構(gòu)建冬季晴天時溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及精確農(nóng)作管理領(lǐng)域，公開了一種構(gòu)建冬季晴天時溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型的方法。以等時間間隔采集溫室的溫度和CO

A method for predicting carbon dioxide concentration in greenhouse during winter sunny days

The invention relates to the field of precision farming management, and discloses a method for constructing a carbon dioxide concentration prediction model of greenhouse in winter. The temperature and CO of the greenhouse were collected at equal intervals

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
構(gòu)建冬季晴天時溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型的方法
本專利技術(shù)涉及精確農(nóng)作管理領(lǐng)域，特別涉及一種構(gòu)建冬季晴天時溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型的方法。
技術(shù)介紹
二氧化碳（CO2）是植物光合作用的重要原料。維持較高的二氧化碳濃度，當光照增強時，植物的光合速率會隨之增加，從而生成更多的光合產(chǎn)物，促進作物增產(chǎn)，提高產(chǎn)品品質(zhì)。光照下作物持續(xù)地進行光合作用，消耗大量的二氧化碳。露天生產(chǎn)中，周圍的空氣會彌補作物所消耗的二氧化碳，從而使之保持穩(wěn)定的濃度。但冬季的溫室作物種植過程中，因天氣寒冷，溫室需要保溫，中午放風時間短，有時甚至不放風，這使得溫室?guī)缀跆幱诿荛]狀態(tài)，因得不到室外空氣中二氧化碳的補充，溫室的二氧化碳濃度常低于補償點，此時作物的凈光合產(chǎn)物為零，白白浪費了進入溫室的光能。因此，溫室中通過增施二氧化碳氣體，可充分利用進入溫室的光能，提高凈光合效率，進而提高溫室的種植效益。為了有效地控制溫室中二氧化碳氣體的施入量及施用時間，維持高的凈光合速率，提高二氧化碳氣體利用率，準確地預(yù)測未來時刻溫室二氧化碳濃度顯得尤為重要。目前，不同預(yù)測模型的輸出參數(shù)較為一致，但輸入?yún)?shù)則存在著較大差異。畢玉革等考慮了光合作用、植物的呼吸作用、土壤呼吸作用，二氧化碳施肥以及泄漏等因素，從質(zhì)量平衡角度出發(fā)，構(gòu)建了日光溫室二氧化碳預(yù)測模型。但該模型需要確定大量與光合作用相關(guān)的參數(shù)，參數(shù)需要利用昂貴的儀器測定，此外還需土壤的有機質(zhì)含量數(shù)據(jù)，過多的輸入?yún)?shù)以及參數(shù)的不易獲取，限制了模型的推廣應(yīng)用。李化龍等假設(shè)溫室中二氧化碳的來源主要為土壤有機質(zhì)的分解，太陽輻射為土壤有機質(zhì)的分解提供能量，隨著生育進程的推進，土壤可分解的有機質(zhì)含量減少，通過土壤來增加溫室二氧化碳濃度的能力降低，利用太陽輻射和黃瓜定植后的日序作為輸入因子構(gòu)建了日光溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型。但如果改變了溫室種植的作物，或者黃瓜的定植密度不同，則模型的預(yù)測值將與實際情況存在較大的差異。此外，模型沒有考慮氣象因素，影響了模型的預(yù)測精度，而模型僅將土壤有機質(zhì)分解釋放的二氧化碳作為溫室二氧化碳的來源，顯然限制了模型在溫室增施二氧化碳氣肥中的應(yīng)用。
技術(shù)實現(xiàn)思路
專利技術(shù)目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本專利技術(shù)提供一種構(gòu)建冬季晴天時溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型的方法，構(gòu)建的預(yù)測模型預(yù)測精度高，普適性好。技術(shù)方案：本專利技術(shù)提供了一種構(gòu)建冬季晴天時溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型的方法，包括以下步驟：S1：以等時間間隔采集溫室的溫度和CO2濃度數(shù)據(jù)，獲取溫度和CO2濃度的時間序列數(shù)據(jù)；S2：按自然日對所述S1中獲取到的溫度和CO2濃度的時間序列數(shù)據(jù)進行分割，從分割后的溫度和CO2濃度的時間序列數(shù)據(jù)中隨機選擇部分數(shù)據(jù)用于建模，稱為數(shù)據(jù)集RA，剩余數(shù)據(jù)用于檢驗?zāi)Ｐ停Q為數(shù)據(jù)集RB；S3：使用滑動時間窗口分別從所述RA和所述RB中的溫度和CO2濃度的時間