全 文 ：第 17 卷 第 6 期
Vol. 17 No . 6
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2009 年 11 月
Nov. 2009
红三叶栽培管理专家系统构建
钟华平1 , 樊江文1* , 宋璐璐1, 张文彦1 , 张 健2
( 1. 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101; 2. 重庆市畜牧科学院, 重庆 400015)
摘要 : 本文介绍了红三叶( T r if olium p ratense L. )栽培管理专家系统的设计思路与结构体系。该系统以地理信息
系统( GIS)和数据库管理系统为开发平台, 建立了以草地资源环境综合信息、红三叶试验观测数据等为基础的数据
库,并构建相关模型, 实现在我国南方山区,红三叶品种选择、播种、灌溉、施肥、刈割利用等栽培技术的决策 ;同时
对不同管理措施下红三叶生长情景进行预测,并提供相应的目标管理决策建议。该系统有红三叶基本信息、草地
资源环境综合信息数据与模型、红三叶栽培技术决策、红三叶生长情景预测与目标管理决策 4 个模块。通过系统
运行,可实现红三叶栽培管理信息的查询、栽培技术的智能决策, 以及红三叶生产情景预测和目标管理的科学决
策,为用户提供咨询服务。
关键词:红三叶; 栽培管理;专家系统
中图分类号: S126 文献标识码: A 文章编号: 1007-0435( 2009) 06-0752-08
Design and Implementation of an Expert System for Red Clover
(Trif olium p ratense L. ) Cultivation and Management
ZHONG Hua- ping 1 , FAN Jiang-w en1* , SONG Lu-lu1 , ZHANG Wen-yan1 , ZHANG Jian2
( 1. Ins titute of Geograph ical S cien ces and Natural Resources, Chin ese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
2. Chong qin g Academ y of An imal S cien ces , Ch on gqing 400015, China)
Abstract: T he funct ion and st ructure of the expert system for red clov er cult ivat ion and management is in-
troduced in this ar ticle. This expert system is const ructed on the GIS and the SQL server database manage-
ment system. And its funct ions includes four modules: the basic information about red clover, the data-
base of the g rassland resource and env ir onmental informat ion, the decision-making of red clov er cultiv at ion
techniques, and grow ing scenario for ecast and decision-making of the target management about red clo ver
cult iv at ion. M eanwhile, the w hole pro cess of red clover indust rialization are considered systemat ically such
as selection o f suitable red clover species and suitable period of cult ivat ion, sow ing management , scient ific
irrigat ion modes, rational fert ilizat ion and diagnose of fert ilizer sho rtag e, diagnose and contro l of diseases,
pests and w eeds, suitable harv est t ime, yield modeling in dif ferent management factors, quality assess-
ment etc, based on the topography , w ater resour ces, soil condit ion, climate and o ther productive cond-i
t ions in the mountainous areas o f South China. The user can not only acquire abundance information and
know ledge about r ed clover w ith the expert sy stem, but also be supplied the t imely and scient if ic ser vice
and suppor t of the technolo gy for r ed clover industrialized pr oduct ion.
