitsin the traditionaltomatoyield prediction in northern solar greenhouse In this experiment the of combining wavelet analysis with BP network was proposed to predict tomato yield in greenhouse Firstly all kinds of variable data in greenhouse were acquired by using corresponding sensor equipment MATLAB R2017a software was used to classify the data and eliminatethelargedeviations Thefeatureextractingwascompleted Therewereeightcharacteristicparametersembracing high correlation with tomato yield selected as variables Then the wavelet neural network prediction model was designed and established The processed data was considered as the of the model The model parameters were revised constantly and improving the prediction accuracy by training and modifications The model was compared with BP neural network model and mechanism model The test results showed that the model s average relative error was 1 02 between the prediction values and actual measurement values The prediction accuracy and fitting effect were better than BP neural network model and crop mechanism model The calculation speed was faster and it had good robustness and function approximation ability It could provide theoretical and technical reference for quantitative predictionoftomatoyieldinnorthernsolargreenhouse Keywords Tomato Yield Sunlightgreenhouse BPneuralnetwork Waveletneuralnetworkmodel 中 中 国 国 瓜 瓜 菜 菜 2020 33 8 53 59 试验研究 53 中 国 瓜 菜 第33 卷 试验研究 研 究 十 分 广 泛 但 大 多 集 中 于 应 用 作 物 机 理 模 型 或 作 物 生 长 发 育 模 型 对 温 室 内 的 番 茄 产 量 进 行 预 测 涉 及 的 参 数 相 对 较 少 计 算 方 法 具 有 一 定 的 局 限 性 其 中 包 括 ELCROS 初 级 作 物 生 长 模 拟 程 序 BACROS 基 础 作 物 生 长 模 拟 模 型 WOFOST 粮 食 作 物 研 究 模 型 TOMGRO 温 室 番 茄 生 长 发 育 模 拟 模 型 等 程 序 和 模 型 2 5 然 而 ELCROS 模 型 对 植 物 和 土 壤 中 许 多 基 础 过 程 涉 及 较 少 考 虑 的 综 合 因 素 较 少 BACROS 模 型 归 为 综 合 模 型 一 类 模 拟 大 田 作 物 生 长 发 育 阶 段 的 潜 在 生 长 和 蒸 腾 作 用 但 未 考 虑 环 境 因 子 的 胁 迫 作 用 预 测 结 果 不 佳 WO FOST 模 型 对 作 