序列數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)以構(gòu)建數(shù)據(jù)集A和B；S4：根據(jù)所述數(shù)據(jù)集A構(gòu)建溫度動態(tài)變化預(yù)測模型M1；S5：根據(jù)所述數(shù)據(jù)集A中的夜晚數(shù)據(jù)和所述M1構(gòu)建作物有氧呼吸和土壤呼吸二氧化碳釋放速率預(yù)測模型M2；S6：根據(jù)所述數(shù)據(jù)集A中的白天數(shù)據(jù)和所述M2構(gòu)建作物凈光合作用消耗二氧化碳速率的預(yù)測模型M3；S7：根據(jù)所述M1、所述M2和所述M3構(gòu)建冬季晴天時溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型M4。進一步地，在所述S3中，在構(gòu)建所述A和B時，滑動時間窗口的寬度設(shè)為3，滑動步長設(shè)為1，窗口內(nèi)3個數(shù)據(jù)的采集時間點分別以、和表示，距現(xiàn)在的時間最近，距現(xiàn)在的時間最遠，、和時刻的溫度分別以、和表示，、和時刻的CO2濃度則分別以、和表示。進一步地，在所述S4中，所述M1為：，其中，所述為所述M1預(yù)測的所述時刻的溫度℃，所述、和為待定系數(shù)，利用所述A和SPSS軟件的非線性擬合功能計算所述、和，計算所述、和時令所述。進一步地，在所述S5中，所述M2為：，其中，所述為所述M2預(yù)測的所述到所述時刻植物有氧呼吸和土壤呼吸的平均CO2釋放速率，所述，所述、、、、、、、、、為待定系數(shù)，利用所述A和SPSS軟件的非線性擬合功能計算得到上述待定系數(shù)，計算上述待定系數(shù)時令所述。進一步地，在所述S6中，所述M3為：，其中，所述為所述M3預(yù)測的所述到所述時刻作物凈光合作用所消耗CO2的平均速率，所述和為待定系數(shù)，利用所述A和SPSS軟件的非線性擬合功能計算得到所述和，計算所述和時令所述。進一步地，在所述S7中，所述M4為：，其中，所述為所述M4預(yù)測的所述時刻的溫室CO2濃度。優(yōu)選地，在所述S2中，所述部分數(shù)據(jù)為80-95%的分割后的溫度和CO2濃度的時間序列數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，在所述S1中，所述0＜≤30min；優(yōu)選30s、1min、2min、5min或10min。優(yōu)選地，在所述S4之后、所述S5之前，還包含以下步驟：利用所述數(shù)據(jù)集B檢驗所述M1的擬合度；和/或，在所述S5之后、所述S6之前，還包含以下步驟：利用所述數(shù)據(jù)集B檢驗所述M2的擬合度；和/或，在所述S7之后，還包含以下步驟：利用所述數(shù)據(jù)集B檢驗所述M4的擬合度。有益效果：本專利技術(shù)克服了以往溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型輸入?yún)?shù)過多、參數(shù)不易獲取或輸入?yún)?shù)過少、模型預(yù)測精度低，普適性差的缺陷，提供了一種僅根據(jù)環(huán)境氣象因子構(gòu)建冬季晴天時溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型的方法，該方法普適性好，所構(gòu)建的模型預(yù)測精度高。附圖說明圖1為本專利技術(shù)的技術(shù)流程圖；圖2為利用滑動時間窗口提取數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)集A的示意圖；圖3為溫度動態(tài)變化預(yù)測模型的檢驗結(jié)果——模型預(yù)測數(shù)值與實測數(shù)值的對比圖；圖4為溫度動態(tài)變化預(yù)測模型的檢驗結(jié)果——模型預(yù)測數(shù)值與實測數(shù)值的1：1圖；圖5為植物有氧呼吸和土壤呼吸二氧化碳釋放速率預(yù)測模型的檢驗結(jié)果——模型預(yù)測數(shù)值與實測數(shù)值的對比圖；圖6為植物有氧呼吸和土壤呼吸二氧化碳釋放速率預(yù)測模型的檢驗結(jié)果——模型預(yù)測數(shù)值與實測數(shù)值的1：1圖；圖7為冬季晴天時溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型的檢驗結(jié)果——模型預(yù)測數(shù)值與實測數(shù)值的對比圖；圖8為冬季晴天時溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型的檢驗結(jié)果——模型預(yù)測數(shù)值與實測數(shù)值的1：1圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本專利技術(shù)進行詳細的介紹。本實施例的數(shù)據(jù)為淮安市淮陰區(qū)丁集鎮(zhèn)2016年冬季黃瓜溫室的監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖1為本專利技術(shù)的技術(shù)流程圖。S1：取=5min，每5min采集一次溫室的溫度和CO2濃度數(shù)據(jù)，獲取溫度和CO2濃度的時間序列數(shù)據(jù)。