機(jī)器學(xué)習(xí)算法科研：預(yù)測(cè)甘蔗產(chǎn)量

甘蔗，禾本科甘蔗屬植物，是制造蔗糖的原料，臺(tái)灣、福建等熱帶、亞熱帶地區(qū)廣泛種植，適合栽種于土壤肥沃、陽(yáng)光充足、冬夏溫差大的地方。

甘蔗是多年生高大實(shí)心草本，其產(chǎn)量高低與多項(xiàng)因素相關(guān)。為分析廣西甘蔗主產(chǎn)區(qū)甘蔗產(chǎn)量與氣象因素的關(guān)系，利用氣象數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)甘蔗產(chǎn)量，為糖廠及相關(guān)管理部門(mén)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院攜手廣西大學(xué)甘蔗生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣西糖業(yè)集團(tuán)有限公司、廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所展開(kāi)了研究，基于多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測(cè)廣西蔗區(qū)甘蔗產(chǎn)量。

選用2002~2019年廣西五個(gè)不同地級(jí)市內(nèi)蔗區(qū)的產(chǎn)量數(shù)據(jù)及14種逐日氣象數(shù)據(jù)，將每年的各氣象因子以78個(gè)逐月遞增的連續(xù)時(shí)段的均值與產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析，根據(jù)敏感時(shí)段分析法確定關(guān)鍵氣象因子，并分析各氣象因子在敏感時(shí)段對(duì)產(chǎn)量的影響。分別利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、隨機(jī)森林、長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)建立單蔗區(qū)產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型，并采用以全生育期氣象均值作為模型輸入的方法進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。使用HP濾波法分離出甘蔗氣象產(chǎn)量，將5個(gè)蔗區(qū)的數(shù)據(jù)混合，分別利用RF、SVM、BPNN和LSTM建立通用的多蔗區(qū)氣象產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型。

對(duì)于單蔗區(qū)，敏感時(shí)段分析法的模型預(yù)測(cè)效果明顯優(yōu)于全生育期取氣象均值的方法，LSTM模型對(duì)于上述兩種數(shù)據(jù)處理方法的預(yù)測(cè)效果均明顯優(yōu)于目前廣泛使用的BPNN、SVM、RF模型，敏感時(shí)段分析法的LSTM模型整體的均方根誤差和平均絕對(duì)百分比誤差分別為10.34 t/ha和6.85%，決定系數(shù)Rv2為0.8489。對(duì)于多蔗區(qū)，LSTM預(yù)測(cè)結(jié)果較差，RF、SVM及BPNN三種預(yù)測(cè)模型都取得了良好的效果，預(yù)測(cè)效果最好的BPNN模型的RMSE和MAPE分別為0.98 t/ha和9.59%，Rv2為0.965。

通過(guò)敏感時(shí)段分析法篩選的關(guān)鍵氣象因子與產(chǎn)量均呈顯著相關(guān)，根據(jù)敏感時(shí)段能準(zhǔn)確地分析各氣象因子對(duì)產(chǎn)量的影響。使用LSTM模型預(yù)測(cè)單蔗區(qū)產(chǎn)量，使用BPNN模型預(yù)測(cè)多蔗區(qū)甘蔗氣象產(chǎn)量的方法是可行的，且預(yù)測(cè)誤差在可接受范圍內(nèi)。

甘蔗種植過(guò)程中的五大管理要點(diǎn)：

1、重攻莖肥促生長(zhǎng)：甘蔗伸長(zhǎng)期是需養(yǎng)分最多的時(shí)候，須重攻莖肥，且以施氮肥為主。每畝施尿素10-12公斤，腐熟人糞尿2500-3000公斤，餅肥25公斤，如基肥和前期磷、鉀肥不足，可結(jié)合補(bǔ)施磷、鉀肥。蔗株生長(zhǎng)旺盛，可少施，長(zhǎng)勢(shì)較差，應(yīng)早施重施。

2、高培土防側(cè)伏：甘蔗伸長(zhǎng)期間，應(yīng)結(jié)合施肥進(jìn)行高培土。通過(guò)多次薄培土，達(dá)到高培土，每次培土僅覆蓋蔗頭一節(jié)。在高培土中還要注意邊行管理，如對(duì)邊行加肥、培土，防止人畜踐踏，以克服消邊現(xiàn)象。

3、剝老葉加強(qiáng)通風(fēng)：甘蔗進(jìn)入生長(zhǎng)后期，每7～10天生長(zhǎng)一片新葉。因此，要?jiǎng)內(nèi)ツ_葉和枯黃老葉，增強(qiáng)蔗田通風(fēng)透光，使莖稈粗壯，增強(qiáng)抗倒伏能力，同時(shí)也利于防治病蟲(chóng)害。

4、灌水防旱壯莖：8～9月份甘蔗進(jìn)入拔節(jié)猛長(zhǎng)期，在水肥條件好的情祝下，每天可長(zhǎng)高3～3.5厘米，每月可長(zhǎng)高80～90厘米，所以要重視灌水。特別是出現(xiàn)旱情時(shí)，應(yīng)及時(shí)灌水，土壤含水量以保持60%～80%為宜。

丘陵坡地要封行壟頭，爭(zhēng)取下雨積水保水。并用老葉或地膜覆蓋蔗畦，也可采用套種經(jīng)濟(jì)作物增加畦面覆蓋，減少土壤水分蒸發(fā)。有條件的要抽水灌溉，避免受旱減產(chǎn)。有水的地方，要不失時(shí)機(jī)地灌好水，確保甘蔗豐收。

5、防治病蟲(chóng)保豐收：8～9月是各種病蟲(chóng)危害時(shí)期。如金龜子、絲蟲(chóng)等，特別是絲蟲(chóng)食蔗根部，會(huì)引起甘蔗枯萎、倒伏，危害較大。防治辦法：應(yīng)當(dāng)根據(jù)蟲(chóng)情，適時(shí)施藥。對(duì)出現(xiàn)枯心的蔗田，每畝施用專(zhuān)用顆粒劑。

審核編輯 黃宇