Key words: Red clover; Cult ivat ion and management ; Expert sy stem
红三叶( Tr if olium p ratense L. )又叫红车轴草、
红荷兰翘摇,以其营养丰富、蛋白质含量高而被视为
优质牧草;同时红三叶生长快,根系发达,地面覆盖度
高,也是良好的水土保持植物, 在我国畜牧业生产和
生态环境建设中发挥了重要作用。目前,红三叶在我
国南方山区有广泛栽培 [1~ 3] , 但我国在牧草栽培管理
专家系统研发方面起步很晚,与农作物栽培专家系统
开发相比,牧草栽培管理系统研发的基础、技术等相
对薄弱。农作物栽培专家系统有比较成熟的开发平
台,开发出许多作物品种专家系统[ 4~ 7] ,如玉米( Zea
mays )、小麦( Tri ticum aestivum )栽培管理专家系统
等;而牧草栽培管理专家系统的研发相对缺乏, 如孟
林[ 8]对紫花苜蓿进行了专家系统开发,陈全功 [9, 10]开
发中国草业开发与生态建设专家系统。本文是在我
收稿日期: 2008-12-09; 修回日期: 2009-11-04
基金项目: / 十一五0国家科技支撑计划( 2006BAD16B07)
作者简介:钟华平( 1964- ) ,男,江西省兴国人,副研究员, 主要从事草地生态系统管理研究; E-mail: zhonghp@ ig snrr. ac. cn; * 通讯作者
Auth or for correspon dence, E-m ail : f anjw@ igsnrr. ac. cn
第 6期 钟华平等:红三叶栽培管理专家系统构建
们对红三叶 20 多年的试验研究积累基础上[ 11] , 结
合国内外其他红三叶研究的成果,运用基于地理信
息系统( GIS)、数据库管理系统的开发技术, 开发构
建一个能独立运行、模型化、过程化、适合于在南方
亚热带地区推广的红三叶栽培管理专家系统, 并构
建一个相对完善的牧草栽培管理系统开发环境, 从
而促进我国牧草栽培管理专家系统研发的发展。
1 系统构建总体思路与方法
1. 1 系统构建总体思路
红三叶栽培管理专家系统是基于 Visual Stud-i
o. Net 2005开发平台, 能独立运行、模型化、过程
化、智能化、适合于南方亚热带山区推广的一个牧草
栽培管理专家系统。该系统涉及到红三叶适宜性甄
别、品种选择、播种、病虫害诊断与防治、杂草控制、
灌溉、施肥、刈割利用、牧草加工、草产品质量控制等
各生产环节的相关信息数据和决策。系统的功能结
构包括红三叶基本信息、草地环境综合信息数据与
模型、红三叶栽培技术决策、生产情景预测与目标管
理决策四大功能模块(见图 1)。包含了各功能模块
逻辑关系、判别原则和模型的建立,以及实现各功能
模块的信息查询、决策诊断和技术服务。
图 1 红三叶栽培管理专家系统功能结构
Fig. 1 The functional str ucture o f the exper t system for red clo ver cultivation and management
1. 2 研究开发方法
1. 2. 1 实验数据与研究成果收集整理 在红三叶
引种、栽培、管理、利用等大量实验研究和研究成果
基础上[ 12~ 20] , 收集整理其它相关数据, 包括模型、图
形、图像等,按照系统设计的功能进行分类, 并按照
系统的统一标准,整理成一定逻辑结构的知识模块,
并建立数据库管理系统。
1. 2. 2 专业领域信息及数据库建立 专家系统建
立了专业领域信息与数据平台, 包括草地环境背景
数据、试验观测数据、相关影像数据和相关模型等 4
个模块。草地环境背景数据涉及行政区划、地形地
貌、气候、土壤、植被、草地资源和草地相关政策与标
准等;试验观测数据包括试验站气候观测数据、红三
叶物候期观测、生产力测定、施肥灌溉试验、刈割试
验、除杂试验、草产品加工和营养测定等各种试验观
测数据;并对红三叶试验过程中大量的影像数据进行
采集,建立了本系统所构建的相关模型模块。以上信
息和数据按系统要求进行标准化处理, 统一规范之后
建立了本系统最基本的数据平台,以供系统查询和系
统决策判别的数据调用。
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草 地 学 报 第 17卷
