Uncertain and multi-objective programming models for crop planting structure optimization

Crop planting structure optimization is a significant way to increase agricultural economic benefits and improve agricultural water management. The complexities of fluctuating stream conditions, varying economic profits, and uncertainties and errors in estimated modeling parameters, as well as the complexities among economic, social, natural resources and environmental aspects, have led to the necessity of developing optimization models for crop planting structure which consider uncertainty and multi-objectives elements. In this study, three single-objective programming models under uncertainty for crop planting structure optimization were developed, including an interval linear programming model, an inexact fuzzy chance-constrained programming (IFCCP) model and an inexact fuzzy linear programming (IFLP) model. Each of the three models takes grayness into account. Moreover, the IFCCP model considers fuzzy uncertainty of parameters/variables and stochastic characteristics of constraints, while the IFLP model takes into account the fuzzy uncertainty of both constraints and objective functions. To satisfy the sustainable development of crop planting structure planning, a fuzzy-optimization-theory-based fuzzy linear multi-objective programming model was developed, which is capable of reflecting both uncertainties and multi-objective. In addition, a multi-objective fractional programming model for crop structure optimization was also developed to quantitatively express the multi-objective in one optimization model with the numerator representing maximum economic benefits and the denominator representing minimum crop planting area allocation. These models better reflect actual situations, considering the uncertainties and multi-objectives of crop planting structure optimization systems. The five models developed were then applied to a real case study in Minqin County, north-west China. The advantages, the applicable conditions and the solution methods of each model are expounded. Detailed analysis of results of each model and their comparisons demonstrate the feasibility and applicability of the models developed, therefore decision makers can choose the appropriate model when making decisions.     

基于EEMD分解与BOA算法优化神经网络的密云水库大阁水文站径流预测

利用R/S分析法研究密云水库潮河流域大阁水文站1969-2013年的径流数据的变化趋势，以BP神经网络为背景，EEMD分解为辅助，建立分解-重构-预测的组合模型对月径流序列进行预测，利用蝴蝶算法（BOA）优化组合模型，综合得到最优预测模型。结果表明，大阁站年、月径流序列均呈现下降趋势；对月径流序列预测，BPNN预报合格率为60.0%，不能用于预报作业，但可作为参考使用（MAE=0.406，RMSE=0.539，MAPE=0.349 7）；引入BOA算法优化BP网络参数，得到EEMD-BOA-BP模型预报合格率为83.3%，可以用于预报作业（MAE=0.257，RMSE=0.347，MAPE=0.219 5）。通过EEMD分解得到分解-重构-预测组合模型对提高模型精度有一定的作用，同时在组合模型中引入优化算法能进一步提高模型精度。     

基于target-MOTAD改进模型的设施农作物组合优化研究

为深入研究设施农作物风险条件下最优生产组合,在target-MOTAD(The minimization of total absolute deviation model)模型基础上,打破风险状态概率等值恒定限制,对target-MOTAD模型进行改进。利用南京市六合区设施农户抽样调查数据,运用target-MOTAD改进模型实证研究设施农业中"高设施,高风险,高收益"与"低设施,低风险,低收益"2类情境的设施农户的生产经营状况以及不同风险条件下最优组合种植策略。结果表明:利用伪随机数模拟风险状态发生概率的target-MOTAD改进模型研究不确定情境的设施农作物组合种植计划是正确和有效的;南京市六合区"典型设施农户"的种植结构需要调整。综合考虑风险状态的规律和生产资料投入等因素,target-MOTAD改进模型更接近现实种植情况,可为不确定情境下设施农作物种植计划决策提供借鉴。     

最优化技术在确定最佳施肥量提高农产品品质上的应用

农产品的品质,无论是加工品质和贮藏品质,还是食用品质,作为一个综合概念,均与一系列的品质性状有关。要想通过合理施肥,既使产品的质量满足消费者特别是加工和销售部门对产品品质的特殊需求,又能获得最大的经济效益,将涉及到在复杂的农业生物系统中综合目标的实现。本研究应用优化控制的方法,在微机上建立了非线性数学优化模型。优化计算的实例显示,利用优化模型可以迅速方便地计算出既能达到所要求的农产品品质指标,又能获得最大经济效益的最佳NPK施肥量。与其他方法相比较,由于优化模型一方面考虑到了NPK三种主要营养元素对作物生长的复合作用;另一方面,应用了多项产量和品质参数来衡量作物的肥效反应,因而较现行确定施肥量的方法有更大的可靠性。此外,利用这一优化模型既可以评价作物的肥效效应,又可以确定获得期望达到的生长效应所需要的NPK施肥量,故较目前常见的模拟模型有更多的功用。     