物 生 长 阶 段 的 物 理 和 生 理 过 程 进 行 分 析 能 够 应 用 于 多 种 环 境 但 计 算 方 法 的 规 范 性 较 差 预 测 结 果 不 理 想 TOMGRO 模 型 的 推 理 运 算 过 程 过 于 繁 杂 在 应 用 上 具 有 一 定 的 局 限 性 在 实 际 生 产 中 影 响 番 茄 产 量 的 因 素 较 多 输 入 变 量 较 为 多 样 逻 辑 关 系 较 为 复 杂 所 以 需 要 采 用 运 算 能 力 非 线 性 处 理 能 力 以 及 逼 近 能 力 较 强 的 模 型 温 室 内 环 境 复 杂 多 种 因 素 耦 合 严 重 目 前 神 经 网 络 已 经 应 用 于 对 温 室 环 境 的 控 制 和 对 温 室 内 农 作 物 产 量 预 测 的 研 究 中 但 是 选 用 传 统 的 BP 神 经 网 络 模 型 预 测 温 室 番 茄 产 量 极 易 陷 入 局 部 最 优 化 预 测 效 果 不 能 满 足 试 验 要 求 无 法 精 准 预 测 温 室 番 茄 的 产 量 笔 者 提 出 应 用 小 波 神 经 网 络 模 型 对 温 室 番 茄 产 量 进 行 预 测 小 波 神 经 网 络 是 在BP 神 经 网 络 的 基 础 上 充 分 考 虑 和 分 析 了 神 经 网 络 结 构 和 激 励 函 数 的 特 点 结 合 小 波 分 析 算 法 而 构 建 的 具 有 较 强 的 自 适 应 能 力 和 容 错 能 力 能 够 较 好 地 逼 近 线 性 和 非 线 性 函 数 6 8 采 用 小 波 神 经 网 络 对 温 室 内 番 茄 产 量 进 行 预 测 经 过 试 验 验 证 此 模 型 能 够 快 速 准 确 地 预 测 日 光 温 室 内 的 番 茄 产 量 对 合 理 规 划 温 室 内 的 作 物 种 类 和 制 定 种 植 计 划 具 有 一 定 的 参 照 作 用 而 且 对 提 升 温 室 系 统 性 能 具 有 一 定 的 促 进 作 用 并 且 对 当 地 番 茄 供 需 平 衡 的 调 控 管 理 以 及 当 地 相 应 农 业 政 策 的 制 定 具 有 重 要 意 义 若 模 型 的 预 测 效 果 较 好 可 以 根 据 预 测 结 果 针 对 相 应 的 情 况 制 定 播 种 灌 溉 施 肥 等 管 理 计 划 推 荐 有 效 的 措 施 达到资源利用的合理化和效益最大化 1 材料与方法 1 1 材料 试 验 地 点 位 于 辽 宁 省 沈 阳 农 业 大 学 科 研 试 验 基 地 地 处 41 82 N 123 57 E 海 拔 高 度 81 m 属 温 带 季 风 型 大 陆 气 候 全 年 日 照 时 间 约 2 800 h 年 平 均 降 雨 量 600 800 mm 年 平 均 气 温 6 20 9 70 年 均 无 霜 期 155 180 d 温 室 选 用 辽 沈 型 日 光 温 室 东 西 走 向 长 80 m 宽 8 50 m 砖 土 墙 高4 20m 采 光 面 选 用 抛 物 面 式 利 用PVC 防 老 化 塑 料 无 滴 膜 作 为 棚 膜 应 用 防 雨 棉 被 保 温 9 11 试 验 土 壤 为 棕 壤 土 土 壤 砂 粒 粉 粒 黏 粒 比 率 分 别 为 37 60 40 70 21 30 田 间 持 水 率 为0 26cm 3 cm 3 土 壤 的 化 学 性 质 见 表1 对 番 茄 整 个 生 育 期 进 行 监 测 按 照 规 定 的 时 间 间 隔 对 所 需 数 据 进 行 采 集 并 不 断 观 察 番 茄 长 势 制 定 合 理 的 灌 溉 喷 药 施 肥 等 计 划 使 试 验 区 的 番 茄 正 常 生 长 并 且 定 期 对 试 验 区进行除虫 除草 保障番茄的品质和产量 表1 供 试 土 壤 基 本 理 化 性 质 理化性质 数值 w 全氮 g kg 1 0 87 w 全磷 g kg 1 1 58 w 全钾 g kg 1 20 78 w 速效氮 mg kg 1 35 20 w 速效磷 mg kg 1 48 94 w 速效钾 mg kg 1 97 55 w 有机质 g kg 1 13 73 1 2 试验设计 试 验 分 为 春 秋2 茬 进 行 每 次 试 验 方 案 相 同 试 验 自2010 年 开 始 到 目 前 