全 文 ：北缘地区柑桔生态区划模糊决策系统*
朱立武* * 李绍稳 孔娟娟 贾 兵
(安徽农业大学园艺系, 合肥 230036)
摘要 以年平均极端最低气温、活动积温、最冷月平均气温、年平均气温等作为区划决策的重要指标 ,综
合年降水量、最低气温 ! - 9∀ 年平均日数及地貌与海拔、水体调节、冷风屏障和土壤营养丰度、pH 值等立
地条件, 建立了北缘地区柑桔生态区划决策系统.引入 LR型模糊数, 确立了模糊识别模式, 并把模糊推
理模型放在知识库里, 将精确推理与模糊推理置于同一系统中进行复合推理, 使决策系统具有更广泛的实
用性. 以安徽柑桔生态区划为例,对系统进行了验证.本系统的开发为北缘地区发展柑桔生产提供了决策
工具.
关键词 柑桔 生态区划 模糊 决策系统
文章编号 1001- 9332( 2003) 04- 0502- 05 中图分类号 S666 文献标识码 A
Fuzzy decision system for ecological distribution of citrus in northcultivatedmarginal area. ZHU Liw u, L I
Shaowen, KONG Juanjuan, JIA Bing ( Depar tment of Hor ticultur e, A nhui Agr icultural Univer sity , H ef ei
230036, China) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 2003, 14( 4) : 502~ 506.
The fuzzy decision system for ecological distr ibution of citr us in northcultivatedmarg inal area w as established by
using the data of mean ex treme low temperature, accumulated act ive temperature ( #12. 5 ∀ ) , mean tempera
ture in coldest month, annual mean temperature integrated w ith annual precipitation, days w ith mean ex treme
low temperature below - 9 ∀ , physiognomy, elevation, inland water body, cold air barr ier , and soil nutritio n
and pH value. T he complex reasoning model with imprecision was used in the decision system by introduction of
LR fuzzy number and recognition formula, which made the decision system have a wide range o f application in
pr actice. An example of apply ing the decision system w as test ed in Anhui pro vince. The result showed that the
development of the decision system would provide a useful tool for the decision of t he ecological distribution of
citrus in northcultivatedmarg inal area.
Key words Citrus, Ecological distribution, Fuzzy, Decision system.
* 安徽省∃ 九五%攻关资助项目( 9911009) .
* * 通讯联系人.
2002- 11- 04收稿, 2002- 12- 22接受.
1 引 言
我国长江中下游北纬 30&左右的地区是柑桔栽
培的北缘地区, 热量不足是柑桔大面积商业生产的
主要限制因子[ 6] . 多年的生产实践表明, 在年平均
温度> 15 ∀ 、最冷月( 1 月)平均温度> 5 ∀ 、平均极
端最低温度#- 5 ∀ (柑桔三∋5( 线)条件下, 能够满
足宽皮桔类生长对温度的基本需求,甜橙与柚类、柠
檬类对温度的要求更高. 活动积温、降水量、小气候
及土壤等因素对柑桔的分布也有较大影响[ 9, 14] .
20世纪 80、90年代,我国柑桔北缘地区因缺乏
精确、合理的生态区划, 栽培中存在很大的盲目性,
给生产带来巨大损失. 柑桔栽培北缘地区生态区划
具有很强的模糊性, 要采用模糊的方法处理, 而且影
响柑桔果树分布的生态因子复杂众多. 因此, 必须通
过人工智能决策,才能更确切地判断区域栽培柑桔
的适应性程度, 得到更加合理的生态区划结
论[ 3~ 5, 13] .为了实现系统平台上的不精确推理, 我
们把不精确性知识以及不精确传播算法表达在知识
库中,从而借助现有的精确推理策略,实现不精确推
理[ 7, 8] .本文探索建立北缘地区柑桔生态区划模糊
决策系统,此项研究目前国内尚未见报道.该决策系
统的研究与开发, 对指导我国柑桔北缘地区的适地
适栽及可持续发展将具有特殊意义.
