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基于Java的稻蝦綜合種養決策支持系統研究與開發

添加時間:2021/09/10 來源:未知 作者:樂楓
稻蝦綜合種養是指在保障水稻達到產量要求的前提下,將水稻種植與克氏原螯蝦養殖有機結合,變單一種植或養殖為高質高效生態種養的綠色循環農業模式。因其具有經濟效益顯著、生態增綠突出、業內反響良好等綜合優勢,使其得到了許多新型農業經營主體的認可和應用
以下為本篇論文正文:

摘要

  稻蝦綜合種養是助推鄉村產業振興和農業供給側結構性改革的新興產業之一。本文針對目前稻蝦綜合種養信息化、智能化決策平臺缺乏的現實需求,在稻蝦綜合種養相關理論知識的支持下,基于Java及XML語言和PhotoshopCS6、exe4j等軟件,經系統需求分析與可行性分析、知識信息收集、要素分析、模型分析、UI設計、功能設計、代碼編譯等步驟,開發了單機版和手機版雙平臺稻蝦綜合種養決策支持系統,為稻蝦綜合種養綠色高效技術的推廣應用提供了信息化平臺支撐。主要研宄結果如下:

 。1)基于水稻葉齡模式、群體質量、精確定量栽培與克氏原螯蝦生長發育規律和生態健康養殖技術以及稻田綜合種養相關成果,建立了稻蝦綜合種養歷史沿革、產業現狀、技術規范、專家知識、品種介紹、產品信息等知識庫或數據庫,創新構建了包括稻蝦連作模式下水稻基本苗、精確施肥、病蟲害防治與克氏原螯蝦苗種投放、飼料投放、水質評價、病蟲害防治以及共性的經濟效益計算等在內的決策模型庫,由此形成了嚴密的系統邏輯架構,為稻蝦綜合種養決策支持系統的研發創造了前提條件。

 。2)基于Java面向對象編程語言及其平臺,結合水稻、克氏原螯蝦及其綜合種養相關成果,集成研發了稻蝦綜合種養決策支持系統單機版和手機版軟件。上述系統集基礎知識普及、精準決策支持、相關產品推薦、專家知識獲取、新型裝備、系統幫助與程序使用手冊等功能于一體。經測試與應用,其界面友好,內容豐富,功能可用性、可靠性和可維護性強,分別獲得了國家版權局計算機軟件著作權(2019SR1369214、2020SR1613507),是新型農業經營主體自主學習與自主決策的信息化優質平臺。

  關鍵詞:水稻;克氏原螯奸;稻田綜合種養;決策支持系統

目錄

  第一章緒論

  稻蝦綜合種養是指在保障水稻達到產量要求的前提下,將水稻種植與克氏原螯蝦養殖有機結合,變單一種植或養殖為高質高效生態種養的綠色循環農業模式。因其具有經濟效益顯著、生態增綠突出、業內反響良好等綜合優勢,使其得到了許多新型農業經營主體的認可和應用。作為農業供給側結構性改革的新著力點,近年來其在國內20多個。▍^、市)發展迅猛[1-2].因此,加快稻蝦綜合種養發展進程,規避種養環節水稻與淡水小龍蝦的生產問題,促進稻蝦綜合種養高質量發展,不僅有助于創建新型生態循環農業體系,增加綠色優質農產品供給,而且可針對性解決務農收入少、肥藥水等資源利用率低、稻田環境惡化、農產品質量安全水平不高等一系列問題,真正實現一田多收、一水多用,對加快我國水稻水產深入融合發展具有重大的現實意義[3_5].結合近幾年農業信息化發展大勢,十分有必要為稻蝦綜合種養引入信息化發展元素,以提高農漁作業效率,降低生產成本,提高管理質效,實現科技興稻促漁A'然而,稻蝦綜合種養實踐中尚存在稻田改造不規范、溝坑占比過大(環溝種養易超標)、重蝦輕稻、過量施肥、農藥使用不合理、機械化及信息化程度低等問題,一定程度上引起了業內對于其影響糧食安全與水土環境安全的擔憂,既不利于水稻綠色高質高效生產,又造成淡水小龍蝦生態健康養殖隱患,造成耕地等寶貴資源巨大浪費。筆者調研也發現,大部分種養戶只偏重于水稻種植或淡水小龍蝦養殖單一方面,并未真正實現水稻與淡水小龍蝦種養有機結合,偏離了政府鼓勵支持發展稻蝦綜合種養的初心[^].因此,依托水稻生長發育規律和優質高產栽培技術,結合淡水小龍蝦養殖技術等,借助現代信息化技術手段,強化稻蝦綜合種養從業者對稻蝦綜合種養產業規范發展與科學種養的意識,為他們提供科學有效的決策支持與種養建議,是解決上述問題的有效途徑之一[1M2].目前針對稻蝦綜合種養的決策支持系統研發尚少見報道。已有的相關系統僅能單一地指導水稻種植或淡水小龍蝦養殖,難以滿足多產融合和農業供給側結構性改革的發展需要[13_15].