为 止 累 积 了9a 年 的 试 验 数 据 温 室 面 积 为680m 2 温 室 内 采 用 双 行 种 植 方 式 垄 宽 65 cm 垄 高 15 cm 垄 长 7 m 垄 面 覆 膜 番 茄 种 植 间 距40cm 行 距40cm 每 垄35 株 试验以粉果番茄 粉冠一号 为供试作物 试 验 选 取 以 下 参 数 作 为 模 型 输 入 变 量 环 境 温 度 环 境 湿 度 灌 溉 量 氮 肥 投 入 量 磷 肥投入量 钾肥投入量 CO2 浓度 光照强度 1 3 方法 1 3 1 作 物 产 量 机 理 模 型 分 析 温 室 内 影 响 番 茄 产 量 的 因 素 有 很 多 其 生 长 发 育 过 程 包 括 不 同 阶 段 生 长 发 育 时 间 的 长 短 除 了 与 品 种 基 因 型 有 关 还 与 环 境 因 素 有 关 因 此 需 要 从 各 生 长 发 育 阶 段 的 作 用 以 及 各 阶 段 相 关 的 影 响 因 子 综 合 考 虑 模 型 的 建 立 参 考 陈 祥 兰 等 12 的 研 究 作 物 生 长 发 育 过 程 机理模型可用式 1 表示 DVR dD V P d t 1 D S f K f T f D f EC f T 1 其 中 f K 基 本 发 育 函 数 表 达 式 为f K e k K 基 本 发 育 系 数 它 与 作 物 遗 传 特 性 有 关 其 大 小 象 征 作 物 生 长 发 育 的 快 慢 也 是 区 分 作 物 早 54 第8 期 等 基于小波神经网络的温室番茄产量预测 试验研究 表2 田 间 管 理 及 产 量 数 据 年份 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 环境 温度 21 83 22 61 25 61 22 97 24 96 21 98 22 52 23 58 24 72 环境湿度 72 95 71 27 74 93 71 92 72 61 70 46 72 17 74 65 73 79 灌溉量 m 3 hm 2 2110 2080 2000 2080 2100 2070 2040 2070 2006 氮肥投入量 kg hm 2 405 364 387 379 345 370 387 404 368 磷肥投入量 kg hm 2 189 190 197 198 182 183 188 181 191 钾肥投入量 kg hm 2 196 198 192 183 186 181 187 192 198 CO2 mg m 3 1010 990 1320 1500 1270 1490 940 1380 1060 光照强度 lx 25400 24900 25800 23000 22300 24100 26500 24700 23200 番茄总产量 kg hm 2 21500 21000 21300 20600 20900 21400 21300 21500 21400 晚熟的指标 DVR 发育速率 其倒数为发育时间 DVP 发 育 进 程 其 值 是 整 数 意 味 着 当 前 发 育 阶 段 刚 好 结 束 反 之 则 说 明 当 时 介 于 两 个 发 育 阶 段 之间 当其值为1 表明该阶段已经结束 因 此 假 设 某 种 作 物 播 种 时 间 已 知 凭 借 DVR 即 可 推 算 出 完 成 每 一 生 长 发 育 阶 段 的 时 间 和 具 体 日期 其数学表达式为式 2 DVP i 1 DVP i DVR t 2 i 表 示 第 i 阶 段 t 表 示 步 长 取 步 长 为 1 d DVP 0 0 dD V P d t 发 育 速 度 采 取 发 育 进 程 的 变 化 率 来 描述 DS 完成具体生长发育阶段的时间 f T 温度因子影响函数 f t 昼夜温差影响函数 f D 日照时间因子影响函数 f EC 水 分 肥 料 等 因 子 的 影 响 函 数 表 达 式 为 各因子影响函数积 f EC f EU f EW f ECT f EU 肥料因子影响函数 f EW 水分因子影响函数 f ECT 播种深度因子影响函数 依 据 相 关 试 验 实 际 采 集 到 的 信 息 确 定 函 数 f T f D f EC f t 及 参 数K 的 值 番 茄 生 长 发 育 过 程 不 仅 与 品 种 基 因 型 特 性 有 关 还 和 环 境 