2 研究地区与研究方法
2 1 自然概况
我国柑桔栽培北缘地区, 主要指浙江、上海、安徽、江苏、
江西、湖南、湖北等省市的北纬 30&左右的地区, 属于北亚热
带, 气候、地形复杂多样[ 15] .
安徽省是柑桔栽培北缘地区的典型, 位于 114&54)~
119&39)E、29&23)~ 34&39)N, 地跨长江、淮河; 地形分为淮北
平原、江淮丘陵与大别山地、皖中平原、皖南山地等 4 部分;
气候类型多样, 淮河南北分属北亚热带湿润气候区和暖温带
半湿润季风气候区, 具有明显的南北过渡性气候特征. 该地
区是南方常绿果树分布的北缘地区, 北方落叶果树商业栽培
应 用 生 态 学 报 2003 年 4 月 第 14 卷 第 4 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Apr . 2003, 14( 4)∗502~ 506
的南沿.
22 研究方法
221 区划决策指标设计 柑桔属亚热带常绿果树, 喜温暖
湿润气候,大于 12. 5 ∀ 的活动积温不足会影响其正常生长
发育, 冬季低温冻害是生产栽培的限制因子; 夏季降水量与
柑桔果实品质密切相关,降水量过小, 果实小风味差, 降水量
过大,风味淡且易裂果; 适宜的小气候条件, 如冷风屏障、水
体调节等有利于柑桔的局部区域发展; 土壤条件的适合程
度,影响柑桔优质、丰产栽培的难易程度.柑桔对光照时间要
求不严格, 最适光照强度为 12000~ 20000Lux [ 9] , 光照强度
在 1000~ 10000Lux, 在 10~ 30 ∀ 的温度中, 光合强度基本相
同[ 14] .
根据柑桔生态要求选择适当的区划决策指标是系统研
制的关键.本文以多年年平均极端最低气温、活动积温、最冷
月平均气温、年平均气温等作为区划决策的重要指标, 综合
年降水量、小气候条件(地貌与海拔、水体调节、冷风屏障)和
土壤(营养丰度、pH 值)等因素建立柑桔生态区划决策系统.
根据模糊决策系统原理, 应用 Visual Basic语言进行开
发.系统运行于Windows 9. x 环境下, 是一个开放的能够进
行多种知识表示与处理的智能决策系统(图 1) .
222 区划决策模型建立 设: U= 地域, t i + U( i = 1, 2,
3, . . . . . . , n) ,区划数学模式 P( t i) = { t ij , j = 1, 2, 3, 4, 5, 6}
= { t i1 , t i2 , t i3 , t i 4, t i5 , t i 6} , 其中, t i1 ! 年极端最低气温; t i 2
! 大于 12. 5 ∀ 的活动积温; t i3 ! 最冷月平均温度; t i4 ! 年平
图 1 柑桔生态区划模糊决策系统结构
Fig. 1 S tructure of fuzzy decision system for ecological dist ribut ion of
citurs.
1. User, 2. Ex changing interface, 3. Model available module, 4. Consulta
t ion and explainat ion module, 5. Knowledge available module, 6. Model
base module, 7. Automat ic reasoning module, 8. Establishment of deci
sion module, 9. Data base module including analysis, consultation and
management of data, 10. Know ledge base module including mult imedia
and role base and know ledge of specific field and expert .
均气温; t i5! 年降水量; t i6! 最低气温 ! - 9∀ 年平均日数.
按柑桔生态区划指标具上限、下限的特点,引入 LR 型
模糊数: T j = ( m j , , ) LR ,定义适当的隶属函数:
T
j
( t
i j
) =
L (
m j - t ij ) , t ij ! m j , > 0;
R (
t ij - m j ) , t ij # m j , > 0
根据柑桔冻害客观实际表现, 分别取 F( x ) = e- x 2;
F)( x ) = 1, 当 X + [- , ] , # 0;
0, 其它.