  此外,以往的決策支持系統大多僅為PC單機版或網絡版或手機版之一,未能顧及多元化應用場景,制約了系統普及應用[16_17].為此,本文基于Java編程語言和XML可擴展標記語言等,研發了單機版和手機版雙平臺稻蝦綜合種養決策支持系統,集成發展歷程、技術規范、決策支持、產品中心、知識園地、新型裝備等功能,使之具有易于使用、易于擴展、易于維護的特點,服務一線農技工作者和稻蝦綜合種養生產經營人員,成為稻蝦綜合種養者的"好幫手"和"e智囊",具有研究的新意和必要性。

  1稻蝦綜合種養研究進展

  2015、2016、2017、2020年中央一號文件強調"種養結合""稻田綜合種養",為稻蝦綜合種養指明了前進方向,注入了強大動力。稻蝦綜合種養以稻為主,兼顧水稻生產與淡水小龍蟲下養殖,在把握單一水稻種植規律和淡水小龍奸養殖規律的基礎上,研究連作種養模式下的差異,才能掌握稻蝦綜合種養自身的規律,發揮稻蝦綜合種養多方面優勢,提高低洼地、冷浸田、沼澤地、鹽堿地等資源利用率,保證水稻生產穩定,實現稻蝦雙贏,促進農業增綠、農民增收!吨袊↓埼r產業發展報告》(2020)顯示,2019年中國淡水小龍蝦產業總產值達4110億元,其中,淡水小龍蝦養殖業產值約710億元,淡水小龍蝦養殖總產量達208.96萬t,養殖總面積128.6萬hm2.按養殖模式分,淡水小龍蝦稻田養殖占比最大,產量為177.25萬t,養殖面積為103.6萬hm2[18].全國稻蝦生態種養面積從2017年的56.67萬hm2,已發展到2019年的110.53萬hm2,年均增長率達39.66%.從全國看,湖北、安徽、湖南、江蘇、江西5個淡水小龍蝦養殖大省繼續保持增長,其中浙江省湖州和嘉興等地在地方政府政策導向下稻蝦種養模式迅速發展,2019年實現盈利的種養殖戶占比80%以上[19-21].

  1.1水稻栽培技術研究進展

  稻米是許多文化的基石,是生命與富足的象征。我國是世界栽培稻起源地,有著悠久的種植史。水稻在我國歷史農耕文化長河中占有重要地位[22_23],孕育了"稻飯羹魚""魚米之鄉"深厚的文化,承載著今天國民,尤其是南方人民主糧的重任,是國家糧食安全體系的重要組成部分。經持續攻關突破,我國水稻栽培技術取得了顯著成就,在大面積水稻因種高產優質栽培上取得了突出成效,為保障國家糧食安全、促進農民增產增收奠定了技術基礎[24].

  建國初,我國水稻栽培以總結經驗為主,后形成了以"小、壯、高""葉齡模式"為代表的高產栽培技術理論體系,揭示了栽培技術與高產之間的關系及其機理機制第一次綠色革命讓矮桿水稻進入了人們的視野,通過選擇合理的水稻株型、提高種植密度,使得水稻產量顯著提升。雜交稻品種的選育成功又大幅增加了水稻的每穗粒數和千粒重,使得水稻源庫關系進一步協調[25-26].20世紀90年代,水稻栽培上從育秧到田間管理都出現了新技術,如旱育秧、寬窄行、氮肥后移、干濕交替等。水稻栽培有關的理論體系也取得重大突破,如群體質量理論、源庫理論、精確定量栽培理論與技術等[27-29].