图 2 红三叶栽培管理专家系统基础数据库
Fig . 2 Basic database o f the expert system fo r red clo ver cult ivation and management
1. 2. 3 专家系统判别规则或逻辑推理机的建立
系统决策模块的实现主要基于专业领域信息与数据
平台数据和建立相关模型, 通过田间控制试验和相
关研究结论,运用定性与定量相结合的方法, 建立相
应的专家系统判别规则或逻辑推理机, 实现该系统
的科学决策和服务功能。并且在系统集成、应用测
试、使用实践中, 不断补充添加所需数据, 不断修正
和完善专家系统判别规则和使专家系统的预测和决
策功能更加完善。
1. 2. 4 模型构建 红三叶栽培管理专家系统的模
型构建主要以逻辑斯蒂生长模型 Y = K ( 1+ A#
exp- B# d ) 为红三叶生长的核心模型, 根据施肥、灌
溉和刈割试验的大量数据, 建立和修正模型中的各
项参数,实现不同管理措施中红三叶生产过程的动
态模拟,并结合专家系统判别规则和逻辑推理机, 提
供红三叶种植技术信息服务和红三叶目标生产管理
的科学决策建议。
1. 2. 5 编程与系统开发 本系统在 Window s XP
专业版操作系统平台下, 基于 ArcGIS Engine 9. 2
进行二次开发, 集成开发环境为 V isual Studio. Net
2005,开发语言采用 C# ; 后台空间数据使用 M-i
crosof t Access 2003数据库进行存储和管理。
系统采用 3层体系结构, 逻辑上划分为数据库
服务器(数据层)、应用服务器(业务逻辑层)和客户
端(表现层)。数据服务层包括 M icrosof t Access 数
据库,主要存储系统所需的数据, 构成一个存贮、访
问和管理有关空间和非空间数据的关系数据库服务
器;应用逻辑层包括 ArcGIS 软件平台、红三叶生长
模型以及栽培决策模块; 表现层主要包括客户端软
件。根据数据服务用户对数据的访问请求,通过表
现层的客户端软件提供用户界面输入, 并经应用逻
辑层中的各种应用服务器转换为对数据服务器的请
求,数据服务层的数据服务器处理完成请求后, 将结
果通过应用逻辑层,返回给表现层,由表现层显示和
输出用户所需的结果。
2 红三叶栽培管理专家系统运行环境
与功能
专家系统运行硬件环境要求内存 1G 以上, 硬
盘 5G以上。软件环境采用Window s 2000或Win-
dow s XP 操作系统, 且安装有. net f ramew ork 2. 0
以及 ArcGIS Engine Runt ime 9. 2软件。
系统功能主要包括以下方面: ( 1)信息查询: 红
三叶综合信息模块提供牧草种植管理方面的专家经
验与知识;草地环境综合信息数据模块为用户提供
牧草生长所需的气候、地形、地貌、土壤等环境背景
信息和相关试验观测数据、影像数据等支持性查询;
( 2)优化分析:系统根据用户不同目标,结合气候、地
形、土壤、管理措施等诸多因素, 建立和运行相应的
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生长或判别模型,给出红三叶种植管理最优配置方
案; ( 3)生产情景预测:系统应用户的请求,给出红三
叶相应的生产情景分析; ( 4)辅助决策: 系统根据情
景预测分析和比较,为用户给出相应的栽培管理措
施建议。
3 专家系统功能决策模块构建
红三叶栽培管理专家系统包括红三叶基本信
息、草地环境综合信息数据、栽培技术决策和生产情
景预测与目标管理决策四大模块。
3. 1 红三叶基本信息模块的构建
该模块主要实现红三叶基本信息和研究动态的
查询,包括红三叶的起源与分布、生物学特性、品种、
物候期、生长适宜条件、生长特征、营养成分、元素含
量与积累、栽培管理、综合利用、病虫害和红三叶生
产相关标准,以及红三叶相关研究进展等。
3. 2 草地资源环境综合信息数据与模型模块的构建
该模块涉及草地资源环境背景数据、试验观测
数据、相关模型和有关影像数据。该模块的构建主
要实现有关红三叶生产的环境条件信息和数据的查
询,以及专家系统决策运行时的数据调用,这是本专
家系统运行的基础。
3. 2. 1 草地资源环境背景数据 包括有关区划、地