因 素 有 关 13 16 非 线 性 模 型 克 服 了 线 性 模 型 的 局 限 性 而 采 用 光 照 有 效 积 温 及 CO2 浓 度 客 观 地 描 述 水 分 有 效 积 温 及 肥 料 的 效 用 17 21 根 据 番 茄 生 长 发 育 阶 段 非 线 性 模 型 的 分 析 当CO2 浓 度 适 宜 且 无 病 虫 害 时 番 茄 生 长 发 育 的 非 线 性 机 理 模 型 可 用 式 3 表 示 3 d 1 d DVR DVR f K f T f D f EC f t t DS 2 CO f K f TP f TQ f DG f DC f f ECT 2 2 CO CO min max min max 0 min max 0 0 min max 0 1 P Q G C L k T T T T D D D D e e T T T T D D D D t 2 2 CO CO min max min max 0 min max 0 0 min max 0 1 P Q G C L k T T T T D D D D e e T T T T D D D D t f ECT 2 2 CO CO min max min max 0 min max 0 0 min max 0 1 P Q G C L k T T T T D D D D e e T T T T D D D D t T 某阶段番茄生长发育适宜的平均温度 Tmin 番茄发育的下限温度 Tmax 番茄发育的上限温度 D 平均日长 Dmax 该阶段的最长日长 Dmin 该阶段的最短日长 P Q 温 度 对 番 茄 生 长 发 育 过 程 影 响 程 度 的 指 标 G C 光 照 对 番 茄 生 长 发 育 过 程 影 响 程 度 的 指 标 f ECT 表 征 播 种 深 度 与 出 苗 速 率 相 互 关 系 的函数 其只在播种期起作用 其余阶段值均为1 CO2 温室内昼平均CO2 浓度 L C O 2 番 茄 发 育 的 临 界 CO2 浓 度 取 L C O 2 80 L L 1 t CO2 浓度影响因子 1 3 2 小 波 神 经 网 络 模 型 的 建 立 1 数 据 的 归 一 化 处 理 通 过 利 用 传 感 器 等 技 术 手 段 获 取 试 验 所 需 的 温 室 内 各 种 变 量 的 数 据 试 验 团 队 已 经 在 温 室 番 茄 种 植 与 管 理 方 面 进 行 了 多 年 的 试 验 积 累 具 有 较 多 的 温 室 番 茄 管 理 经 验 和 试 验 数 据 应 用 2010 2018 年的测量数据进行分析 各参数值见表2 为 了 提 高 模 型 的 预 测 精 度 采 用 线 性 化 处 理 方 尹义志 55 中 国 瓜 菜 第33 卷 试验研究 网络初始化 训练网络 小波变换 调整小波误差 输出网络预测值 求误差E E是否满 足要求 超过最大 迭代次数 对权值 伸缩因子 平移因子进行调整 训练结束 训练失败 Y Y N N 图2 模 型 运 行 流 程 法对输入数据进行归一化处理 其变换关系式为 X i X i X m i n X m a x X m i n i 1 2 3 4 通 过 上 式 将 输 入 数 据 归 一 化 为 0 1 范 围 内 的 数 值 使 识 别 数 据 的 动 态 范 围 减 小 增 加 模 型 预 测 成功的概率 2 温 室 番 茄 产 量 预 报 模 型 的 构 建 将 优 选 出 的 8 种 特 征 参 数 作 为 小 波 神 经 网 络 WNN 模 型 的 输 入 温 室 番 茄 产 量 作 为 输 出 网 络 的 结 构 对 于 模 型 的 预 测 精 度 稳 定 性 至 关 重 要 构 建 模 型 时 首 先 要 考 虑 模 型 的 结 构 使 其 能 够 满 足 试 验 要 求 保 证 模 型 稳 定 性 与 可 靠 性 然 后 应 用 误 差 函 数 分 析 存 在 的 问 题 继 续 优化模型 提升预测精度 网络结构如图1 ji w kj w x 1 x 2 i x y 1 y 2 y k g a 2 b 2 x g a x 1 1 b g a x j b j I J K 图1 小 波 神 经 网 络 结 构 图 图 中 X X1 X2 Xi T 为 输 入 样 本 母 小 波 函 数 的值需要在一定 的 范围内 如式 5 所示 5 R 2 