全 文 ：下辽河平原多熟种植农业生态模式
专家系统设计Ⅰ.系统设计思想*
梁文举　闻大中　沈善敏　(中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳 110015)
D. D. Calvin　M . C. Saunders　E. G. Rajot te　J. E. M cClure　
(美国宾夕法尼亚州立大学, PA 16802)
郑秉林　刘怫翔　(东北大学, 沈阳 110006)
【摘要】　以下辽河平原为背景, 以多熟种植农业生态模式为研究对象,描述了多熟种植农
业生态模式在下辽河平原的实践,应用农业生态学原理, 提出了多熟种植农业生态模式专
家系统设计思想; 运用专家系统、地理信息系统和关系数据库管理系统相集成的方法论述
了系统总体结构设计原理. 本文在理论上试图为应用现代计算机高新技术从事区域农业
生态系统管理探索一条新路 .
关键词　多熟种植农业生态模式　专家系统　地理信息系统　关系数据库管理系统　下
辽河平原
Expert system design for agroecological patterns of multiple cropping in Lower Reaches
of Liaohe Plain Ⅰ.Design thought of the system. L iang Wenju, Wen Dazhong and Shen
Shanmin ( I nstitute of App lied Ecology , Academia S inica, S henyang 110015 ) , D. D .
Calvin, M . C. Saunder s, E. G . Rajo tte and J. E. McClure ( T he Pennsy lv ania S tate Univ er si-
ty , Univ ersity P ark , PA 16802, US A ) , Zheng Binglin, L iu Fuxiang (N or theast Univers ity ,
Shenyang 110006) . -Chin. J . App l. E col. , 1996, 7( 3) : 321～325.
In this paper the practice o f ag ro eco lo gical patterns of multiple cr opping in t he Low er
Reaches of L iaohe Plain is described. The design thought of an expert sy stem of ag ro eco-
lo gical patterns of mult iple cropping is put forward by apply ing the principles o f ag r oecol-
ogy , and the design pr inciples for ov erall str uct ur e of the system is descr ibed w ith the in-
teg rated approach of expert system ( ES) , g eog raphic info rmation system ( G IS) and rela-
tional database management sy stem ( RDBMS) . A new approach to the management o f r e-
gional ag ro ecosystems is theo retically explor ed by means of high and new techno log y of
computer .
Key words　Mult iple cropping , Ag ro ecolog ical patterns, Expert system, Geog raphic in-
formation system, Database management sy st em, Low er Reaches o f L iaohe P la in.
　　* 中国科学院“八
五”重大资助项目.
　　1995年12月14日收到, 1996年4月9日改回.
1　引　　言
农业是基于知识系统和传统通讯技术
得以应用的具有很大潜力的领域. 在该领
域开发出来的专家系统多数应用于管理作
物害虫、诊断作物病害[ 6] , 少数用于决策农
业宏观区域问题. Em ilien 和 Grabshi[ 8]提
出的农业地理信息系统用于辅助设计国家
层次上的农业规划.该系统能将专家系统
壳、数据库管理系统和地理信息系统集成
在一起,用于确定单一作物对特定地区的
适宜性.在多熟种植系统中,有关专家系统
应 用 生 态 学 报　1996年7月　第7卷　第3期　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , July 1996, 7( 3) 321～325
已有报道[ 2, 13, 15] .但这些系统表示的分析
结果并不直观, 都没有与地理信息系统相
集成. 下辽河平原多熟种植农业生态模式
专家系统设计是在上述研究的基础上以专
家系统、地理信息系统、关系数据库管理系
统相结合,开发出集成的专家系统,试图解
决区域层次(省、县、乡)上的多熟种植模式
生态适宜性问题.
2　多熟种植在下辽河平原的实践
下辽河平原地区位于辽宁省中部,处
于40°19′～42°11′N、121°14′～123°29′E,包
括沈阳、鞍山、辽阳、营口、盘锦、锦州 6个
市的 233个乡镇, 土地总面积1. 98×104
km2 ,农村人口5. 4×106人, 耕地面积8. 76
×105 hm 2, 总播种面积9. 02×105 hm2 ,生
产粮食为5. 32 t
hm- 2 , 粮食商品率约为
45% .该地区海拔低于50 m, 属于半湿润
气候区, 年均气温8～10℃, 无霜期160～
180 d, 平均降水量600～700 mm , 主要土
壤类型有草甸土、水稻土、盐碱土、沼泽土.
