2020 年6 月 第2 卷 第2 期 Jun 2020 Vol 2 No 2 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 考 慮 日 光 溫 室 空 間 異 質(zhì) 性 的 黃 瓜 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 估 算 模 型 研 究 劉 鑒 1 2 任 愛(ài) 新 1 劉 冉 1 2 紀(jì) 濤 1 2 劉 慧 英 1 李 明 1 2 1 石 河 子 大 學(xué) 農(nóng) 學(xué) 院 新 疆 石 河 子 8 3 2 0 0 3 2 北 京 農(nóng) 業(yè) 信 息 技 術(shù) 研 究 中 心 國(guó) 家 農(nóng) 業(yè) 信 息 化 工 程 技 術(shù) 研 究 中 心 農(nóng) 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 安 全 追 溯 技 術(shù) 及 應(yīng) 用 國(guó) 家 工 程 實(shí) 驗(yàn) 室 中 國(guó) 氣 象 局 農(nóng) 業(yè) 農(nóng) 村 部 都 市 農(nóng) 業(yè) 氣 象 服 務(wù) 中 心 北 京 1 0 0 0 9 7 摘 要 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 L W D 是 植 物 病 害 模 型 的 重 要 輸 入 變 量 之 一 它 與 許 多 葉 部 病 原 菌 的 侵 染 有 關(guān) 影 響 病 原 侵 染 和 發(fā) 育 速 率 為 了 準(zhǔn) 確 地 預(yù) 測(cè) 日 光 溫 室 黃 瓜 病 害 的 發(fā) 生 時(shí) 間 和 方 位 本 研 究 于 2 0 1 9 年 3 月 和 9 月 在 北 京 兩 個(gè) 不 同 類(lèi) 型 日 光 溫 室 內(nèi) 按 照 棋 盤(pán) 格 法 設(shè) 置 了 9 個(gè) 采 樣 點(diǎn) 部 署 溫 濕 光 傳 感 器 和 目 測(cè) 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 每 隔 1 h 采 集 一 次 溫 度 濕 度 輻 射 和 葉 片 濕 潤(rùn) 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 定 量 估 算 分 析 分 析 結(jié) 果 表 明 B P 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 模 型 在 兩 個(gè) 溫 室 的 試 驗(yàn) 條 件 下 獲 得 了 相 似 的 準(zhǔn) 確 度 A C C 為 0 9 0 和 0 9 2 比 相 對(duì) 濕 度 經(jīng) 驗(yàn) 模 型 估 算 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 準(zhǔn) 確 度 A C C 為 0 8 2 和 0 8 4 更 高 平 均 絕 對(duì) 誤 差 M A E 分 別 為 1 8 1 和 1 6 1 h 均 方 根 誤 差 R S M E 分 別 為 2 1 0 和 1 8 7 決 定 系 數(shù) R 2 分 別 為 0 8 7 和 0 8 5 在 晴 天 和 多 云 天 氣 條 件 下 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 空 間 分 布 總 體 規(guī) 律 是 南 部 中 部 北 部 南 面 是 葉 片 濕 潤(rùn) 平 均 時(shí) 間 1 2 1 7 h d 最 長(zhǎng) 的 區(qū) 域 由 東 向 西 方 向 上 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 空 間 分 布 總 體 規(guī) 律 是 東 部 西 部 中 部 中 部 是 葉 片 濕 潤(rùn) 平 均 時(shí) 間 4 8 3 h d 最 短 的 區(qū) 域 雨 天 的 葉 片 濕 潤(rùn) 平 均 時(shí) 間 比 晴 天 和 多 云 長(zhǎng) 春 季 和 秋 季 分 別 為 1 7 1 5 和 1 7 4 1 h d 這 些 變 化 和 差 異 對(duì) 溫 室 黃 瓜 種 群 水 平 方 向 的 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 分 布 具 有 重 要 影 響 與 大 多 數(shù) 高 濕 性 黃 瓜 病 害 的 發(fā) 生 規(guī) 律 密 切 相 關(guān) 本 研 究 為 預(yù) 測(cè) 溫 室 黃 瓜 病 害 分 布 提 供 了 有 價(jià) 值 的 參 考 對(duì) 控 制 病 害 流 行 和 減 少 農(nóng) 藥 使 用 具 有 重 要 意 義 提 出 的 區(qū) 域 化 分 析 溫 室 內(nèi) 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 方 法 可 以 為 模 擬 日 光 溫 室 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 空 間 分 布 提 供 參 考 關(guān) 鍵 詞 日 光 溫 室 估 算 模 型 區(qū) 域 化 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 B P 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 傳 感 器 中 圖 分 類(lèi) 號(hào) R 8 5 7 3 S 2 4 文 獻(xiàn) 標(biāo) 志 碼 A 文 章 編 號(hào) 2 0 2 0 0 1 S A 0 0 3 引 文 格 式 劉 鑒 任 愛(ài) 新 劉 冉 紀(jì) 濤 劉 慧 英 李 明 考 慮 日 光 溫 室 空 間 異 質(zhì) 性 的 黃 瓜 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 