g x dx x x dx 其 中 R 2 g x dx x 为 R 2 g x dx x 的 傅 里 叶 函 数 变 换 该 模 型 选用的母 小 波函数为 2 cos 1 75 exp 2 g x x x 6 将 母 小 波 函 数 进 行 尺 度 和 平 移 变 换 构 造 小 波 基函数 1 j j j a b j j x b g x g a a 7 其 中 aj bj 分 别 为 第j 个 隐 含 层 节 点 的 尺 度 因 子和平移因子 k y 为模型的输出 1 1 I ji i j k i k kj j j W x b y W g a 8 Xi i 1 2 输 入 层 第 i 个 节 点 的 输 入 yk k 1 2 k 输出层第k 个节点的输出 所 采 用 的 模 型 为 单 隐 含 层 的 小 波 神 经 网 络 输 入 层 具 有8 个 神 经 元 输 出 层 具 有1 个 神 经 元 在 满 足 模 型 精 度 的 条 件 下 确 定 隐 含 层 节 点 数 并 保 证 模 型 结 构 的 紧 凑 性 避 免 冗 余 下 式 为 常 用 的 断 定 隐含层节 点 数的计算方法 1 L N 9 L M N A 10 式 中 L 隐 含 层 节 点 数 M 输 入 层 节 点 数 N 为 输 出 层 节 点 数 A 为0 10 间 的 常 数 通 过 不 断 实 验确定最佳隐含层节点数见表3 表3 不 同 隐 含 层 节 点 数 对 网 络 预 测 误 差 的 影 响 学习速率 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 动量系数 0 85 0 85 0 85 0 85 0 85 0 85 最大容许误差 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 隐藏层节点数 3 4 5 6 7 8 预测误差 2 08 1 86 1 02 2 13 2 82 3 45 从 表3 中 可 以 看 出 预 测 误 差 在 隐 层 节 点 数 的 个 数 是5 时 最 小 由 此 可 以 确 定 隐 层 节 点 数 选3 经 过 对 数 据 的 分 类 处 理 和 筛 选 在 分 别 确 定 输 入 层 隐 藏 层 和 输 出 层 的 节 点 数 的 前 提 下 应 用 小 波 基 函 数 取 代 隐 藏 层 节 点 的 激 励 函 数 构 建 温 室 内 小 波 神 经 网 络 番 茄 产 量 预 测 模 型 并 且 不 断 对 模 型 中 的 参 数 进 行 调 整 与 修 正 通 过 重 复 训 练 和 迭 代 不 断 提 升 模 型 的 预测精度 并减小误差 具体流程见图2 通 过 对 此 模 型 中 的 权 值 尺 度 因 子 平 移 因 子 不 断 进 行 调 整 提 升 模 型 的 稳 定 性 和 预 测 精 度 令 56 第8 期 等 基于小波神经网络的温室番茄产量预测 试验研究 年 份 实 测 值 预 测 值 实 测 值 预 测 值 年 份 年 份 a WNN 模型预测效果 b WNN 模型误差百分比曲线 216000 214000 212000 210000 208000 206000 204000 202000 番 茄 总 产 量 kg hm 2 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 0 误 差 百 分 比 此 模 型 更 加 适 用 于 实 际 的 现 场 环 境 并 且 不 断 完 善 和优化该模型 22 23 定义误差函 数E 为 2 1 1 2 K k k k E y t 11 其 中 yk 为 输 出 层 第k 个 节 点 的 实 际 输 出 tk 为 输出层第k 个节点的目 标输出 对权值 尺度因子 平移因子的调整包 括 1 1 ji ji ji ji ji E W n W n W n W n W n h m 12 1 1 kj kj kj kj kj E W n W n W n W n W n h m 13 1 1 j j j j j E a n a n a n a n a n h m 14 1 1 j j j j j E b n b n b n b n b n h m 15 其 中 学 习 速 率 0 动 量 因 子 0 1 通 过 对 式 中 的 参 数 不 断 进 行 