上述時間間隔可任意設(shè)定，但不得超過30分鐘，即0＜≤30min，常用的時間間隔有30秒、1分鐘、2分鐘、5分鐘和10分鐘。越小，監(jiān)測到的溫度和CO2濃度的時間序列數(shù)據(jù)越能反應(yīng)真實規(guī)律，則利用本專利技術(shù)構(gòu)建的模型預(yù)測精度越高，反之則模型的預(yù)測精度下降。本實施方式中以=5min為例進行說明。S2：按自然日對獲取到溫度和CO2濃度的時間序列數(shù)據(jù)進行分割，從分割后的溫度和CO2濃度的時間序列數(shù)據(jù)中隨機選擇95%用于建模，稱為數(shù)據(jù)集RA，以剩余的數(shù)據(jù)用于檢驗?zāi)Ｐ停Q為數(shù)據(jù)集RB。S3：使用滑動時間窗口從數(shù)據(jù)集RA中的溫度和CO2濃度的時間序列數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)以構(gòu)建數(shù)據(jù)集A，從數(shù)據(jù)集RB中的溫度和CO2濃度的時間序列數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)以構(gòu)建數(shù)據(jù)集B。數(shù)據(jù)集A的構(gòu)建示意圖見圖2。滑動時間窗口寬度設(shè)為3，時間窗口的滑動步長設(shè)為1。窗口內(nèi)3個數(shù)據(jù)的采集時間點分別以、和表示，距現(xiàn)在的時間最近，距現(xiàn)在的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種構(gòu)建冬季晴天時溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型的方法，其特征在于，包括以下步驟：S1：以等時間間隔

【技術(shù)特征摘要】
1.一種構(gòu)建冬季晴天時溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型的方法，其特征在于，包括以下步驟：S1：以等時間間隔采集溫室的溫度和CO2濃度數(shù)據(jù)，獲取溫度和CO2濃度的時間序列數(shù)據(jù)；S2：按自然日對所述S1中獲取到的溫度和CO2濃度的時間序列數(shù)據(jù)進行分割，從分割后的溫度和CO2濃度的時間序列數(shù)據(jù)中隨機選擇部分數(shù)據(jù)用于建模，稱為數(shù)據(jù)集RA，剩余數(shù)據(jù)用于檢驗?zāi)Ｐ停Q為數(shù)據(jù)集RB；S3：使用滑動時間窗口分別從所述RA和所述RB中的溫度和CO2濃度的時間序列數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)以構(gòu)建數(shù)據(jù)集A和數(shù)據(jù)集B；S4：根據(jù)所述數(shù)據(jù)集A構(gòu)建溫度動態(tài)變化預(yù)測模型M1；S5：根據(jù)所述數(shù)據(jù)集A中的夜晚數(shù)據(jù)和所述M1構(gòu)建作物有氧呼吸和土壤呼吸二氧化碳釋放速率預(yù)測模型M2；S6：根據(jù)所述數(shù)據(jù)集A中的白天數(shù)據(jù)和所述M2構(gòu)建作物凈光合作用消耗二氧化碳速率的預(yù)測模型M3；S7：根據(jù)所述M1、所述M2和所述M3構(gòu)建冬季晴天時溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型M4。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)建冬季晴天時溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型的方法，其特征在于，在所述S3中，在構(gòu)建所述A和B時，滑動時間窗口的寬度設(shè)為3，滑動步長設(shè)為1，窗口內(nèi)3個數(shù)據(jù)的采集時間點分別以、和表示，距現(xiàn)在的時間最近，距現(xiàn)在的時間最遠，、和時刻的溫度分別以、和表示，、和時刻的CO2濃度則分別以、和表示。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的構(gòu)建冬季晴天時溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型的方法，其特征在于，在所述S4中，所述M1為：其中，所述為所述M1預(yù)測的所述時刻的溫度℃，所述、和為待定系數(shù)，利用所述A和SPSS軟件的非線性擬合功能計算所述、和，計算所述、和時令所述。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的構(gòu)建冬季晴天時溫室二氧化碳濃度預(yù)測模型的方法，其特征在于，在所述S5中，所述...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉乃森，劉福霞，金法華，姜曉劍，吳思凡，周曉霄，張穎，姜佳蓓，馮欣宇，劉麗，
申請(專利權(quán))人：淮陰師范學(xué)院，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32