  進入新世紀以來,國家為農業發展提供了巨大支持,國家糧食豐產科技工程、國家重點研發計劃"糧食豐產增效科技創新"重點專項等項目的實施,促進了國內眾多栽培技術的創新研發與落地推廣應用,為我國糧食持續豐產增效提供了強大驅動力。此外,又出現了種類更多的農業發展新方向,包括智慧稻作、生態稻作、休閑稻作等[3<?n,展現了水稻生產與時俱進的強大活力。隨著信息技術和電子制造業的快速進步,農業正成為信息化建設的風口與主戰場。地理信息系統、遙感技術、北斗導航系統、人工智能系統等均可在水稻生產領域一展身手、發揮效用。我國國土遼闊,各地區的土壤環境和氣候條件差異較大,適宜種植的水稻品種類型也各不相同,利用地理信息系統可在全國范圍進行合理的水稻種植布局規劃%.隨著我國自主研創的北斗導航系統布局完成與全球化應用服務開展,以及5G技術加速推廣,芯片定位更加準確可靠,信息傳遞速度空前增強。設計定位導航程序植入芯片,即可實現農用機械的無人導航駕駛,有助于提高全時域水稻生產作業效率。目前市場上己有自主精準導航的無人植保機、無人施肥機、無人插秧機、無人聯合收割機等投入規;旧a應用[33].利用無人機的高清航拍功能,輔以高精確度的圖像識別算法,能對水稻生產進行全方位監測與生長發育診斷;跓o人機的遙感技術監測對象更全面,視野相對寬闊,速度更快,效率更高,識別準確度也更高,能快速高效發現生產問題,減少損失[34].

  此外,依靠虛擬仿真技術可以模擬水稻生長的最佳環境,探索實現更高產更優質的途徑,減少試驗投入成本[35].由計算機軟件輔助的信息采集、決策支持、農事服務等,也為水稻生產活動注入了強大活力,助力新時代水稻精準化和智能化發展[36].

  1.2克氏原螯蝦養殖技術研宄進展

  克氏原螯蝦俗稱淡水小龍蝦,原產于墨西哥、美國等國家,后通過物種入侵途徑進入我國[37].淡水小龍蝦是高蛋白、低脂肪、味鮮肉細的傳統水產品P8].近年來,在新消費的推動下,淡水小龍蝦因其口味多樣、價位適中,故已成為國民餐桌上老少皆宜的網紅食品。已知早在1880年法國便開始鰲蝦產業化養殖,是全球最早創辦淡水小龍蝦養殖場的國家。20世紀50年代,美國路易斯安那州等開始進行淡水小龍蝦產業化商品化養殖。從1988年開始的13年間,美國養殖總面積超過6.3萬hm2,年均產量約4萬t.20世紀70年代,西班牙、葡萄牙等國開始淡水小龍蝦養殖,2002年前年均產量各約30001.

  澳大利亞1960年開始研宄淡水小龍蝦養殖,全國300余個螯蝦養殖場每年可生產5000t淡水小龍蝦[3943],其中包括克氏原螯蝦和澳洲淡水小龍蝦等。20世紀90年代我國出現了第一批淡水小龍蝦加工企業,主要生產蝦仁和提煉甲殼素等產品,其中部分產品實現了出口創匯。進入新世紀后,國內淡水小龍蝦的消費需求快速上升,湖北、湖南、安徽、江蘇、江西等省先后成為淡水小龍蝦主產區,其中稻蝦綜合種養是主要養殖方式。根據淡水小龍蝦生活習性與生長發育規律,國內已總結出了成套的養殖技術[44"47】。2007年國內淡水小龍蝦總產量僅為26.55萬t,2017年產量則已達112.97萬t.2018年和2019年,國內淡水小龍蝦總產量分別達到163.87萬t和208.96萬t,進入了快速增長上行階段。由于政策的推動與市場需求的強力拉動,使得淡水小龍蝦成為江蘇省十大主推養殖品種之一[48]近

  年來,由于淡水小龍蝦在新消費的驅動下市場需求上升,價格持續走高,因而激發了從業人員的養殖熱情,"龍蝦市""龍蝦鎮""龍蝦村"應運而生,但發展中的相關問題也逐漸顯露,引起了有關方面的重視。在生產環節養殖戶普遍采取捕大留小、分批收獲上市的作業方式,加劇了淡水小龍蝦優良性狀退化,大規格偏少,小規格偏多,實際種養效益提振乏力。部分農戶違規使用藥物,少量不良商家違法使用洗蝦粉等問題也有存在[4547'49].稻蝦綜合種養作為農業供給側結構性改革的重要抓手,其本質是立足于糧食安全,優化農產品供給結構,幫助農民増收致富。但將常規稻田改造為稻蝦田需要開挖溝坑,為此需占用10%以內的耕地面積,盡管存在邊際效應補償,但勢必對水稻產量造成一定影響。由于稻谷單價遠低于淡水小龍蝦價格,且生長周期長、生產流程與田間管理復雜,因而種養戶對淡水小龍蝦養殖的關注度遠大于種稻,導致種稻與養蝦的主次發生扭曲,適度發展稻蝦綜合種養被提上日程[50"51].

