农作物用水量预测及智能灌溉方法06911

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1、2016年河南科技大学模拟训练三承诺书我们仔细阅读了数学建模选拔赛的规则.我们完全明白，在做题期间不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人研究、讨论与选拔题有关的问题。我们知道，抄袭别人的成果是违反选拔规则的,如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。我们郑重承诺，严格遵守选拔规则，以保证选拔的公正、公平性。如有违反选拔规则的行为，我们将受到严肃处理。我们选择的题号是（从A/B/C中选择一项填写）：B队员签名：1.段平

2、涛2.屈德强3.何蕴琪日期：2016年8月27日2016年河南科技大学数学建模竞赛选拔编号专用页评阅编号（评阅前进行编号）：评阅记录（评阅时使用）：评阅人评分备注农作物用水量预测及智能灌溉方法摘要作为一个农业大国，我国的农业水资源一直处于紧张的状态，大部分地区仍然处于半干旱甚至干旱的状态，常年的地表灌溉用水不足导致过量抽取地下水，造成了渐渐无水可用的情况。本文旨在通过合理各个农作生产阶段的灌溉量，在限制总灌溉水量的条件下给出合理的最优产量灌溉量分配方案，对实际生产有着指导性的作用。针对问题一，本文先根据实际情况进行分析，

3、选择出了符合实际情况的模型公式，再通过MATLAB拟合出二次函数，针对二次函数的精确性再做检验，得出了较为精确的作物需水量和作物单位面积产量之间的函数关系。针对问题二，本文根据四个主要阶段对总产量的影响来建立模型，使用了BP神经网络算法和遗传算法来求出最优的作物水分生产函数模型。再将这两种算法下的模型与加法模型和乘法模型作对比，综合评价最优的模型，发现遗传算法相较于BP神经网络较好。原因是数据量较小，进而对比其他两种模型，发现乘法模型的整体误差较小，模型优化程度较好。针对问题三，本文使用动态规划逆序算法求解，在存在阶段变

4、量、决策变量和状态变量等多重变量的情况下具有良好的解决效果。通过对比加法模型和乘法模型的结果，结合实际情况，认为乘法模型各个阶段敏感系数较为合理，能有效体现极端情况和一般情况下的非充分灌溉农作物产量的变化。本文中的模型可以适用与半干旱和半湿润地区的农作物生产模型中，其中使用的遗传模型拟合的精度高，效果好，在非线性、多模型和多目标的优化问题中效果良好，用法方便。关键词：MATLAB遗传算法BP神经网络动态规划逆序算法1一、问题重述随着水资源供需矛盾的日益加剧，发展节水型农业势在必行。智能灌溉应用先进的信息技术实施精确灌溉，

5、以农作物实际需水量为依据，提高灌溉精确度，实施合理的灌溉方法，进而提高水的利用率。灌溉水利用系数是指在一次灌水期间被农作物利用的净水量与水源渠首处总引进水量的比值，它是衡量灌区从水源引水到田间作用吸收利用水的过程中水利用程度的一个重要指标，也是集中反映灌溉工程质量、灌溉技术水平和灌溉用水管理的一项综合指标，是评价农业水资源利用，指导节水灌溉和大中型灌区续建配套及节水改造健康发展的重要参考。据有关部门统计分析，我国灌区平均水利用系数仅为0.45，节水仍有较大空间。作物水分生产函数无论对节水灌溉的区域规划和系统评估，或是非充

6、分灌溉的应用均具有深刻意义。非充分灌溉是指在灌溉水不能完全满足作物的生长发育全过程需水量的情况下，以作物水分生产函数为理论依据，将有限的水科学合理（非足额）安排在对产量影响比较大、并能产生较高经济价值的需水临界期供水，从而建立合理的水量与产量关系及分配模式，在水分利用效率、产量、经济效益三方面寻求有效均衡，实现经济效益最大化。然而由于作物各生育阶段水分对产量影响的机理甚为复杂，目前尚难用严格准确的物理方程来描述。1.基于表1中作物1实测需水量与产量的对应数据，建立该作物全生育期的水分生产函数的模型，即总产量与需水量之间的

7、解析关系，给出详细过程及拟合效果。表1全生命周期实测需水量与产量3处理号需水量（m/亩）产量（kg/亩）1187.14247.632238.38361.183283.12430.374315.37462.895337.65476.886356.21483.257387.68483.058414.46472.019435.57456.23210456.82434.082.作物的全生育期可以分为若干个生育阶段，以水稻为例，可以分为返青、分蘖、拔节孕穗、抽穗开花、乳熟、黄熟6个生育阶段。不同阶段灌溉水量不足均会对最终的产量有影

8、响，表2为某地晚稻分蘖至乳熟各阶段受旱情况对产量影响的数据。基于表2的数据，利用附录中材料，选取某类优化算法，寻求最优的作物水分生产函数模型，得到各阶段的蒸发蒸腾量（可以理解为灌水量）与最终产量之间的关系。给出详细过程，并将所得结果与常见的机理模型（见附录）作对比。表2某地晚稻蒸发蒸腾量及产量处理处理特征○1分蘖○2