估 算 模 型 研 究 J 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 2020 2 2 135 144 LIU Jian RENAixin LIU Ran JITao LIU Huiying LIMing Estimation modelofcucumberleafwetnessduration considering the spatial heterogeneity of solar greenhouse J Smart Agriculture 2020 2 2 135 144 in Chinese withEnglishabstract 1 引 言 植 物 表 面 的 水 是 決 定 許 多 葉 部 病 原 菌 能 否 侵 染 及 產(chǎn) 孢 的 關(guān) 鍵 因 素 1 大 多 植 物 病 害 爆 發(fā) 的 風(fēng) 險(xiǎn) 與 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 Leaf Wetness Duration LWD 成 正 比 2 通 常 將LWD 作 為 驅(qū) 動(dòng) 變 量 模 doi 10 12133 j smartag 2020 2 2 202001 SA003 收 稿 日 期 2020 01 17 修 訂 日 期 2020 03 26 基 金 項(xiàng) 目 國(guó) 家 自 然 科 學(xué) 基 金 青 年 科 學(xué) 基 金 項(xiàng) 目 31401683 國(guó) 家 重 點(diǎn) 研 發(fā) 計(jì) 劃 政 府 間 國(guó) 際 科 技 創(chuàng) 新 合 作 重 點(diǎn) 專(zhuān) 項(xiàng) 2017YFE0122503 北 京 市 農(nóng) 林 科 學(xué) 院 農(nóng) 業(yè) 科 技 示 范 推 廣 項(xiàng) 目 2020306 作 者 簡(jiǎn) 介 劉 鑒 1995 男 碩 士 研 究 生 研 究 方 向 為 溫 室 黃 瓜 病 害 預(yù) 警 模 型 E mail liujianwy 通 訊 作 者 1 劉 慧 英 1970 女 博 士 教 授 研 究 方 向 為 設(shè) 施 蔬 菜 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 調(diào) 控 與 蔬 菜 抗 逆 生 理 電 話 13899522503 E mail hyliuok 2 李 明 1982 男 博 士 副 研 究 員 研 究 方 向 為 植 保 信 息 化 與 農(nóng) 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 安 全 電 話 010 51503912 E mail lim Vol 2 No 2 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 擬 植 物 病 害 的 發(fā) 展 進(jìn) 程 3 5 在 日 光 溫 室 中 黃 瓜 葉 片 濕 潤(rùn) 是 由 結(jié) 露 棚 膜 滴 水 上 層 葉 向 下 層 葉 滴 水 等 物 理 現(xiàn) 象 和 吐 水 蒸 騰 作 用 等 生 理 現(xiàn) 象 造 成 的 根 據(jù)Sentelhas 等 6 和Gleason 等 7 研 究 建 議 每 天 的 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 誤 差 低 于2 h 可 在 病 害 預(yù) 警 系 統(tǒng) 中 操 作 使 用 原 因 是 在 一 種 作 物 的 一 個(gè) 時(shí) 期 內(nèi) 每 天 測(cè) 得 的 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 變 化 經(jīng) 常 超 過(guò)2 h 由 于 冬 季 低 溫 寡 照 的 災(zāi) 害 天 氣 影 響 溫 室 的 通 風(fēng) 時(shí) 間 極 易 在 溫 室 內(nèi) 形 成 高 濕 環(huán) 境 會(huì) 誘 發(fā) 黃 瓜 霜 霉 病 等 流 行 性 病 害 8 如 黃 瓜 霜 霉 菌 孢 子 囊 在15 20 下 保 濕2 h 即 可 完 成 侵 染 過(guò) 程 9 因 此 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 研 究 一 直 是 國(guó) 內(nèi) 外 學(xué) 者 關(guān) 注 的 熱 點(diǎn) 通 過(guò) 葉 片 濕 潤(rùn) 傳 感 器 測(cè) 量 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 精 度 易 受 葉 片 的 類(lèi) 型 濕 潤(rùn) 性 和 冠 層 結(jié) 構(gòu) 等 影 響 10 而 且 缺 乏 統(tǒng) 一 的 測(cè) 量 標(biāo) 準(zhǔn) 11 12 因 此 學(xué) 者 們 開(kāi) 發(fā) 了 用 于 估 計(jì) 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 仿 真 模 型 主 要 分 為 物 理 型 和 經(jīng) 驗(yàn) 型 兩 大 類(lèi) 物 理 型 基 于 能 量 平 衡 原 理 模 擬 冷 凝 和 蒸 發(fā) 的 過(guò) 程 13 經(jīng) 驗(yàn) 型 將 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 與 環(huán) 境 變 量 相 關(guān) 聯(lián) 如Sentelhas 等 6 將 每 天 相 對(duì) 濕 度 等 于 或 高 于 某 一 特 定 閾 值 80 85 90 或95 的 小 時(shí) 數(shù) 作 為 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 但 該 方 法 未 考 慮 吐 水 等 造 成 的 葉 片 濕 潤(rùn) 14 人 工 