(19)國家知識產(chǎn)權(quán)局(12)發(fā)明專利(22)申請日2022.07.15(43)申請公布日2022.11.08地址430070湖北省武漢市洪山區(qū)獅(56)對比文件立.萬方在線出版.2025,全文.審查員張力(72)發(fā)明人別之龍李夢竹董萬靜徐勝勇本發(fā)明涉及一種番茄種苗模型建模與生長積溫和相對光效應(yīng)的番茄形態(tài)指標(biāo)及壯苗指數(shù)相對光效應(yīng)這一全新參數(shù)來描述作物吸收的光而優(yōu)化了模型預(yù)測精度。該方法建立的番茄種苗模型趨勢符合幼苗生長規(guī)律，模型擬合程度高，21.一種番茄種苗模型建模與生長預(yù)測方法，其特征在于，基于有效積溫和相對光效應(yīng)建立番茄種苗生長模型，對幼苗生長發(fā)育進(jìn)行預(yù)測，具體包括如下步驟：S1,獲取育苗過程中溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，包括溫度和光合有效輻射；S2,覆蓋幼苗生理苗齡，分8次進(jìn)行取樣，獲取番茄穴盤苗的表型參數(shù)，具體包括株高、S3,對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行處理，消除量綱并考慮植物生長發(fā)育特性，計算得到有效積溫和相對光效應(yīng)；S4,將計算得到的有效積溫和相對光效應(yīng)與取樣獲取的幼苗表型參數(shù)進(jìn)行擬合，比較R2和RMSE,確定模型方程；S5,采用未來幾日的天氣預(yù)報的光照和溫度數(shù)據(jù)作為輸入，基于步驟S4確定的模型方程對番茄幼苗生長發(fā)育進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測；其中，步驟S3中對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行處理時，采用公式(2-1)、(2-2)和(2-3)計算出有效積d;GDDay為從上一生育期到目前的有效積溫，單位為℃·d,Tmean為實T?、T分別為番茄在某一發(fā)育階段發(fā)育的生物學(xué)下限溫度和上限溫度；步驟S3中對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行處理時，根據(jù)公式(3-1)和(3-2)計算出相對光效應(yīng)，2·s1,即此時番茄幼苗光合速率和呼吸速率相等，不累積干物質(zhì)，Lmx代表番茄幼苗的光飽和點，單位為μmol·m2·s1,即番茄幼苗的光合速率不會再隨光照強(qiáng)度的增加而增大，L步驟S4中對環(huán)境參數(shù)和幼苗表型參數(shù)進(jìn)行擬合，確定模型方程，具體為使用Matlab的lsqcurvefit函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行二元非線性曲線擬合，通過比較R2和RMSE來確定模型參數(shù)；公式(4-1)和公式(4-2)如下：3番茄穴盤苗表型參數(shù)，具體是將番茄育苗周期根據(jù)幼苗生長發(fā)育的生理苗齡分成8次進(jìn)行壯苗指數(shù)=莖粗/株高×全株干重(1)。發(fā)芽期的生長下限溫度設(shè)為12℃,生長上限溫度設(shè)為35℃,幼苗期的生長下限溫度設(shè)為104一種番茄種苗模型建模與生長預(yù)測方法技術(shù)領(lǐng)域[0001]本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)信息化和自動化領(lǐng)域，具體涉及一種番茄種苗模型建模與生長預(yù)測方法。背景技術(shù)[0002]溫室作物生長發(fā)育模型的研究是從上個世紀(jì)70年代末80年代初隨著溫室作物大規(guī)模種植開始的。隨著對溫室管理技術(shù)的提升，物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)的發(fā)展，以及對園藝作物的生長發(fā)育機(jī)理的研究不斷深入，目前對溫室作物生長模型的研究也越來越多。