3 结果与分析
31 北缘地区柑桔生态区划策略
311 区域气象指标对柑桔种类适应性隶属度 柑
桔是多年生经济作物, 遭受轻微冻害只要不是整株
死亡仍能逐渐恢复正常生长,一般枝条受冻后 2~ 3
年即可恢复产量. 如果平均 5年受到 1次中度冻害,
柑桔经济产值即明显下降而失去生产意义.在柑桔
北缘地区,若平均 10年才遇到 1 次中度冻害,至少
可以保证 7年的正常产量. 因此, 一般认为,在柑桔
北缘地区冻害发生频率在 10%以内,最低气温 ! -
9 ∀ 的年平均日为 0 天、平均极端最低气温为-
7. 2 ∀ 左右,属于宽皮桔类生产安全范畴; 最低气温
! - 7 ∀ 的年平均日为 0天、平均极端最低气温为-
5. 2 ∀ 左右,属于甜橙和柚类生产安全范畴; 最低气
温 ! - 3 ∀ 的年平均日为 0天、平均极端最低气温为
0 ∀ 左右,属于柠檬类生产安全范畴[ 14] .
将北缘地区能成功栽培宽皮桔类地域的隶属度
定为 0. 9, 由此推断 , 7, , 4;而 mj为主值,这里
分别为 m 1= - 5, m 2= 1400, m 3= 5, m 4= 15, m 5=
1500, m 6= 0.
令: T 1 ! 接近 t i 1= - 5 ∀ 的 ti 1 − - 5; T 2 ! 接
近 ti 2= 1400 ∀ 的 ti 2 ! 1400; T 3 !接近 t i3= 5 ∀ 的t i 3
! 5; T 4 !接近 t i4= 15 ∀ 的 t i 4 ! 15; T 5 !接近 ti 5=
1500mm 的 ti 5 ! 1500; T 6 ! 接近 t i 6= 0 天的 t i 6 !
0. 得出:
T
1
( t
i1
)
=
L (
- 5- ti1
7
) ! e - (- 5- ti17 )2, ti1 ! - 5;
R(
t i1+ 5
4
) ! 1, ti 1 #- 5
T
2
( t
i2
)
=
L (
1400- t i2
7
) ! e- ( 1400- ti27 )2, ti 2 ! 1400;
R (
ti 2- 1400
4
) ! 1, ti 2 # 1400
5034 期 朱立武等:北缘地区柑桔生态区划模糊决策系统
T
3
( t
i3
)
=
L (
5 - ti 3
7
) ! e - ( 5- ti37 ) 2, t i 3 ! - 5;
R (
t i1 + 5
4 ) ! 1, ti 3 #- 5
T
4
( t
i4
)
=
L (
15 - t i 4
7
) ! e- ( 15- ti47 ) 2, t i 4 ! 15;
R (
t i 4- 15
4
) ! 1, t i 4 # 15
T
5
( t
i5
)
=
L (
1500- ti5
7
) ! e- (1500- ti57 )2, ti5 ! 1500;
R(
ti 5- 1500
4 ) ! 1, ti5 #1500
T
6
( t
i6
)
=
L (
0 - t i 6
7
) ! 1, ti 6 = 0;
R (
ti 6- 0
4
) ! e- ( ti64 ) 2, ti 6 # 0
设: T ! 柑桔种类适宜气候生态区域, T + ! ( U ) ;
T ( !与 ti 相近的区域, T ( + !( U) ;
令: T (ti) ! N( T, T ( ) ! 1- .n
j = 1
∀j (1- Tj ( tij ))2, 其
中, N ( T , T ( )为贴近度; r j 为 t ij的重要程度, 且
.6
j= 1
∀j ,综合专家意见分别取 r 1= 0. 3, r 2= 0. 15, r 3
= 0. 2, r 4= 0. 10, r 5= 0. 15, r 6= 0. 10. 通过运算可
得到各区域对宽皮桔类栽培气象指标的适应性隶属
度.
同理可得各区域分别对甜橙与柚类、柠檬类栽
培气象指标的适应性隶属度. 按照各区域对柑桔种
类栽培气象指标的适应性隶属度,提出适宜发展的
柑桔种类:种类 1= 柠檬类, 种类 2= 甜橙与柚类, 种
类 3= 宽皮桔类.