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) ArtificialNeuralNetwork ANN 屬 于 經(jīng) 驗(yàn) 模 型 常 用 來(lái) 解 決 模 式 識(shí) 別 中 的 非 線 性 映 射 或 分 類(lèi) 問(wèn) 題 具 有 自 適 應(yīng) 和 自 學(xué) 能 力 廣 泛 地 用 于 各 種 預(yù) 測(cè) 問(wèn) 題 Francl 等 15 分 析 了BP 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) Back Propagation Neural Net work BPNN 對(duì) 不 同 環(huán) 境 因 子 的 敏 感 程 度 并 將 溫 度 相 對(duì) 濕 度 太 陽(yáng) 輻 射 降 水 風(fēng) 向 和 風(fēng) 速 作 為 輸 入 變 量 輸 入 到BPNN 來(lái) 估 算 小 麥 的 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 表 明 最 敏 感 的 環(huán) 境 因 素 是 濕 度 其 次 是 溫 度 和 太 陽(yáng) 輻 射 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 平 均 絕 對(duì) 誤 差 為0 8 1 1 h Dalla 等 16 在 意 大 利 選 取4 個(gè) 地 區(qū) 的 溫 度 風(fēng) 速 蒸 汽 壓 和 降 雨 作 為 輸 入 變 量 輸 入 到 遞 歸 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) Recursive Neural Network RNN 來(lái) 估 算 葡 萄 的 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 得 出10min 為 判 斷 葉 片 干 或 濕 的 最 佳 閾 值 Wang 等 17 將 相 對(duì) 濕 度 露 點(diǎn) 溫 度 蒸 騰 和 輻 射 作 為 輸 入 變 量 輸 入 到BPNN 來(lái) 估 算 番 茄 和 黃 瓜 的 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 利 用 決 策 樹(shù) 校 準(zhǔn) 后 平 均 絕 對(duì) 誤 差 為1 3h 上 述 研 究 中 模 型 輸 入 的 環(huán) 境 因 子 大 多 假 設(shè) 植 株 群 體 在 水 平 方 向 處 于 同 一 生 長(zhǎng) 環(huán) 境 中 模 型 只 能 模 擬 溫 室 內(nèi) 一 個(gè) 位 置 的 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 而 實(shí) 際 的 溫 室 內(nèi) 在 夜 間 南 北 向 和 東 西 向 小 氣 候 具 有 明 顯 的 差 異 18 19 因 此 開(kāi) 展 黃 瓜 群 體 水 平 方 向 葉 片 濕 潤(rùn) 分 布 規(guī) 律 的 研 究 對(duì) 科 學(xué) 地 管 理 溫 室 和 預(yù) 測(cè) 病 害 分 布 具 有 重 要 意 義 目 前 還 未 見(jiàn) 溫 室 內(nèi) 水 平 方 向 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 分 布 模 擬 的 報(bào) 道 相 對(duì) 濕 度 經(jīng) 驗(yàn) 模 型 Relative Humidity Model RHM 是 一 種 所 需 參 數(shù) 少 且 數(shù) 據(jù) 獲 取 較 容 易 的 模 型 BPNN 是 一 種 基 于 數(shù) 據(jù) 的 模 型 它 具 有 模 型 簡(jiǎn) 單 泛 化 能 力 較 強(qiáng) 和 對(duì) 數(shù) 據(jù) 具 有 良 好 的 非 線 性 擬 合 能 力 等 優(yōu) 勢(shì) 因 此 是 應(yīng) 用 最 廣 泛 的 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 針 對(duì) 上 述 問(wèn) 題 本 研 究 利 用RHM 和BPNN 分 析 空 間 水 平 方 向 異 質(zhì) 性 對(duì) 溫 室 黃 瓜 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 影 響 為 黃 瓜 病 害 預(yù) 測(cè) 模 型 的 建 立 提 供 參 考 2 試 驗(yàn) 材 料 和 方 法 2 1 田 間 試 驗(yàn) 場(chǎng) 地 與 材 料 春 季 試 驗(yàn) 于2019 年3 月 至6 月 在 北 京 市 昌 平 區(qū) 小 湯 山 國(guó) 家 精 準(zhǔn) 農(nóng) 業(yè) 示 范 基 地 以 下 簡(jiǎn) 稱(chēng) 小 湯 山 北 緯40 18 東 經(jīng)116 47 內(nèi) 進(jìn) 行 選 取1 間 未 重 茬 的 日 光 溫 室 日 光 溫 室 長(zhǎng) 寬 分 別 為50 和7m 以 聚 乙 烯 薄 膜 為 采 光 材 料 供 試 材 料 京 研 迷 你2 號(hào) 黃 瓜 品 種 購(gòu) 于 北 京 市 農(nóng) 林 科 學(xué) 院 蔬 菜 中 心 2 月26 日 施 有 機(jī) 肥 1750 kg 和 復(fù) 合 肥 7 5 kg 同 時(shí) 做 壟 壟 寬80 cm 壟 間 距60 cm 南 北 走 向 每 壟2 行 共32 壟 定 植 前 用 煙 劑 異 丙 威 熏 棚 兩 葉 一 心 時(shí) 定 植 于 栽 培 壟 3 月5 日 秋 季 試 驗(yàn) 于2019 年9 月 至11 月 在 北 京 市 房 山 區(qū) 弘 科 農(nóng) 場(chǎng) 北 京 市 農(nóng) 林 科 學(xué) 院 示 范 基 地 以 下 簡(jiǎn) 稱(chēng) 房 山 北 