形地貌、气候、土壤、植被、草地资源、有关政策与标
准等 7个方面的数据。行政区划包括全国行政区划
图、综合农业区划图、农业自然区划图、种植制度的
热量条件区划图以及牧草区划图; 地形地貌包括 1
B400万 DEM 数据; 气候包括全国多年平均气温、
\0 e 积温、\5 e 积温、\10 e 积温、年降水量、年平
均相对湿度、年平均干旱指数、多年平均日照时数;
土壤信息主要包括土壤类型、土壤质地、土壤酸碱
度、土壤有机质含量以及土壤碳含量;草地资源信息
主要包括中国草地类型图、中国草地资源区划图、中
国草地类组载畜能力分布格局图;草地有关标准主
要包括中国草地分类系统、中国草地退化国家标准
和中国天然草地载畜量核算国家标准。
3. 2. 2 试验观测数据 实验观测数据包括试验点
气候数据和红三叶试验观测数据。
3. 2. 3 相关模型 参考大量文献,搜集有关模拟植
物生长的各类相关模型。
3. 2. 4 相关影像数据 包括红池坝试验站遥感影
像和红三叶试验观测照片。
3. 3 红三叶栽培技术决策模块的构建
本模块涉及红三叶栽培过程中各环节的技术支
持,包括红三叶适宜区甄别、品种选择、播种决策、病
虫害诊断与防治、杂草控制、灌溉模式选择、施肥科
学决策、刈割利用决策、加工方式和草产品质量控制
等 10个方面的内容。
3. 3. 1 红三叶适宜区甄别 该模块运用地理信息
系统手段,利用全国年平均气温、\5 e 积温、年降雨
量、相对湿度、干旱指数、土壤质地、土壤有机质和土
壤 pH 等 1 km 栅格数据, 在专家经验知识的指导
下,建立红三叶适应性的阈值范围,实现红三叶适宜
区和主要生产区空间分布的查询。并采用模糊数
学、主分量分析、层次分析等方法, 以上述 8个生态
因子作为自变量,建立红三叶适应性模型,反演出牧
草适应性指数和空间格局[ 21]。
3. 3. 2 牧草品种选择 模块以红三叶适宜区为基
础,结合全国 1 km 年降雨量和 DEM 数据, 划分北
方栽培区、南方低丘栽培区和南方山地栽培区。系
统根据红三叶品种特性, 建立各栽培区红三叶品种
选择的判别机理, 提供适宜的品种信息,实现红三叶
品种的选择和决策,为用户提供服务。
3. 3. 3 红三叶播种决策 红三叶播种决策包括播
种量、播种期、播种方式以及混播草地豆禾混播比例
确定等。
播种量确定: 根据多年试验结果, 红三叶- 鸭茅
混播草地产草量与种子播量建立有 y= 697. 64x3-
3849. 8x2+ 7164. 5x- 517. 96( R2= 0. 9945)的回归关
系。在红三叶草地建设中,种子播量的确定可根据此
模型进行判别,并且最佳播种量为15- 22. 5 kg/ ha。
播种期选择: 红三叶可进行春播、夏播和秋播,
但在不同的地区其最佳播种期有所不同。系统根据
各栽培地区的降雨、海拔等条件,建立各栽培区播种
时间的判别机理, 提供红三叶播种相关信息,实现播
种期选择和决策。
播种方式选择:红三叶要求有精细的管理措施。
根据红三叶草地的建植目标不同, 系统提供不同播
种方式效能信息、措施方法等信息。
播种比例确定: 红三叶- 鸭茅( Dacty l is glom-
er ate )混播草地是南方山区最普遍的豆禾混播草地
之一。根据多年的试验分析,我们模拟出豆禾混播
草地中豆科、禾本科和杂类草等的产草量随禾本科
牧草(鸭茅)播种量比例变化的动态趋势, 并建立禾
草产量比重与禾草(鸭茅)播量比例的关系模型 y=
0. 4449e0. 0514x ( R2 = 0. 9532) , 饲草蛋白含量与禾草
(鸭茅) 播量比例的关系模型 y = - 0. 0003x2 +
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0. 0085x+ 16. 729( R 2= 0. 9621)。系统可根据混播
草地中禾草产量的比重和草产品蛋白含量来确定禾
本科牧草种子播种比例。
3. 3. 4 红三叶病虫害诊断与防治 综合红三叶病
虫害发生发展规律, 系统设计出红三叶病害和虫害
诊断与防治模块。根据发病部位、典型病兆、以及害
虫的形态特征等进行诊断,系统将显示诊断的结果和
有效的防治措施,并提供所发病虫害的详细资料和典
型图。系统涉及11种主要病害和 5种主要虫害的症
状描述、发生发展规律、以及有效的防治措施等。