调 整 从 而 提 升 模 型 的 预 测 精 度 并 采 用 MATLAB R2017a 软 件 进 行 仿真 验证模型的预测效果 2 结果与分析 2 1 预测模型结果分析 试 验 选 用 2010 2015 年 的 数 据 对 模 型 进 行 训 练 应 用2016 2018 年 的 数 据 检 验WNN 模 型 的 实 际 预 测 效 果 利 用6 年 的 数 据 对 此 网 络 进 行 训 练 不 断 调 整 模 型 的 权 值 尺 度 因 子 平 移 因 子 学 习 率 动 量 因 数 和 迭 代 次 数 等 模 型 参 数 经 过 多 次 对 比 试 验 结 果 并 计 算 误 差 不 断 对 其 进 行 改 进 与 优 化 得 到 了 预 测 效 果 较 好 的 模 型 并 且 其 误 差 在 合 理 的 范 围 内 预 测 值 与 实 测 值 相 差 较 小 基 本 对 温 室 番 茄 产 量 实 现 了 精 准 预 测 WNN 模 型 的 预 测 效 果 与 BP 神 经 网 络 模 型 预 测 效 果 如 图 3 结 果 表 明 WNN 模 型 预 测 值 对 实 测 值 的 跟 踪 效 果 较 好 函 数 收 敛 速 度 较 快 误 差 百 分 比 较 小 模 型 稳 定 性 较 高 能够有效预测温室内番茄产量 图3 WNN 模 型 效 果 与 误 差 百 分 比 曲 线 c BP 神经网络模型预测效果 d BP 神经网络模型误差百分比曲线 年 份 年 份 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 0 误 差 百 分 比 216000 214000 212000 210000 208000 206000 204000 202000 番 茄 总 产 量 kg hm 2 尹义志 57 中 国 瓜 菜 第33 卷 试验研究 表4 不 同 预 测 模 型 的 建 模 与 验 证 结 果 年份 2016 2017 2018 平均相对误差 实际产量 kg hm 2 212930 214600 213510 小波神经网络 预测值 kg hm 2 211610 210770 214930 相对 误差 0 62 1 78 0 67 1 02 收敛速度 次 232 BP 神经网络 预测值 kg hm 2 207450 207490 210980 相对 误差 2 64 3 43 1 20 2 42 收敛速度 次 375 机理模型 预测值 kg hm 2 205880 224860 206700 相对 误差 3 31 4 78 3 19 3 76 收敛速度 次 527 2 2 WNN 模型与BP 神经网络模型比较 为 了 验 证 模 型 的 预 测 效 果 将 WNN 模 型 的 输 出 结 果 与 BP 神 经 网 络 模 型 机 理 模 型 的 输 出 结 果 进 行 对 比 预 测 效 果 对 比 情 况 见 表4 经 分 析 可 知 采 用 WNN 模 型 预 测 结 果 的 平 均 相 对 误 差 为 1 02 BP 神 经 网 络 模 型 预 测 结 果 的 平 均 相 对 误 差 为 2 42 机 理 模 型 预 测 结 果 的 平 均 相 对 误 差 为 3 76 WNN 模 型 的 预 测 精 度 较 高 WNN 收 敛 速 度 优 于 BP 神 经 网 络 模 型 和 作 物 机 理 模 型 经 过 232 次 预 测 效 果 已 达 到 最 优 综 上 所 述 通 过 将 小 波 分 析 和BP 神 经 网 络 进 行 结 合 构 造 出 的WNN 模 型 收 敛 速 度 较 快 预 测 精 度 较 高 实 现 了 番 茄 产 量 的 精 准 预 测 能 够 为 合 理 安 排 温 室 内 的 作 物 种 类 制 定 灌 溉 和 施 肥 等 管 理 计 划 提 供 依 据 并 且 为 实 现 温 室 内 资 源 的 充 分 利 用 和 经 济 效 益 的 最 大 化 提 供 理论支持 3 讨论与结论 针 对 北 方 日 光 温 室 内 环 境 复 杂 多 变 量 非 线 性 等 特 征 笔 者 提 出 一 种 基 于 小 波 神 经 网 络 的 温 室 内 番 茄 产 量 预 测 模 型 预 测 北 方 节 能 日 光 温 室 内 的 番 茄 产 量 连 续9a 年 对 试 验 的 番 茄 生 长 及 产 量 数 