主要作物有玉米、水稻、高粱、大豆、春小
麦. 单作占主导地位. 近年来,该地区也开
发出一些高产、高效、持续、多样的多熟种
植农业生态模式(表1) . 例如,在小麦间作
玉米模式中,小麦产量为4. 5 t
hm- 2 ,玉米
为10. 5 t
hm - 2.在春小麦复种蔬菜的模式
中, 小麦产量为3. 30～4. 50 t
hm - 2, 蔬菜
为10. 0～75. 0 t
hm- 2 ;复种的经济效益是
清种玉米的3～4倍 [ 4] . 在辽宁省多熟种植
模式中,以春小麦为前茬的模式占41% ,其
中小麦间套玉米面积占34. 3% ,间套大豆
面积占14. 3% ,小麦间套高粱和小麦复种
水稻面积很小,
表1　以春小麦为前茬的多熟种植农业生态模式[ 3]
Table 1 Spring wheat-based agroecological patterns for multiple cropping
模　式
Pat ter n
地　点
Si te
年份
Year
下茬作物
Succeeding crop
产　量
Yield
( t
hm- 2)
小麦/玉米 Wheat / corn 沈阳 Shenyang 1991～1992 玉米 Maize 10. 55
小麦/高粱 Wheat / sorgh um 沈阳 Shenyang 1992 高粱 S orghum 6. 31
小麦/大豆 Wheat / soybean 西丰 Xifen g 1992～1993 大豆 S oybean 4. 40
小麦/花生 Wheat/ pean ut 黑山 Heishan 1988～1989 花生 Peanut 4. 43
小麦/西瓜 Wheat / w atermelon 黑山 Heishan 1990 西瓜 Water melon 22. 80
小麦-水稻 Wheat-rice 台安 Taian 1992 水稻 Rice 8. 25
小麦-玉米 Wheat-corn 辽阳 Liaoyang 1991 玉米 Maize 15. 77*
小麦-糜子 Wheat-panic 盘山 Panshan 1990 糜子Panic 3. 36
小麦-大豆 Wheat-soybean 辽中 Liaozhong 1991 大豆 S oybean 3. 53
小麦-绿豆 Wheat-mun g bean 新城子 Xinchengzi 1989 绿豆 Mung bean 1. 58
小麦-芸豆 Wheat-k idney bean 黑山 Heishan 1985 芸豆 Kidney bean 10. 31
小麦-豇豆 Wheat-st rin g bean 黑山 Heishan 1985 豇豆 S t ring bean 11. 25
小麦-青椒 Wheat-bell peper 黑山 Heishan 1992～1993 青椒 Bel l peper 36. 67
小麦-黄瓜 Wheat-cu cumber 黑山 Heishan 1985 黄瓜 Cucumber 35. 13
小麦-西瓜 Wheat-w atermelon 开原 Kaiyuan 1990 西瓜 Cucumber 33. 60
小麦-马铃薯 Wheat-potato 黑山 Heishan 1985 马铃薯 Potato 21. 93
小麦-向日葵 Wheat-su nflower 辽阳 Liaoyang 1980 向日葵 Sun flower 1. 50
小麦-甜菜 Wheat-su gar beet 黑山 Heishan 1990 甜菜 Sugar beet 40. 35
小麦-大萝卜 Wheat-radish 黑山 Heishan 1985 大萝卜 Radish 75. 00
小麦-胡萝卜 Wheat-carrot 铁岭 Tieling 1989 胡萝卜 Carrot 37. 89
小麦-大葱 Wheat-leek 辽中 Liaozhong 1989 大葱 Leek 45. 00
小麦-甘蓝 Wheat-cabbage 黑山 Heishan 1985 甘蓝 Cabbage 72. 27
小麦-菜花 Wheat-caul ifl ow er 黑山 Heishan 1985 菜花 Caulif low er 26. 25
小麦-大白菜 Wheat-Chin es e cabbage 黑山 Heishan 1985 大白菜 Chin ese cabbage 112. 50
* 混合产量 Mixed yield .
322 应　用　生　态　学　报 7卷
并处于试验之中. 这些多熟种植农业生态
模式主要集中在辽河平原地区.
因此, 农业决策人员需要运用管理多
熟种植系统的专门知识,探索这些模式在
自然条件相似地区的适应性, 制定出科学
的决策方案.
3　系统总体设计思想
3. 1　系统设计思想
多熟种植农业生态模式专家系统设计
的关键是确定这些模式对不同地区的适宜
性.某一地区多熟种植农业生态模式的适
宜性取决于农业生态条件和作物适应能
力,因而需要调查农业生态条件的时空分
布,评价农作物生产对其自然环境资源的
可利用性 [ 11] . 一旦获得农业生态条件数
据,就有可能将该地区划分成同质的农业
生态单元[ 5, 8] . 在每个同质的农业生态单
元中,诸如气候、水资源可利用性、土地和
土壤特性等作物生产的农业生态条件是相
同的或相似的. 这些同质农业生态单元是
决定农业生态模式适宜性的基本区域单
元.在作物适应性调查中,要辨识作物与农
业生态模式对气候、土壤特性和水资源可
利用性的生态要求.最后,比较作物与模式
对生态条件的要求,选择适宜于每个同质
农业生态单元的农业生态模式.如果某一
特定模式所需的条件均满足要求, 则该模
式被认为是适宜的(图1) .