基于高时空分辨率遥感数据协同的作物种植结构调查

[目的]充分发掘遥感影像的空间、时间和光谱等特征谱信息,探索地块基元支持下的多源遥感数据作物种植信息自动识别方法,为作物种植结构信息的快速、精细化调查提供借鉴.[方法]以广西扶绥县为研究区,通过对高空间分辨率影像的多尺度分割和对象廓线编辑,提取精细农田地块信息;以地块为基元获取覆盖作物生育期内的时序光谱特征;基于时序光谱及其变化定义与作物长势状况相关的描述参量,形成静态光谱与动态过程特征结合的多维特征空间,结合作物的物候节律特征构建作物种植信息提取模型,实现主要农作物种植结构信息的提取.[结果]依据上述方法绘制出广西扶绥县甘蔗、水稻和其他作物农田及草地、林地、水体、城镇建设用地等的精细地块图,其中,提取广西扶绥县甘蔗和水稻作物的总面积分别为82420.01和6806.67 ha,作物提取的总体分类精度为86.8%,Kappa系数为0.84.[结论]提取的广西扶绥县作物种植结构的成果满足使用精度要求,可为精准农业补贴投放、农业灾害定损等政策制定提供依据,而技术方法对于作物种植结构信息的快速、精细化调查具有借鉴意义.     

基于线性规划模型的农业种植业结构优化研究

以土地资源、农作物需水量、肥料、乡村劳动力资源、农业机械总动力等作为农业种植业规划的约束条件,建立基于线性规划的农业种植业结构优化数学模型。以山东枣庄市为例,提出农业种植业结构优化方案,该优化方案具有实用性和合理性。     

基于混沌理论的自适应模糊推理网络系统在径流时间序列预测中的应用

水文期预报对水资源管理、调度及社会的生产、生活具有十分重要的意义。针对常规混沌预测方法的局限性,提出基于混沌理论的自适应模糊推理网络系统的径流时间序列预报方法。该方法径流时间序列被分解为趋势项、周期项和随机项,对随机项进行混沌辨识,然后建立有自适应能力的神经网络模糊推理模型对随机项进行预测,最后将各项线性叠加进行径流预报。实例表明,该方法预测精度较高,具有良好的泛化推广能力。     

基于遗传程序设计的产流预报模型

产流预报模型是洪水预报的基础,为了提高产流预报精度,将遗传程序引入降水、径流关系回归模型中。遗传程序能够通过自身演化寻找因果变量之间的回归关系,自动形成函数表达式,比传统方法有很大的灵活性,不必事先选定具体的数学表达式。将该预报模型应用于陡河水库的径流预报,并同传统线性回归方法进行比较,结果表明:基于遗传程序设计的产流预报模型适应性强,拟合精度高,适合解决非线性问题,为径流预报提供了新方法。     

基于EFAST方法的CERES-Wheat作物模型参数敏感性分析

为有效识别作物模型关键参数,减少模型模拟的不适用性,根据中国农业大学上庄实验站小麦田间实测数据,应用EFAST方法对CERES-Wheat模型输入参数进行定量的全局敏感性分析,分析小麦模拟产量对作物参数、土壤参数和田间管理参数变化的敏感性。结果表明:CERES-Wheat模型的作物品种型参数中,标准籽粒质量参数对模拟结果影响最大,而生态型参数中影响最大的是营养生长末期叶片面积质量比率;土壤参数中的矿化系数对模拟结果影响最显著;管理参数中的施氮量、播种日期、施肥日期、播种深度对模拟结果影响较显著。基于EFAST方法的敏感性分析对作物模型修正具有指导意义,可为确定模型关键参数及模型进一步优化提供参考依据。     