在農(nóng)業(yè)信息技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，作物生長模型被認(rèn)為是“數(shù)字農(nóng)業(yè)”的科學(xué)基礎(chǔ)與核心技術(shù)以及通向農(nóng)業(yè)信息化的橋梁，并成為國內(nèi)外研究的熱門領(lǐng)域。[0003]在工廠化育苗過程中，若環(huán)境條件控制不當(dāng)，幼苗極易徒長，進(jìn)而影響番茄的生長發(fā)育及產(chǎn)量品質(zhì)。溫室內(nèi)溫度和光照是影響幼苗生長的重要環(huán)境因子，通過研究作物生長模型，進(jìn)而實現(xiàn)溫室溫度、光照等環(huán)境條件的精[0004]盡管目前我國已研究多種園藝作物的生長模型，但這些模型多為植物全生育期模型，其中針對種苗生產(chǎn)，聚焦作物苗期的生長模型研究較少，涉及到番茄苗期的生長模型則更少。幼苗的形態(tài)指標(biāo)和壯苗指數(shù)是評價種苗健壯與否最直觀的參數(shù)，但有關(guān)番茄壯苗指數(shù)模擬模型的研究還鮮有報道。目前已有的生長模型主要有形態(tài)指標(biāo)模型、干物質(zhì)模型、生長發(fā)育天數(shù)模型等。盡管某些生長模型對作物的生長趨勢具有一定參考價值，但納入?yún)⒖嫉沫h(huán)境因子比較單一。[0005]為了建立更加準(zhǔn)確的生長模型，研究人員們開始聚焦到涉及多種環(huán)境因子的模型。某些壯苗指數(shù)模型雖然綜合考慮了多種環(huán)境因子對作物生長的影響，以各環(huán)境因子的乘積作為自變量進(jìn)行建模，但由于夜間光合有效輻射值為零，因此此類模型忽略了幼苗夜間的生長。研究表明，盡管保持晝溫及白天光照強(qiáng)度一致，僅改變幼苗夜間生長溫度，不同夜溫條件下幼苗生長發(fā)育差距顯著。這進(jìn)一步說明了幼苗夜間在光合有效輻射為0的情況下也存在著生長發(fā)育，而現(xiàn)有的輻熱積模型忽略了幼苗夜間的生長。發(fā)明內(nèi)容[0006](一)要解決的技術(shù)問題[0007]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，具體地，消除生長模型涉及的環(huán)境因子單一，以及基于輻熱積建立的模型忽略植株夜間生長的問題，避免過少的環(huán)境參數(shù)和遺漏植株夜間生長發(fā)育過程造成的模型誤差，提高模型的精準(zhǔn)程度和預(yù)測能力，本發(fā)明提供了一種番茄種苗模型建模與生長預(yù)測方法。[0009]為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種番茄種苗模型建模與生長預(yù)測方法，技術(shù)方案具體如下。[0010]一種番茄種苗模型建模與生長預(yù)測方法，其特征在于，基于有效積溫和相對光效5和相對光效應(yīng)；[0014]S4,將計算得到的有效積溫和相對光效應(yīng)與獲取的幼苗表型參數(shù)進(jìn)行擬合，比較[0015]S5,采用未來幾日的天氣預(yù)報的光照和溫度數(shù)據(jù)作為輸入，基于步驟S4確定的模[0018]壯苗指數(shù)=莖粗/株高×全株干重(1)。度分別采用不同設(shè)置；具體地，發(fā)芽期的生長下限溫度設(shè)為12℃,生長上限溫度設(shè)為35℃,效應(yīng)，mol·m2·s1,即此時番茄幼苗光合速率和呼吸速率相等，不累積干物質(zhì)，L代表番茄幼6苗的光飽和點，單位為μmol·m2·s?1,即番茄幼苗的光合速率不會再隨光照強(qiáng)度的增加而增大，L為實際測得的每小時的平均光合有效輻射，單位為μmol·m2·s?1。[0029]優(yōu)選地，計算相對光效應(yīng)時，番茄幼苗的光補(bǔ)償點設(shè)為37.05μmol·m2·s?1,番茄幼苗的光飽和點設(shè)為1361.49μmol·m2·s?1。式(4-1)中SP為乘積和；SS為x的離均差平均和；SS,為y的離均差平均和。