緯39 63 東 經(jīng)115 97 內(nèi) 進(jìn) 行 日 光 溫 室 長(zhǎng) 寬 分 別 為80 和7m 采 光 材 料 為 聚 1 3 6劉 鑒 等 考 慮 日 光 溫 室 空 間 異 質(zhì) 性 的 黃 瓜 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 估 算 模 型 研 究 Vol 2 No 2 乙 烯 薄 膜 種 植 品 種 為 北 農(nóng) 佳 秀 8 月25 日 施 有 機(jī) 肥 1500kg 壟寬60cm 壟間距60cm 東 西 走 向 每 壟2 行 共5 壟 兩 葉 一 心 時(shí) 定 植 于 栽 培 壟 9 月2 日 小 湯 山 溫 室 和 房 山 溫 室 均 為 單 屋 面 日 光 溫 室 并 且 都 未 安 裝 加 溫 或 降 溫 設(shè) 備 灌 溉 方 式 均 采 用 膜 下 滴 灌 2 2 傳 感 器 布 置 如 圖1 所 示 在 小 湯 山 溫 室 和 房 山 溫 室 中 以 棋 盤(pán) 格 取 樣 法 標(biāo) 記9 個(gè) 數(shù) 據(jù) 采 集 點(diǎn) 分 別 命 名 為 A B C D E F G H 和I 在 每 個(gè) 觀 測(cè) 點(diǎn) 距 地 面1m 處 安 置1 個(gè) 小 氣 候 監(jiān) 測(cè) 節(jié) 點(diǎn) ENVI ROMONITOR Davis Instruments Hayward California USA 用 于 采 集 溫 度 濕 度 太 陽(yáng) 輻 射 和 葉 片 濕 潤(rùn) 數(shù) 據(jù) 設(shè) 置 每15min 記 錄 一 次 溫 室 外 放 置1 個(gè) 與 溫 室 內(nèi) 相 同 的 氣 象 站 命 名 為J 傳 感 器 高 度 為1 5 m 記 錄 溫 室 外 的 天 氣 狀 況 時(shí) 間 間 隔 與 溫 室 內(nèi) 保 持 一 致 數(shù) 據(jù) 通 過(guò)Wi Fi 傳 輸 下 載 收 集 2 3 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 測(cè) 量 方 法 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 通 過(guò) 目 測(cè) 法 獲 得 14 在 溫 室 內(nèi) 的 每 個(gè) 小 氣 候 監(jiān) 測(cè) 節(jié) 點(diǎn) 上 設(shè) 置1 個(gè) 定 點(diǎn) 掛 牌 觀 測(cè) 點(diǎn) 圖1 每 個(gè) 觀 測(cè) 點(diǎn) 選 擇 長(zhǎng) 勢(shì) 一 致 株 高 和 莖 粗 的 兩 株 黃 瓜 作 為 取 樣 株 按 照 觀 測(cè) 點(diǎn) 序 號(hào) 依 次 對(duì) 它 們 進(jìn) 行 觀 測(cè) 最 后 取 兩 株 黃 瓜 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 平 均 值 記 錄 每 株 黃 瓜 超 過(guò)10 的 葉 片 出 現(xiàn) 濕 潤(rùn) 的 時(shí) 間 點(diǎn) Leaf Wetting LW 超 過(guò) 90 的 葉 片 變 干 的 時(shí) 間 點(diǎn) Leaf Drying LD LW LD 作 為 整 株 葉 片 的 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 晴 天 從18 30 至 次 日 每 株 黃 瓜90 的 葉 片 變 干 多 云 和 雨 天 等 特 殊 天 氣 從18 30 至 次 日18 30 每 隔1h 記 錄 一 次 所 有 取 樣 株 葉 片 的 濕 潤(rùn) 情 況 每 周 觀 測(cè)5 6d 共 獲 得5616 次 數(shù) 據(jù) 集 為 減 少 人 為 誤 差 試 驗(yàn) 期 間 26 d 內(nèi) 的 數(shù) 據(jù) 采 集 和 記 錄 等 操 作 均 由1 人 嚴(yán) 格 按 照 以 上 試 驗(yàn) 標(biāo) 準(zhǔn) 執(zhí) 行 因 為 觀 測(cè) 到 的 葉 片 濕 潤(rùn) 主 要 由 吐 水 造 成 所 以 以 葉 片 邊 緣 或 中 部 是 否 有 小 水 珠 出 現(xiàn) 作 為 濕 潤(rùn) 的 標(biāo) 準(zhǔn) 由 于 黃 瓜 葉 片 大 水 滴 易 聚 集 導(dǎo) 致 葉 表 面 的 水 蒸 發(fā) 慢 Arauz 等 5 和Cohen 20 的 研 究 表 明5 25 為 孢 子 囊 萌 發(fā) 和 寄 主 侵 染 的 主 要 溫 度 范 圍 因 此 本 研 究 以5 25 范 圍 內(nèi) 的 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 作 為 有 效 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 2 4 模 型 的 構(gòu) 建 2 4 1 相 對(duì) 濕 度 經(jīng) 驗(yàn) 模 型 R H M 參 考 RHM 在 病 害 預(yù) 警 系 統(tǒng) 中 的 應(yīng) 用 情 況 14 17 本 試 驗(yàn) 選 取 的 相 對(duì) 濕 度 閾 值 為89 當(dāng) 相 對(duì) 濕 度 89 認(rèn) 為 葉 片 濕 潤(rùn) 相 反 則 認(rèn) 為 葉 片 是 干 的 注 字 母A B C I 表 示 小 氣 候 監(jiān) 測(cè) 節(jié) 點(diǎn) 和 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 觀 測(cè) 點(diǎn) 的 序 號(hào) 字 母J 表 示 溫 室 外 氣 象 站 N North 表 示 北 E East 表 示 東 圖 1 日 光 溫 室 設(shè) 備 布 置 及 采 樣 點(diǎn) Fig 1 Equipmentlayoutsandsamplingpointsofsolargreenhouse 