3. 3. 5 杂草控制 杂草控制是人工草地管理的一
个重要内容,一般情况均会在播种当年采用机械、人
工、或除草剂的方法大力除杂,后续年份则采用利用
管理措施进行控制。本系统引进/演替距离0原理和
红三叶- 黑麦草人工草地刈割演替研究成果 [ 22] , 建
立刈割对杂草控制的模型构建, 实现红三叶草地杂
草控制的刈割决策。根据模型 y = 1. 5279x2 -
9. 0561x+ 23. 268( R2 = 0. 9647) , 进行杂草刈割控
制的自动决策。
3.3. 6 刈割利用模式决策 根据南方山区红三叶刈
割试验研究,系统建立了不同刈割利用模式的年产草
量动态模型,并构建了年产草量与刈割次数的回归方
程(图 2) ,以便于系统对刈割利用模式的决策。
3. 3. 7 灌溉模式决策 专家系统根据气候条件不
同,给定了 6种灌溉模式,建立相应的生长模型(表
1) ,并进行不同模式下的产草量动态模拟(图 3)和
不同灌溉模式的草地产草量比较。
3. 3. 8 缺肥诊断与科学施肥决策模块的构建 缺
肥诊断:主要是通过观察红三叶的根、茎、叶的病兆
实现缺肥诊断。本系统提供了氮、磷、钾、镁、锌、钙、
硫、硼等8种元素的缺肥诊断方法, 并给出了缺氮、
图 3 红三叶混播草地年产草量与刈割次数的关系
F ig. 3 Relationship between annual production and cutting
times of r ed clo ver mix tur e gr assland
磷、钾、镁、锌、钙、硫、硼营养元素的相应防治措施。
科学施肥模块的构建:根据红三叶施肥试验结
果分析[ 23] ,建立不同施肥措施的红三叶生长模型。
专家系统以施肥量等约束条件的输入, 进行红三叶
产草量的生长动态模拟, 同时给出实现目标产量的
科学施肥决策。
3. 3. 9 草产品加工选择 系统根据气候条件, 为用
户进行牧草加工方式的选择。可通过用户需求和草
产品目标设定,选择红三叶的加工方式,并提供相应
的加工方法和要点,以便用户牧草生产。
3. 3. 10 草产品质量控制与决策 针对红三叶草产
品规模小和基础薄弱的情况,系统参考其他牧草产
品通行标准,建立红三叶草产品质量控制与决策模
块。系统主要根据刈割时期、颜色、含杂草量、含水
量、含叶量、气味和营养物质成分等建立评判标准,
实现草产品质量的等级评价。
表 1 红三叶草地灌溉模式选择
T able 1 Selection of ir rigation mode fo r r ed clover gr assland
气候条件
Climat ic condit ion
灌溉模式选择
Irrigat ion mode
灌溉措施
Irrigat ion s tep
降雨量 600- 1200 mm,需灌溉
Precipitat ion 600- 1200 mm, irrigat ion is n eeded
缺水模式
Water shortage
不进行灌溉
No irrigation
3水模式
Th ree w ater
越冬水+ 返青水+ 催苗水
Irrigat ions appl ied for overw intering, seed establishmen t,
and seeding period
5水模式
Five water
越冬水+ 返青水+ 催苗水+ 追肥水 1+ 追肥水 2
Irrigat ions applied for overwintering, seed establishment ,
seeding period, first t op dressing, and second top dressing
降雨量 1200 mm 以上,海拔 800 m 以下,有伏旱
Precipitat ion> 1200 mm, alt itude< 800 m, drought
伏旱缺水模式
Drough t and shortage
不进行灌溉
No irrigation
伏旱灌溉模式
Drough t and ir rigat ion
2- 3次伏旱水
2- 3 irrigation s applied during drought period
降雨量 1200 mm 以上,海拔 800 m 以上
Precipitat ion> 1200 mm, alt itude> 800 m.