河北省种植业结构调整决策支持系统研究

为了使河北省的种植业结构调整更加理性化和规范化,增加结构调整的可操作性,应用系统动力学模型设计了种植业结构调整决策支持系统,以科学、理性地调整河北省种植业结构。在本系统中输入作物播种面积、产量、价格等相关数据后,就可以得到既定结构下河北省的种植业总产值。     

基于改进神经网络的农村电力系统短期负荷预测

为进一步提高农村电力系统短期负荷预测模型的性能,实现准确与快速预测农村电力系统短期负荷的目的,采用基于优化理论的Levenberg-Marquardt算法来改进传统的BP算法,并构造电力系统负荷预测模型。结果表明,基于L-M算法的神经网络预测模型具有较高的预测精度,在农村电力系统短期负荷预测方面具有较高的使用价值。     

灰色系统理论在黑龙江省农作物秸秆可收集量预测中的应用

农作物秸秆可收集量的预测是进行能源规划、大规模开发利用资源的基础.试验在综合2006～2010年发表的原创性研究文献的基础上,确定了草谷比和可收集系数,从而估算出1990～2009年黑龙江省农作物秸秆可收集量.用灰色关联分析方法分析黑龙江省农作物秸秆可收集量的影响因素,通过计算各因素关联度大小.结果表明,农村劳动力、农...     

辽西地区作物多熟种植模式研究

做为农业技术推广中心的农艺师，从2000年以来，笔者在广泛收集外地经验做法和当地农民种田经验的基础上，先后在义县农业技术推广中心科技示范场、乡镇科技示范村、示范户试验示范种植，种植种类20余种，种植形式2种。其中粮油作物多熟种植是充分利用土地资源和光能。提高复种指教，增加复种面积，合理调整种植业结构，实现农民增产增收的主要途径之一。     

菜地氮素循环途径及其环境效应综述

菜地生态系统氮肥投入量大,氮素循环强度高,损失途径多,损失量大。氮素除被作物吸收外,易造成土壤硝酸盐累积,引起土壤质量下降,进而通过剖面淋洗、地表径流和硝化、反硝化等途径损失,造成地下水硝酸盐污染、地表水富营养化以及大气污染．同时土壤中过量的硝酸盐累积引起蔬菜对硝酸盐过量吸收,造成蔬菜硝酸盐超标。水体和蔬菜硝酸盐超标对人体健康存在直接的负面作用。然而菜地复种指数高,在今后仍是增加农民收入的重点产业。菜地大量氮肥的施用引起的环境问题日益突出。综述了氮素循环途径及其环境效应。     

基于蓝水资源的新疆农业种植结构调整分析

新疆水资源匮乏,大部分水资源用于农业,调整农作物种植结构,对于减小新疆农业用水量,优化水资源配置具有重要意义。本研究将新疆分为南疆、北疆、东疆和伊犁河谷,利用18个气象站2000-2009年的气象资料,分析三种主要作物(棉花、玉米、小麦)的蓝水蒸散量及蓝水需水量。对四个地区农作物种植结构进行调整,对比分析调整前后蓝水需水量变化。结果表明:1)基于农作物种植总面积不变原则,调整各地区农作物种植结构,全疆农作物蓝水需水量减少近2×108 m3;2)基于水资源总量控制,在"十二五"规划面积基础上调整农作物种植结构,蓝水需水量减少10.56×108 m3,全疆粮食作物玉米和小麦产量均满足规划要求,棉花产量尚需进一步提高。以蓝水蒸散量为工具,合理布局农作物种植结构,适当减小农作物种植面积,可以减少农业用水量,同时减小对农作物产量的影响。     

桃江县耕地利用结构优化研究

从县域尺度对桃江县耕地空间布局、作物种植结构等方面进行研究,为不同地区的耕地结构优化研究提供案例,可以完善耕地结构优化框架体系,同时桃江县作为经济欠发达县城,研究结果可以为我国广大同类地区耕地结构优化研究提供借鉴和参考,有重要的理论意义。开展县域尺度耕地结构优化研究,研究耕地综合生产能力,探索耕地资源最优配置,分析耕地结构优化的经济、社会和生态效益,对合理利用耕地资源,为区域耕地的动态平衡与区域调控,实现区域耕地的可持续利用,特别是对农业优势地区的耕地可持续发展,以及协调好耕地保护与经济发展之间的关系有着重要的实践意义。     