1 3 7Vol 2 No 2 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 2 4 2 B P 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 模 型 B P N N BPNN 是 一 種 常 見(jiàn) 的 人 工 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 結(jié) 構(gòu) 它 的 上 一 層 和 下 一 層 之 間 的 每 個(gè) 神 經(jīng) 元 都 相 互 連 接 全 連 接 信 息 共 享 通 過(guò) 多 層 疊 加 將 具 體 的 任 務(wù) 分 配 到 不 同 的 層 中 每 層 完 成 任 務(wù) 的 一 小 部 分 BPNN 主 要 包 括 輸 入 層 隱 含 層 和 輸 出 層 三 層 網(wǎng) 絡(luò) 結(jié) 構(gòu) 21 輸 入 和 輸 出 都 可 以 是 多 維 的 輸 入 的 數(shù) 據(jù) 通 過(guò) 神 經(jīng) 元 處 理 不 同 維 度 的 不 同 信 息 在 高 層 中 被 整 合 成 一 維 向 量 通 過(guò) 對(duì) 高 層 數(shù) 據(jù) 的 判 斷 得 到 最 終 的 輸 出 結(jié) 果 輸 出 的 結(jié) 果 和 預(yù) 計(jì) 值 相 比 較 將 比 較 的 結(jié) 果 反 向 傳 播 到 網(wǎng) 絡(luò) 中 反 向 傳 播 對(duì) 網(wǎng) 絡(luò) 權(quán) 重 進(jìn) 行 迭 代 更 新 以 此 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 模 型 參 數(shù) 更 新 直 到 達(dá) 到 預(yù) 期 結(jié) 果 或 者 完 成 所 有 迭 代 全 連 接 層 對(duì) 數(shù) 據(jù) 的 處 理 是 線 性 的 因 此 往 往 在BPNN 中 添 加 非 線 性 處 理 單 元 激 活 函 數(shù) 來(lái) 提 升 整 體 網(wǎng) 絡(luò) 的 非 線 性 擬 合 能 力 本 研 究 中 輸 入 層 為 溫 度 濕 度 輻 射 和 位 置 隱 含 層 為10 層 輸 出 層 為 位 置 和 葉 片 是 否 濕 潤(rùn) 位 置 以 坐 標(biāo) 形 式 輸 入 隱 含 層 神 經(jīng) 元 節(jié) 點(diǎn) 數(shù) 的 選 擇 參 照 經(jīng) 驗(yàn) 公 式 1 選 擇10 個(gè) 神 經(jīng) 元 輸 入 層 歸 一 化 訓(xùn) 練 中 公 式 2 采 用newff 函 數(shù) 建 立 BPNN 設(shè) 定 網(wǎng) 絡(luò) 隱 含 層 和 輸 出 層 的 激 活 函 數(shù) 分 別 為tansig 和logsig 函 數(shù) 網(wǎng) 絡(luò) 訓(xùn) 練 函 數(shù) 為traing dx 最 后 使 用mapminmax 語(yǔ) 句 將 估 計(jì) 值 進(jìn) 行 反 歸 一 化 N 1 n m a 1 x y y min y max y min 2 式 中 N 1 為 隱 含 層 單 元 數(shù) m 為 輸 出 單 元 數(shù) n 為 輸 入 神 經(jīng) 元 數(shù) a 為1 10 之 間 的 常 數(shù) x 為 歸 一 化 后 的 數(shù) 據(jù) y 為 實(shí) 測(cè) 數(shù) 據(jù) 2 4 3 樣 本 選 取 選 取 小 湯 山 溫 室2019 年4 月14 日 至4 月29 日 的2448 次 數(shù) 據(jù) 作 為 訓(xùn) 練 樣 本 1 次 數(shù) 據(jù) 集 表 示 1 個(gè) 觀 測(cè) 點(diǎn) 在1h 的 溫 度 濕 度 輻 射 位 置 和 葉 片 是 否 濕 潤(rùn) 小 湯 山 溫 室 數(shù) 據(jù) 分 布 差 異 較 大 包 含 晴 天 多 云 和 雨 天 天 氣 條 件 下 的 數(shù) 據(jù) 樣 本 具 有 一 定 的 代 表 性 隨 機(jī) 選 取 小 湯 山 溫 室2019 年4 月14 日 至4 月29 日 的774 次 數(shù) 據(jù) 集 作 為 模 型 第 一 次 的 測(cè) 試 樣 本 不 包 括 訓(xùn) 練 樣 本 房 山 溫 室 2019 年10 月4 日 至13 日 的855 次 數(shù) 據(jù) 集 作 為 模 型 第 二 次 的 測(cè) 試 樣 本 2 5 模 型 評(píng) 估 通 常 準(zhǔn) 確 度 Accuracy ACC 公 式 3 和 約 登 指 數(shù) Youden Index J 公 式 4 高 則 表 示 模 型 的 性 能 更 好 本 研 究 采 用 決 定 系 數(shù) R 2 標(biāo) 準(zhǔn) 差SD 平 均 絕 對(duì) 誤 差MAE 均 方 誤 差 MSE 和 均 方 根 誤 差RMSE 等 指 標(biāo) 考 察 模 型 的 性 能 房 山 溫 室 的 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 用 于 評(píng) 價(jià)BPNN 模 型 的 泛 化 性 ACC TP TN TP FN FP TN 3 J TP FP 4 其 中 TP 是 真 陽(yáng) 性 比 例 FN 是 假 陰 性 比 例 FP 是 假 陽(yáng) 性 比 例 TN 是 真 陰 性 比 例 2 6 數(shù) 據(jù) 分 析 利 用Matlab 2016a 進(jìn) 行BPNN 建 模 Micro soft Excel 2013 軟 件 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 整 理 分 析 采 用 Duncan 法 對(duì) 不 同 季 節(jié) 和 天 氣 條 件 下 溫 室 內(nèi) 各 方 位 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 