　　确定多熟种植农业生态模式的适宜性
涉及到诸多领域的知识, 需要考虑气候、土
壤、水资源等农业生态条件信息,农作物选
择及品种的特性等信息和少耕、免耕、轮
作、育苗移栽、地膜覆盖等农艺技术的知识
(图2) .
3. 2　系统总体设计原理
图1　多熟种植农业生态模式专家系统设计思想
Fig. 1 Des ign th ought of exp ert system of agroecological pat terns for mul tiple croppin g.
3233期　　　　　　　梁文举等: 下辽河平原多熟种植农业生态模式专家系统设计Ⅰ. 　　　　　
图2　多熟种植农业生态模式设计中的知识结构
Fig. 2 Knowledge relevant to designin g agroecological
patterns for m ult iple cropping.
专家系统是近年来人工智能走向实用
化研究中最引人注目的一个分支, 实际上
是一种以知识为基础,广泛地利用专门知
识求解问题,达到人类专家水平结论的计
算机程序系统 [ 12] . 专家是在某一特定领域
具有专门知识的人; 专家系统的知识或专
门知识或者是来自于书籍、杂志及拥有知
识的人. 专家系统术语——基于知识系统
或基于知识的专家系统通常用于同一
词[ 7, 12, 14] . 多数人简称为专家系统. 尽管在
其专家系统中没有专门知识, 仅有一般知
识,还是称之为专家系统[ 12] . 它不同于一
般的计算机系统, 主要特点是: 1)启发性,
运用专家知识和经验进行推理和判断; 2)
透明性,系统能解释本身的推理过程,并回
答用户提出的问题; 3)灵活性,系统能不断
地增长知识和修改原有的知识; 4)针对性,
即一个特定的专家系统完成的任务领域比
较窄,解决的问题也较专; 5)实用性,强调
适用性,解决人们的生产实践、科学研究及
其它领域的实际问题[ 1] .
本系统的设计与开发结合和集成了关
系数据库系统、地理信息系统和基于知识
系统中的许多概念和技术, 用于确定下辽
河平原地区多熟种植农业生态模式的适宜
性. 其基本结构包括6个部分: 1)用户, 通
过图形用户界面直接将管理对象进入到系
统; 2) 图形用户界面, 系用户与系统之间
通讯的桥梁,通过用户界面,将建议和支持
信息构成的中间和最终结果传给用户, 在
决策中评价和使用; 3)连接管理系统,解决
同一计算机之内或不同计算机之间的通讯
问题; 4)空间数据库,由工作站 ARC/ IN-
FO( GIS )
[ 9]建立的空间数据库, 通过 PC
ArcView
[ 10]的 IM PORT 命令转换成二进
制数据文件,提供与其它系统进行通讯; 5)
关系数据库, 为专家系统推理提供所需要
的事实来源; 6)知识库,是专家系统的核心
部分,由存放着以一定形式表示的专家系
统知识、经验、书本知识及常识,以备推理
判断之用的相关网络组成(图3) .建立这样
一个系统结构是因为这种集成系统的每一
个部分在发挥系统总体功能上都有些优缺
点. 地理信息系统可以获取和描述空间问
题及其空间关系,储存和管理大量复杂的
和异质的空间数据, 利用空间或地理模
型组织可以利用的信息, 有效地管理和分
图3　系统结构及主要组成
Fig. 3 St ructure and m ajor comp on ents of the system.
324 应　用　生　态　学　报 7卷
析空间数据,能够进行简单的地图叠加和
复杂的空间分析, 便于多种显示.然而,地
理信息系统缺乏推理能力, 并不适宜于解
决非结构化问题, 缺乏更新数据的灵活性,
而利用关系数据库管理系统管理与更新数
据非常容易.基于知识系统最适合于处理
非结构化问题, 而且易于进行推理和结论
解释.地理信息系统、基于知识系统和关系
数据库管理系统的集成可以避免每个系统
中存在的某些限制条件和困难.
4　结　　语
多熟种植农业生态模式专家系统设计
是农业生态系统管理中一个崭新的领域.
由于这类专家系统设计和开发较为复杂,
因而该领域研究进展缓慢. 此外,系统要求
农业管理人员应该对人工智能技术有深入
的了解,很好地掌握计算机技术,广泛地收
集多熟种植领域的专门知识和专家经验和
熟悉直观显示多熟种植模式适宜性的 GIS
技术. 以往开发出来的许多计算机模型非
常复杂,且不直观,多数用户必须花费大量
的精力去学习和掌握这些技术, 而这种集
成系统有助于数据准备、地图显示、提供图
形用户界面,图形用户界面能直接解决这
些复杂问题,一步一步地引导用户得出结
论.因此,开发这样集成的专家系统可以传
递专门知识和领域专家的经验, 为农业决
策者提供直观的、可解释的建议,有助于农
业管理决策的科学化和实用化.
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