基于哑变量的闽楠天然次生林单木胸径和树高生长模型研究

目的通过对闽楠天然次生林胸径和树高生长规律及生长模型的研究,为林木生长预估及林分质量提升经营措施的制订提供参考。方法以江西省安福县闽楠天然次生林为研究对象,通过标准地调查及树干解析等方法获取基础数据,按林木竞争压力水平从小到大将林木分为类型1、类型2和类型3,分析胸径和树高的生长规律;选取5种具有生物学意义的生长方程,根据模型拟合优度与评价指标选取最优基础生长模型,在最优模型的基础上构建含竞争类型哑变量的生长模型。结果（1）利用树干解析数据分析显示,30 ~ 50年为胸径生长速生期,连年生长量最大值达到0.57 cm;35 ~ 45年为树高主要生长速生期,连年生长量最大值为0.37 m。（2）胸径最优基础模型为Gompertz方程,模型R2和预估精度分别为0.756和94.28%,构建的最优哑变量模型的R2和预估精度分别为0.873和95.71%;树高最优基础模型为修正Weibull方程,模型R2和预估精度分别为0.856和96.54%,构建的最优哑变量模型的R2和预估精度分别为0.882和96.96%。（3）由构建的哑变量生长模型拟合的不同竞争类型下的胸径和树高生长曲线得知,胸径和树高总生长量均表现为类型1 > 类型2 > 类型3,类型1胸径最大生长量是类型3的1.6倍。结论竞争压力对闽楠胸径、树高生长均产生影响,较大的林木竞争压力不利于闽楠生长;构建含有竞争类型哑变量模型的拟合优度及预估精度均优于基础模型,有利于提高建模的精度和模型的适用性。      

考虑种植风险的灌区供水量优化配置研究

为了避免灌溉水量优化配置求解结果中粮食作物供水量为零的情况,通常在模型中设置粮食作物最小灌溉面积或最低产量的约束,该约束的设置能够显著降低优化模型的客观性。鉴于此,本研究在灌区灌溉供水量优化配置模型中引入了种植风险系数。该模型以灌区灌溉增产效益最大为目标,利用作物水分生产函数,同时给出了不同作物的优化灌溉用水量和优化灌溉面积,实现了灌区灌溉水资源的优化分配。以山西省夹马口灌区为例进行了分析研究,求解的作物灌溉面积占总灌溉面积的比例与灌区现状非常一致,表明该模型合理可靠,可用于指导灌区灌溉用水管理。该研究结果对灌区农户合理确定种植结构也具有重要参考价值。     

再生水与天然水资源农田灌溉的模糊优化配置

运用模糊数学优化的原理，综合考虑农业可持续发展的社会需要和经济效益，建立了再生水与天然水资源农田灌溉的多目标模糊线性规划优化配置模型，以合理分配各种水资源，确定农业最优种植模式。该模型以作物的种植面积为决策变量，以再生水和天然水的水质、水量为约束条件，以粮食作物、蔬菜和水果产量最大、农民经济收益最大为目标。并以天津市为例进行了再生水和天然水资源农田灌溉和种植模式的优化配置计算。结果表明，优化配置能保证各种作物的水量分配比较合理，作物产量能满足城市发展对其最低的需求，且能获得较好的经济效益。     

基于非线性规划农业机器系统优化模型及应用

针对现有农业机器系统优化方法及模型存在问题,研究典型地区作物种植结构、轮作、轮耕制度及农业机械化生产特点,确定农业机械化生产工艺过程,初选农业机器型号,设计农事阶段图;设置四维下标决策变量,选择作物适时性损失,以机器系统总成本最小为目标函数,建立规模化生产,农业机器系统优化非线性规划模型;应用该模型对1 000 hm2基准规模单作玉米、大豆轮作条件下农业机器系统优化研究。采用LINGO(V14)软件计算结果显示优化系统与现实机器系统相比,农业机器配备量减少26.21%,农业机器总投资降低20.79%,年费用降低22.57%,单位功率服务规模提高40.74%,有效降低农业机械化生产成本,提高农业生产经济效益。为农业生产单位科学合理选用和配置农业机器提供理论依据。