進(jìn) 行 顯 著 差 異 性 分 析 顯 著 水 平 為P 0 05 3 結(jié) 果 與 分 析 3 1 葉 片 濕 潤(rùn) 判 斷 結(jié) 果 BPNN 和RHM 的 平 均 輸 出 結(jié) 果 表1 表 明 在774 次 測(cè) 試 數(shù) 據(jù) 估 算 小 湯 山 溫 室 內(nèi) 不 同 方 位 的 葉 片 是 否 濕 潤(rùn) 中 BPNN 和RHM 模 擬 到 葉 片 出 現(xiàn) 濕 潤(rùn) 且 實(shí) 際 發(fā) 生 濕 潤(rùn) 的 次 數(shù) 分 別 為314 次 和224 次 模 擬 到 葉 片 未 出 現(xiàn) 濕 潤(rùn) 且 實(shí) 際 也 未 發(fā) 生 濕 潤(rùn) 的 次 數(shù) 分 別 為383 次 和409 次 模 擬 到 葉 片 未 出 現(xiàn) 濕 潤(rùn) 但 實(shí) 際 發(fā) 生 濕 潤(rùn) 的 次 數(shù) 分 別 為46 次 和136 次 模 擬 到 葉 片 出 現(xiàn) 濕 潤(rùn) 但 實(shí) 際 未 發(fā) 生 濕 潤(rùn) 次 數(shù) 分 別 為31 次 和5 次 表 明RHM 容 易 出 現(xiàn) 誤 判 平 均BPNN 真 陽(yáng) 性 比 例 TP 0 87 高 于 平 均RHM TP 0 62 平 均BPNN 假 陰 性 比 1 3 8劉 鑒 等 考 慮 日 光 溫 室 空 間 異 質(zhì) 性 的 黃 瓜 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 估 算 模 型 研 究 Vol 2 No 2 例 FN 0 13 低 于 平 均 RHM FN 0 38 BPNN 比RHM 預(yù) 測(cè) 發(fā) 生 葉 片 濕 潤(rùn) 的 準(zhǔn) 確 度 更 高 漏 報(bào) 率 更 低 平 均BPNN 假 陽(yáng) 性 比 例 FP 0 07 高 于 平 均RHM FP 0 01 平 均BPNN 真 陰 性 比 例 TN 0 93 低 于 平 均RHM TN 0 99 平 均BPNN 預(yù) 測(cè) 未 發(fā) 生 葉 片 濕 潤(rùn) 的 準(zhǔn) 確 度 略 低 于 平 均RHM 平 均BPNN 準(zhǔn) 確 度 ACC 0 90 優(yōu) 于 平 均RHM ACC 0 82 平 均BPNN 約 登 指 數(shù) J 0 80 高 于 平 均RHM J 0 61 表 明BPNN 預(yù) 測(cè) 結(jié) 果 真 實(shí) 性 高 于RHM 房 山 溫 室 與 小 湯 山 溫 室 模 型 輸 出 的 結(jié) 果 相 似 平 均BPNN 真 陽(yáng) 性 比 例 TP 0 95 高 于 平 均 RHM TP 0 64 平 均 BPNN 真 陰 性 比 例 TN 0 90 低 于 平 均 RHM TN 0 98 平 均 BPNN 準(zhǔn) 確 度 ACC 0 92 優(yōu) 于 平 均 RHM ACC 0 84 平 均BPNN 約 登 指 數(shù) J 0 85 高 于 平 均RHM J 0 62 平 均BPNN 在 房 山 溫 室 的 準(zhǔn) 確 性 ACC 0 92 高 于 小 湯 山 溫 室 ACC 0 90 這 說(shuō) 明 BPNN 預(yù) 測(cè) 的 效 果 優(yōu) 于 RHM BPNN 在 小 湯 山 溫 室 和 房 山 溫 室 表 現(xiàn) 較 好 表 明 BPNN 模 型 具 有 良 好 的 泛 化 性 為 實(shí) 際 生 產(chǎn) 中 黃 瓜 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 模 擬 提 供 了 有 價(jià) 值 的 參 考 3 2 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 估 算 模 型 的 效 果 評(píng) 估 圖2 為 兩 個(gè) 溫 室 內(nèi) 不 同 位 置 下BPNN 和RHM 估 算 值 與 實(shí) 測(cè) 值 之 間 的 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 比 較 在 小 湯 山 溫 室 和 房 山 溫 室 的RHM 結(jié) 果 中 數(shù) 據(jù) 偏 離 1 1 直 線 9 個(gè) 方 位 都 存 在 超 過(guò) 連 續(xù)2 個(gè) 小 時(shí) 以 上 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 沒(méi) 有 被 預(yù) 測(cè) 到 的 情 況 最 大 偏 差 為 12h 在BPNN 結(jié) 果 中 小 湯 山 和 房 山 兩 個(gè) 溫 室 的 預(yù) 測(cè) 值 和 實(shí) 測(cè) 值 具 有 較 好 的 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系 能 夠 準(zhǔn) 確 地 反 映 每 晚 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 RHM 和BPNN 的 統(tǒng) 計(jì) 指 標(biāo) 和 誤 差 表2 如 下 小 湯 山 溫 室 的BPNN 決 定 系 數(shù) R 2 0 87 優(yōu) 于RHM R 2 0 24 BPNN 預(yù) 測(cè) 效 果 RMSE 2 10 好 于RHM RMSE 5 15 BPNN MAE 1 81 相 比 于RHM MAE 3 81 具 有 更 小 的 誤 差 房 山 溫 室 的BPNN 決 定 系 數(shù) R 2 0 85 大 于 RHM R 2 0 09 BPNN 預(yù) 測(cè) 效 果 RMSE 1 87 好 于 RHM RMSE 4 58 BPNN MAE 1 61 表 1 B P N N 和 R H M 的 平 均 輸 出 結(jié) 果 比 較 Table1 ComparisonoftheaverageoutputresultsofBPNNandRHM 位 置 小 湯 山 房 山 