山地湿润模式
Moist mountain m ode
不进行灌溉
No irrigation
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第 6期 钟华平等:红三叶栽培管理专家系统构建
图 4 不同灌溉模式红三叶草地产草量动态模拟
F ig . 4 Production dynamics for red clov er g rassland
under dif fer ent irr ig ation models
3. 4 生长情景与目标管理决策模块
系统以气候、土壤条件为基础,结合红三叶生产
过程中灌溉、施肥和刈割三个重要环节,建立红三叶
生长情景预测模型。通过输入情景预测模型的约束
变量并运行,模拟红三叶的生长动态变化,预测红三
叶的年产草量。同时, 在实现目标产量的系统运行
过程中,模块自动甄别遴选优化配置措施,提出实现
目标管理的决策建议。
本模块有约束条件管理、生产情景预测、目标管
理决策与建议三个功能。专家系统主要以适宜区为
引导,选择不同栽培区及灌溉模式, 并根据土壤条
件、施肥水平和刈割模式的约束条件的选择,进行红
三叶生长情景的预测, 并实现目标生产管理的决策,
为用户提供决策建议。
表 2 红三叶干草质量等级评价标准
Table 2 Grading and evaluat ion standard for hay quality o f red clov er
等级
Level
收获期
H ar vest period
颜色
Color
异杂物含量
Sundries conten t
含水量
Water content
叶量
Leaf number
粗蛋白
Crude protein
物理状态描述
Physical states
1级
1 level
分枝期
Bran ching period
淡绿
Ligh t green
5 [ 14 35- 45 16- 19
无霉变,无霉腐气味,无异杂物
No moldy, no rot odor, n o su ndries
2级
2 level
现蕾- 初花期
Buddin g- init ial
fl ow ering period
淡绿
Ligh t green
10 [ 14 25- 40 15- 17
无霉变,无霉腐气味,无异杂物
No moldy, no rot odor, n o su ndries
3级
3 level
盛花期
Full bloom ing period
黄绿
Yellow green
15 [ 16 [ 30 13- 16
无霉变,无霉腐气味,无异杂物
No moldy, no rot odor, n o su ndries
4级
4 level
结荚期
Bearing pod period
褐绿色
Brown ish green
20 [ 16 [ 30 [ 14
无霉变,无霉腐气味,无异杂物
No moldy, no rot odor, n o su ndries
图 5 红三叶生产模型约束条件管理
F ig . 5 The condition management fo r r ed clover pr oduction model
3. 4. 1 约束条件(模型参数与变量)管理 主要包
括有适宜区与灌溉管理、土壤条件选择、施肥管理和
刈割利用管理等。
3.4. 2 红三叶生长情景预测 根据用户约束条件(模
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第 6期 钟华平等:红三叶栽培管理专家系统构建
的同时,规范了红三叶栽培管理中的各个环节的栽培
技术要点,特别是适宜区选择、品种选择、播种决策、牧
草病虫害诊断与防治、杂草控制、灌溉、施肥、刈割利
用、草产品加工方式、草产品质量控制等技术决策,解
决了红三叶产业化管理中相关技术要求;更建立了模
型化、过程化的红三叶生长情景预测和目标管理决策
系统。
4. 2 系统运行方便、简单
以目前主流的 Windows XP 为操作界面,以下拉
列表方式, 操作方法,大大减少了手工操作; 以Win-
dows资源管理器为系统使用界面,操作简单实用;同
时,系统建立有完整全面的信息数据库, 可独立运行,
并根据用户要求,可快速便捷的得到专家系统所做的
各项诊断和决策。
4. 3 运行结果真实可信
红三叶管理专家在建模过程中已综合了红三叶生
产过程中的多方面因素,在我们对红三叶20多年研究
积累的基础上,结合国内外其他学者的研究成果,为红
三叶栽培管理专家系统的研发提供了可靠的数据基
础。同时,专家系统融合了目前先进技术,如地理信息
系统( GIS)技术,拓展了本系统决策和模型运行所需的
数据,更广泛丰富的数据来源,尽可能地避免了系统运
行的不确定性,也很大程度上提高了系统运行结果的
可靠性。
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(责任编辑 刘敏轩 米 佳)
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