[0030]優(yōu)選地，步驟S4中對環(huán)境參數(shù)和幼苗表型參數(shù)進(jìn)行擬合，確定模型方程，具體為使用Matlab的式(4-1)中SP為乘積和；SS為x的離均差平均和；SS,為y的離均差平均和。式(4-2)中OBSi為觀測值，SIMi為模擬值，i為樣本序號，n為樣本容量。優(yōu)選地，步驟S5對番茄幼苗生長發(fā)育進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測，具體為通過未來幾日的天氣預(yù)報，計算出未來幾日的有效積溫和相對光效應(yīng)，并根據(jù)S4確定的模型方程，計算出番茄幼苗未來幾日的表型參數(shù)，對成苗出圃時間進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測。[0036](三)有益效果[0037]相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，本發(fā)明提供一種番茄種苗模型建模與生長預(yù)測方法具備顯著積極的技術(shù)效果，具體表現(xiàn)在如下方面：[0038](1)本發(fā)明既考慮了溫度和光照分別對幼苗的影響，又考慮光溫耦合的作用，且設(shè)置了多個參數(shù)對二元曲線模型進(jìn)行擬合，從物理意義表征方面更加貼近幼苗實際生長，顯著優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)，有助于獲得更高精度的預(yù)測模型。[0039](2)本發(fā)明通過數(shù)學(xué)計算處理方式消除了光照數(shù)據(jù)的量綱，獨創(chuàng)性地定義了相對光效應(yīng)這一參數(shù)，用來來描述作物吸收的光能量，有效地減小了有效積溫與光合有效輻射的量級差異，進(jìn)一步優(yōu)化了模型擬合和預(yù)測的精度。[0040](3)本發(fā)明對番茄幼苗各表型及壯苗指數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果表明各表型擬合方程的R2均大于0.99,說明其擬合效果極好，顯著優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。以該模型樣式建立的各表型三維模擬合圖符合幼苗的生長規(guī)律。附圖說明[0041]圖1為本發(fā)明的技術(shù)流程圖；[0042]圖2為實施例1-實施例2培育環(huán)境溫度圖；[0043]圖3為實施例1-實施例2培育環(huán)境光照圖；[0044]圖4為實施例1株高、莖粗、葉面積擬合模型圖；[0045]圖5為實施例1地上干重、地下干重、壯苗指數(shù)擬合模型圖；[0046]圖6為實施例2各表型模擬值與觀測值關(guān)系圖。[0049]實施例1和2分別采用番茄的種子為齊達(dá)利(購于先正達(dá)育進(jìn)行預(yù)測，均包括如下步驟：高、莖粗、葉面積、干重和壯苗指數(shù)；和相對光效應(yīng)；[0054]S4,將計算得到的有效積溫和相對光效應(yīng)與獲取的幼苗表型參數(shù)進(jìn)行擬合，比較[0055]S5,采用未來幾日的天氣預(yù)報的光照和溫度采集1次數(shù)據(jù)。[0059]步驟S3中對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行處理時，采用公式(2-1)、(2-2)和(2-3)計算出有效積氣溫，T、T分別為番茄在某一發(fā)育階段發(fā)育的生物學(xué)下限溫度和上限溫度。]8[0064]計算有效積溫時，番茄幼苗在發(fā)芽期和幼苗期發(fā)育的下限溫度和上限溫度分別采用不同設(shè)置；具體地，發(fā)芽期的生長下限溫度設(shè)為12℃,生長上限溫度設(shè)為35℃,幼苗期的生長下限溫度設(shè)為10℃,生長上限溫度設(shè)為35℃。