模 型 BPNN RHM BPNN RHM 實(shí) 測(cè) 值 是 否 全 部 實(shí) 測(cè) 值 是 否 全 部 實(shí) 測(cè) 值 是 否 全 部 實(shí) 測(cè) 值 是 否 全 部 預(yù) 測(cè) 值 是 314TP 0 87 31 FP 0 07 345 224TP 0 62 5 FP 0 01 229 335TP 0 95 52 FP 0 10 387 226TP 0 64 12 FP 0 02 238 否 46 FN 0 13 383TN 0 93 429 136 FN 0 38 409TN 0 99 545 17 FN 0 05 451TN 0 90 468 126 FN 0 36 491TN 0 98 617 全 部 360 414 774 360 414 774 352 503 855 352 503 855 準(zhǔn) 確 度ACC 0 90 0 82 0 92 0 84 約 登 指 數(shù)J 0 80 0 61 0 85 0 62 1 3 9Vol 2 No 2 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 預(yù) 測(cè) 誤 差 低 于RHM MAE 3 36 結(jié) 果 說(shuō) 明 只 考 慮 相 對(duì) 濕 度 作 為 判 斷 葉 片 是 否 濕 潤(rùn) 具 有 很 大 的 局 限 性 而B(niǎo)PNN 綜 合 考 慮 環(huán) 境 因 子 使 得 模 型 具 備 良 好 的 估 算 能 力 3 3 不 同 位 置 和 天 氣 對(duì) 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 影 響 分 析 選 取2019 年3 月 至11 月 中 的18 天 4 月14 16 21 日 晴 天 4 月15 18 29 日 多 云 4 月19 20 24 日 小 雨 10 月5 6 8 日 晴 天 10 月7 9 10 日 多 云 10 月4 12 13 日 小 雨 分 析 不 同 方 位 天 氣 和 季 節(jié) 對(duì) 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 影 響 因 素 春 季 溫 室 內(nèi) 不 同 天 氣 和 位 置 的 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 方 差 分 析 結(jié) 果 圖3 a 表 明 晴 天 條 件 下 日 光 溫 室 內(nèi) 中 部 靠 北 和 西 北 相 比 于 東 部 東 南 中 部 靠 南 和 西 南 的 差 異 達(dá) 極 顯 著 水 平 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 小 于2h d 的 位 置 有 西 北 0 67h d 中 部 靠 北 0 67 h d 中 部 1 33 h d 和 東 北 1 00 h d 西 南 是 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 14 h d 最 長(zhǎng) 的 區(qū) 域 多 云 天 氣 條 件 下 東 北 中 部 和 中 部 靠 北 相 比 于 東 部 東 南 和 中 部 靠 南 具 有 極 顯 著 差 異 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 小 于2 h d 的 位 置 有 中 部 靠 北 0h d 中 部 1 33h d 和 東 北 1 67h d 中 部 靠 南 是 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 12 h d 最 長(zhǎng) 的 區(qū) 域 雨 天 的 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 相 對(duì) 于 晴 天 和 多 云 具 有 顯 著 差 異 溫 室 內(nèi) 所 有 位 置 的 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 均 大 于 12 h d 而 晴 天 與 多 云 之 間 無(wú) 明 顯 差 異 秋 季 溫 室 內(nèi) 不 同 天 氣 和 位 置 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 方 差 分 析 結(jié) 果 圖3 b 表 明 晴 天 天 氣 條 件 下 西 南 相 比 于 西 北 和 中 部 靠 北 具 有 極 顯 著 差 異 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 小 于2h d 的 位 置 有 西 北 0h d 中 部 靠 北 0 h d 西 南 是 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 10 h d 最 長(zhǎng) 的 區(qū) 域 雨 天 的 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 相 比 于 多 云 也 具 有 顯 著 差 異 溫 室 內(nèi) 所 有 位 置 的 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 均 大 于 10 h d 這 說(shuō) 明 晴 天 和 多 云 天 氣 條 件 下 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 空 間 分 布 總 體 規(guī) 律 是 南 部 中 部 北 圖 2 小 湯 山 和 房 山 溫 室RHM 和BPNN 估 算 值 與 實(shí) 際 值 的 比 較 Fig 2 ComparisonofRHMandBPNNestimatedvaluesandactualvaluesinXiaotangshanandFangshansolargreenhouses 表 2 R H M 和 B P N N 的 統(tǒng) 計(jì) 指 標(biāo) 和 誤 差 Table2 StatisticalindexesanderrorsofRHMandBPNN 