据 进 行 采 集 与 分 析 并 对 影 响 番 茄 发 育 与 产 量 的 因 素 进 行 试 验 对 照 研 究 结 果 表 明 在 日 光 温 室 种 植 条 件 下 番 茄 产 量 主 要 受 温 度 环 境 湿 度 灌 溉 量 氮 磷 钾 施 用 量 CO2 浓 度 以 及 光 照 强 度 的 影 响 将 其 作 为 产 量 预 测 模 型 的 输 入 建 立 小 波 神 经 网 络 WNN 模 型 预 测 未 来3a 的 温 室 番 茄 产 量 并 且 将 该 模 型 的 预 测 效 果 与 BP 神 经 网 络 模 型 作 物 机 理 模 型 预 测 效 果 进 行 对 比 分 析 模 型 预 测 的 准 确 性 及 稳定性 利 用 小 波 变 换 与BP 神 经 网 络 结 合 的 方 式 对 北 方 日 光 温 室 内 的 番 茄 产 量 进 行 预 测 综 合 考 虑 了 影 响 温 室 番 茄 产 量 的 因 素 采 用 数 据 归 一 化 处 理 等 手 段 对 参 数 进 行 处 理 并 筛 选 然 后 提 取 特 征 参 数 作 为 模 型 输 入 构 建 温 室 番 茄 产 量 预 测 模 型 并 利 用 小 波 神 经 网 络 中 尺 度 因 子 与 平 移 因 子 进 行 权 值 调 整 提 升 模 型 的 预 测 精 度 仿 真 结 果 表 明 WNN 模 型 预 测 结 果 的 平 均 相 对 误 差 为1 02 BP 神 经 网 络 模 型 预 测 结 果 的 平 均 相 对 误 差 为 2 42 机 理 模 型 预 测 结 果 的 平 均 相 对 误 差 为 3 76 WNN 收 敛 速 度 优 于 BP 神 经 网 络 模 型 和 作 物 机 理 模 型 经 过 232 步 预 测 效 果 已 达 到 最 优 证 明 WNN 模 型 预 测 精 度 较 高 函 数 收 敛 速 度 较 快 具 有 较 好 的 实 际 应 用 价 值 与 传 统 作 物 机 理 模 型 和 BP 神 经 网 络 模 型 相 比 WNN 模 型 的 平 均 相 对 误 差 较 小 精 度 更 高 稳 定 性 更 强 更 符 合 温 室 番 茄 产 量 预 测 能 够 为 温 室 内 番 茄 种 植 决 策 的 制 定 提 供 依 据 并 且 对 番 茄 种 植 期 间 所 采 取 的 灌 溉 施 肥 补 光 和 通 风 等 措 施 提 供 了 一 定 的 理 论 支 持 为 促 进 温 室 内 资 源 的 合 理 利 用 和 达 到 经 济 效 益 的 最 大 化 提 供 了 理 论 依 据 并 且 对 温室系统的改良和优化起到了一定的促进作用 参考文献 1 吴 宣 毅 曹 红 霞 郝 舒 雪 等 种 植 行 距 与 灌 水 量 对 西 北 日 光 温 室 番 茄 生 育 和 产 量 的 影 响 J 农 业 工 程 学 报 2018 34 24 81 89 2 LIU F LIU X DING C et al The dynamic simulation of rice growth parameters under cadmium stress with the assimilation of multi period spectral indices and crop model J Field Crops Research 2015 183 8 225 234 3 吴 蕾 柏 军 华 肖 青 等 作 物 生 长 模 型 与 定 量 遥 感 参 数 结 合 研 究进展与展望 J 农业工程学报 2017 33 9 155 166 4 陈 玉 佳 基 于 生 长 发 育 模 型 的 加 工 番 茄 估 产 方 法 研 究 D 乌 鲁木齐 新疆大学 2015 5 何 亮 侯 英 雨 赵 刚 等 基 于 全 局 敏 感 性 分 析 和 贝 叶 斯 方 法 的 WOFOST 作 物 模 型 参 数 优 化 J 农 业 工 程 学 报 2016 32 2 174 181 6 李 君 陈 佳 文 廖 伟 丽 等 基 于 小 波 神 经 网 络 的 轴 流 泵 性 能 预 测 J 农业工程学报 2016 32 10 47 53 7 江 婷 沈 振 中 徐 力 群 等 基 于 支 持 向 量 机 小 波 神 经 网 络 的 边 坡 位 移 时 序 预 测 模 型 J 武 汉 大 学 学 报 工