312 区域立地条件影响因素 区域的立地条件对
柑桔栽培生态条件的适宜程度具有一定的影响. 一
般基于二值逻辑的开发平台, 在柑桔栽培北缘地区
小气候生态区划上往往表现出很强的模糊性, 需要
采用模糊的方法去处理和解决[ 2, 11] .为了实现系统
平台上的不精确推理, 我们把不精确性知识以及不
精确传播算法表达在知识库中, 从而借助现有的精
确推理策略,实现不精确推理.
为此,我们在系统中引入了基于∃三 I%机制的
特征展开模糊推理模型[ 10, 12] :
更新算法 1 #k+ 1= ∃k / #k ;
更新算法 2 #k+ 1= ∃k / /m
j = 1
#kj ;
合并算法 3 #k+ 1= 0n
i = 1
( ∃kj / /
m
i
j = 1
#k ij ) .
其中,#为特征系数, 反映证据和结论的信度; ∃为支
持度,代表了规则强度.决策系统中重点选择了地貌
(山地、丘陵、盆地、平原,南坡、西坡、东坡、北坡)与
海拔高度、冷风屏障、水体(大型水库、内陆湖泊)调
节影响因素, 进一步推算出小气候条件对发展柑桔
种类支持的隶属度(图 2) .
图 2 柑桔生态区划模糊决策系统推理网络图
Fig. 2 Reasoning netw ord of fuzzy decision system of ecological dist ribu
tion of citurs.
1. Decision result , 2. Limited factor, 3. Suited cultivars, 4. Soil nut rient ,
5. Soil pH , 6.Connect degree of meteorological factors, 7. Connect degree
of local factors, 7. Connect degree of local factors, 8. Soil improvement ,
9. Cold protect ion, 10. Soil t ype, 11. Elevat ion, 12. Variety 1, 13. Variety
2, 14. Variety 3, 15. Cold air barrier, 16. Inland w ater body, 17. Mean
ext reme low temperature, 18. Accumulated act ive temperature ( #
12. 5 ∀ ) , 19. Mean tem perature in coldest month, 20. Annual mean tem
perature, 21. Annual precipitation, 22. Days w ith mean extreme low tem
perature below - 9 ∀ .
在知识库中, 采用∃规则+ 规则体%的规则组知
识表示方法:
RULE 01 / * 初始化特征系数* /
IF 小气候, 小气候适宜程度 THEN #1
RB{
DOCASE 小气候:
CASE ∃坡向%:
{ IF 坡向= ∃南坡% THEN {#1= 1; } ;
IF 坡向= ∃西坡% THEN {#1= 0. 95; } ;
IF 坡向= ∃东坡% THEN {#1= 0. 90; } ;
IF 坡向= ∃北坡% THEN {#1= 0. 85; } ; }
11
END; }
11
504 应 用 生 态 学 报 14卷
RULE 05 / * 适宜种类* /
IF 柑桔种类, 坡向, #1, 海拔高度, #2, 冷风屏
障,#3,水体, #4 THEN 种类 1, #5, 种类 2, #6, 种类
3,#7
RB{
IF 区域气象指标适宜种类= ∃宽皮桔类%AND
坡向= ∃东坡% AND 海拔高度= ∃偏高% AND 冷风
屏障= ∃有、较矮% 水体= ∃有、较小% THEN {
种类 1= ∃宽皮桔类%;
∃1= 0. 90;
5= fuzzy_m infive( #1, #2, #3, #4, ∃1) ; } ;
IF 区域气象指标适宜种类= ∃甜橙和柚类%
AND坡向= ∃南坡% AND 海拔高度= ∃适中% AND
冷风屏障= ∃无% 水体= ∃无% THEN {
种类 1= ∃皮桔类%;
种类 2= ∃甜橙和柚类%;
∃1= 0. 95;
∃2= 0. 90;
#5= ∃1;
#6= fuzzy_m inthree( #3, #4, ∃2) ; } ;
IF 区域气象指标适宜种类= ∃柠檬类% AND 坡
向= ∃南坡% AND海拔高度= ∃适中% AND 冷风屏
障= ∃有、较大% 水体= ∃有、较大% THEN {
种类 1= ∃宽皮桔类%;
种类 2= ∃甜橙和柚类%;
种类 3= ∃柠檬类%;
∃1= 1. 0;
∃2= 0. 95;
∃3= 0. 90;
#5= ∃1;
#6= ∃2;
7= ∃3; } ;
11
}
32 决策系统检测运行结果
本文以安徽为例[ 1] , 对该模糊决策系统进行检
测.所有推理过程均按图 1、图 2 结构进行, 系统运
行于Windows 9. x 环境下, 运行结果以地理信息的
形式显示出来. 根据区域对柑桔种类栽培气象指标
的适应性隶属度、区域小气候条件对发展柑桔种类
支持的隶属度, 结合区域土壤条件,提出适宜发展的
柑桔种类、适宜程度、主要限制因子、土壤改良与防
寒具体措施(图 3) .