地 區(qū) 小 湯 山 房 山 模 型 BPNN RHM BPNN RHM R 2 0 87 0 24 0 85 0 09 SD 5 91 5 91 4 81 4 81 MAE 1 81 3 81 1 61 3 36 MSE 4 42 26 53 3 50 20 97 RMSE 2 10 5 15 1 87 4 58 1 4 0劉 鑒 等 考 慮 日 光 溫 室 空 間 異 質(zhì) 性 的 黃 瓜 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 估 算 模 型 研 究 Vol 2 No 2 部 南 面 是 葉 片 濕 潤(rùn) 平 均 時(shí) 間 12 17 h d 最 長(zhǎng) 的 區(qū) 域 由 東 向 西 方 向 上 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 空 間 分 布 總 體 規(guī) 律 是 東 部 西 部 中 部 中 部 是 葉 片 濕 潤(rùn) 平 均 時(shí) 間 4 83 h d 最 短 的 區(qū) 域 雨 天 的 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 比 晴 天 和 多 云 長(zhǎng) 春 季 和 秋 季 分 別 為17 15 和17 41h d 4 討 論 與 結(jié) 論 本 試 驗(yàn) 基 于BPNN 模 型 估 算 小 湯 山 和 房 山 溫 室 內(nèi) 各9 個(gè) 方 位 的 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 平 均 絕 對(duì) 誤 差 MAE 分 別 為1 81 和1 61 h 與 已 報(bào) 道 的 小 麥 15 和 番 茄 17 有0 5 h 左 右 的 差 距 原 因 可 能 是 黃 瓜 葉 片 的 濕 潤(rùn) 特 性 與 小 麥 和 番 茄 不 同 22 盡 管 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 模 型 沒(méi) 有 明 確 環(huán) 境 因 子 和 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 之 間 的 關(guān) 系 變 化 但 它 強(qiáng) 大 的 特 征 提 取 能 力 非 常 適 合 在 數(shù) 據(jù) 挖 掘 時(shí) 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 輸 出 數(shù) 據(jù) 的 非 線 性 擬 合 所 以 仍 可 用 于 估 算 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 23 日 光 溫 室 內(nèi) 夜 間 溫 度 由 南 向 北 逐 漸 升 高 濕 度 與 之 相 反 白 天 輻 射 由 南 向 北 依 次 減 弱 中 部 溫 度 整 天 高 于 東 西 兩 側(cè) 18 24 本 研 究 中 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 分 布 規(guī) 律 在 南 北 向 與 溫 度 分 布 規(guī) 律 相 反 與 相 對(duì) 濕 度 和 輻 射 分 布 規(guī) 律 相 同 東 西 方 向 上 中 部 溫 度 較 高 濕 潤(rùn) a 春 季 溫 室 b 秋 季 溫 室 注 小 寫(xiě) 字 母 表 示 不 同 方 位 的 差 異 大 寫(xiě) 字 母 表 示 天 氣 之 間 的 差 異 不 同 字 母 之 間 表 示 具 有 統(tǒng) 計(jì) 學(xué) 意 義 上 的 顯 著 差 異 相 同 字 母 之 間 表 示 不 存 在 統(tǒng) 計(jì) 學(xué) 意 義 上 的 顯 著 差 異 顯 著 差 異 水 平 為0 05 N North 表 示 北 E East 表 示 東 圖 3 溫 室 內(nèi) 不 同 天 氣 和 位 置 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 的 方 差 分 析 Fig 3 AnalysisofvarianceofLWDindifferentweatherandpositions 1 4 1Vol 2 No 2 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 時(shí) 間 較 短 東 部 的 溫 室 出 入 口 使 東 部 溫 度 低 于 西 部 是 東 部 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 高 于 西 部 的 主 要 原 因 雨 天 溫 室 內(nèi) 相 對(duì) 濕 度 大 易 造 成 葉 片 濕 潤(rùn) 表 明 日 光 溫 室 環(huán) 境 因 子 的 差 異 性 會(huì) 影 響 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 本 研 究 使 用 了2019 年3 月 至11 月 小 湯 山 和 房 山 兩 個(gè) 溫 室 的 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 作 為BPNN 模 型 的 測(cè) 試 數(shù) 據(jù) 模 擬 效 果 較 好 但BPNN 模 型 能 否 預(yù) 測(cè) 不 同 季 節(jié) 和 不 同 品 種 的 黃 瓜 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 還 需 要 進(jìn) 一 步 驗(yàn) 證 后 續(xù) 可 利 用 不 同 品 種 不 同 年 份 和 不 同 地 區(qū) 的 實(shí) 際 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 驗(yàn) 證 模 型 從 而 提 高 模 型 的 泛 化 性 25 26 本 研 究 闡 述 了 葉 片 濕 潤(rùn) 時(shí) 間 在 水 平 方 向 上 的 異 質(zhì) 性 同 一 植