[0065]步驟S3中對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行處理時，根據(jù)公式(3-1)和(3-2)計算出相對光效應(yīng)，[0068]式中，DRLE)代表第k天的相對光效應(yīng)，L.n代表番茄幼苗的光補(bǔ)償點，單位為μmol·m2·s1,即此時番茄幼苗光合速率和呼吸速率相等，不累積干物質(zhì)，Lx代表番茄幼苗的光飽和點，單位為μmol·m2·s?1,即番茄幼苗的光合速率不會再隨光照強(qiáng)度的增加而[0069]計算相對光效應(yīng)時，番茄幼苗的光補(bǔ)償點設(shè)為37.05μmol·m2·s?1,番茄幼苗的[0070]步驟S4中對環(huán)境參數(shù)和幼苗表型參數(shù)進(jìn)行擬合，確定模型方程，具體為使用Matlab的lsqcurvefit函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行二元非線性曲線擬合，通過比較R2和RMSE來確定模型參數(shù)。公式(4-1)和公式(4-2)如下：步驟S5對番茄幼苗生長發(fā)育進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測，具體為通過未來幾目的天氣預(yù)報，計算出未來幾日的有效積溫和相對光效應(yīng)，并根據(jù)S4確定的模型方程，計算出番茄幼苗未來幾日的表型參數(shù)，對成苗出圃時間進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測。實施例1表型指標(biāo)及環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。表1實施例1表型指標(biāo)及環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果取樣時間株高葉面積 9[0079]值得補(bǔ)充說明的是，表格中各指標(biāo)數(shù)值均為30株樣品的平均數(shù)；‘--'表示幼苗太[0080]實施例1使用形如y=ae?+aze2?的模型樣式對番茄幼苗各表型及壯苗指數(shù)進(jìn)行擬合，株高、莖粗、葉面積的擬合結(jié)果見圖4,地上部干重、地下部干重和壯苗指數(shù)的擬與實測值的一致性越好，模擬值和實測值之間的偏差越小，即模型的模擬結(jié)果越準(zhǔn)確和可靠，一般認(rèn)為15以內(nèi)為優(yōu)秀。根據(jù)公式(4-1)和公式(4-2)計算R2和RMSE。計算結(jié)果如表2所表2實施例1表型擬合模型參數(shù)及效果y?=1.297×10-1?e0.048611+0.52葉面積使用所建模型(表2)根據(jù)實施例2育苗過程中采集的環(huán)境數(shù)據(jù)(圖2)計算出模擬值，并用決定系數(shù)R2和均根方差RMSE,對模型值SIM與觀測值OBS之間的符合程度進(jìn)行統(tǒng)計分析。根據(jù)模型計算出實施例2的模擬值與觀測值如表3所示，環(huán)境參數(shù)如表4所示。表3實施例2指標(biāo)模擬值與觀測值取樣時間株高葉面積一---表4實施例2環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果取樣時間利用RMSE模型檢驗統(tǒng)計方法(公式(4-2))對其進(jìn)行統(tǒng)計分析。計算出株高、莖粗、葉面積、地上部干重、地下部干重、壯苗指數(shù)模型的RMSE分別為0.2776、0.0452、2.3947、[0090]對實施例2的模擬值和觀測值作1:1關(guān)系圖，并進(jìn)行回歸分析。各表型模型回歸分析結(jié)果如表4和圖6所示。通過對各表型模擬值與觀測值方程進(jìn)行分析，結(jié)果表明各方程R2均大于0.9,說明各模擬值與觀測值之間關(guān)系緊密。[0091]表4番茄幼苗表型擬合模型表型回歸分析結(jié)果方程葉面積[0093]申請中所描述的具體實例僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可對本發(fā)明所描述的具體實例做各種修改或者補(bǔ)充，或采用類型的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。11獲取覆蓋生理苗齡(8次)圖1084210015020025030