图 3 北缘地区柑桔生态区划模糊决策系统运行结果(以安徽为例)
Fig. 3 Reasoning result of fuzz y decision system for ecological dist ribu
tion of citurs in north cultivatedmargin area ( in Anhui) .
4 讨 论
41 区划指标客观性与决策系统的实用性
前述主值 mj 是长期实践经验的产物(柑桔三
∋5( 线) ;而参考函数F ( x )和F ( ( x )是根据柑桔冻
害客观实际进行逻辑推理选定的. 区划中各气象指
标 tij的重要程度 r j 不一样, 年平均温度 t i4是基本
参考依据,最冷月平均温度 t i 3概略反映低温状况,
对柑桔成功栽培构成威胁的是年平均极端最低温度
t i1、低温持续时间 ti 6. 因此, 根据专家知识把 r j 赋
予适当的权重十分关键. 决策系统不仅以柑桔生长
发育所需的温度因子为主要指标,还考虑了降水量、
土壤和坡向、湖泊等局部生态因子的效应.并根据区
域条件提出土壤改良与防寒具体措施, 反映问题较
全面.
安徽省宿松县位于长江中下游, 根据历史气候
资料记载,该县柑桔在 40年中曾发生了 4次( 1954
5054 期 朱立武等:北缘地区柑桔生态区划模糊决策系统
~ 1955, 1968~ 1969, 1976~ 1977, 1990~ 1991)中度
以上冻害,平均 10年 1次[ 6] . 因此,在区划决策中将
北缘地区柑桔成功种植的隶属度确定为 1- 10- 1=
0. 9左右, 分别解出 , 7、, 4, 作为区划决策的基
值.本决策系统兼有客观、主观双重性, 以安徽省为
例的运行检测结果是切合实际的,本决策系统可以
在浙江、江苏、江西、湖南、湖北等北缘地区柑桔区划
中推广应用.
42 关于精确推理与模糊推理
本系统将模糊推理模型放在知识库里, 突破了
传统的不精确性传递计算在推理机构中进行, 只能
是统一的不精确推理机制的做法,可以将精确推理
与模糊推理(不精确推理)置于同一系统中进行复合
推理.在有模糊性的地方用模糊推理,在不需要用到
模糊推理的地方只用精确推理, 这不仅符合人类专
家的推理思想, 也更符合实际情况.如在本系统的小
气候适应性方面,由于适宜程度的模糊性,则需要用
到模糊推理,而在土壤改良部分, 缺素量、缺素原因
本身就是一个计算判断过程, 根本不存在模糊性, 这
里只需用精确推理.这样使决策系统具有更广泛的
实用性.
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作者简介 朱立武, 男, 1961 年 11 月生, 副教授, 硕士生导
师. 主要从事果树学教学、科学研究工作, 已发表论文 45 篇.
Email: zhuliwu@ ah163. com
506 应 用 生 态 学 报 14卷