  蝦稻田改造需貫徹專門的技術規范,一般配有邊溝、防逃網、內外雙埂、進排水口等,因而耕地改造和租賃費用較高。力口之,蝦稻田農機作業困難、淡水小龍蝦市場價格波動大、2020年受新冠肺炎疫情的影響、淡水小龍蝦塘口價低等均限制了稻蝦綜合種養規模的進一步擴大[52_5.

  2農業決策支持系統研究進展

  2.1國外農業決策支持系統研究進展

  2.2國內農業決策支持系統研究進展

  3論文研宄內容和技術路線

  3.1論文研究內容

  3.2技術路線6#敎獻

  第二章系統目標與設計

  1系統目標

  2開發環境

  2.1平臺選擇

  2.2平臺優勢

  3功能設計

  4界面設計

  4.1平臺配置

  4.2界面構建

  5代碼編譯

  參考文獻

  第三章稻蝦綜合種養決策支持系統單機版程序實現與應用

  1發展歷程模塊18U發展歷程內容

  1.2功能界面182技術規范模塊

  2.1技術規范內容

  2.2功能界面

  3決策支持模塊

  3.1水稻基本苗決策

  3.2水稻精確施肥決策

  3.3病蟲害防治決策

  3.4蝦苗投放量決策

  3.5飼料投放量決策

  3.6水質評價決策

  3.7經濟效益計算

  4產品中心模塊

  4.1產品中心內容

  4.2功能界面

  5知識園地模塊

  5.1知識園地內容

  5.2功能界面326小結與討論

  6.1小結

  6.2討論

  參考文獻

  第四章稻蝦綜合種養決策支持系統手機版程序實現與應用

  1產業現狀模塊

  1.1產業現狀內容

  1.2功能界面

  2技術規范模塊

  2.1技術規范內容

  2.2功能界面

  3決策支持模塊

  3.1水稻基本苗決策

  3.2水稻精確施肥決策

  3.3病蟲害防治決策

  3.4蟲下苗投放量決策

  3_5飼料投放量決策

  3.6水質評價

  3.7經濟效益計算

  4產品中心模塊

  4.1產品中心內容

  4.2功能界面

  5新型裝備模塊

  5.1新型裝備內容

  5.2功能界面

  6知識園地模塊

  6.1知識園地內容

  6.2功能界面

  7小結與討論

  7.1小結

  7.2討論

  參考文獻

  第五章結論與討論

  1結論

  稻蝦綜合種養是近年來全國各地興起的生態循環農業模式之一。本文針對目前稻蝦綜合種養信息化、智能化決策平臺缺乏的現實需求,在稻蝦綜合種養相關理論知識的支持下,基于Java及XML語言和PhotoshopCS6、exe4j等軟件,經系統需求分析與可行性分析、知識信息收集、要素分析、模型分析、UI設計、功能設計、代碼編譯等步驟,開發了單機版和手機版雙平臺稻蝦綜合種養決策支持系統,為稻蝦綜合種養綠色高效技術的推廣應用提供了信息化新平臺支撐。主要研究結果如下:

 。1)基于水稻葉齡模式、群體質量、精確定量栽培與克氏原螯蝦生長發育規律和生態健康養殖技術以及稻田綜合種養相關成果,建立了稻蝦綜合種養歷史沿革、產業現狀、技術規范、專家知識、品種介紹、產品信息等知識庫或數據庫,創新構建了包括稻蝦連作模式下水稻基本苗、精確施1巴、病蟲害防治與克氏原螯蝦苗種投放、飼料投放、水質評價、病蟲害防治以及共性的經濟效益計算等在內的決策模型庫,由此形成了嚴密的系統邏輯架構,為稻蝦綜合種養決策支持系統的研發創造了前提條件。

 。2)基于Java面向對象編程語言及其平臺,結合水稻、克氏原螯蝦及其綜合種養相關成果,集成研發了稻蝦綜合種養決策支持系統單機版和手機版軟件。

  上述系統集基礎知識普及、精準決策支持、相關產品推薦、專家知識獲取、新型裝備、系統幫助與程序使用手冊等功能于一體。經測試與應用,其界面友好,內容豐富,功能可用性、可靠性和可維護性強,分別獲得了國家版權局計算機軟件著作權(2019SR1369214、2020SR1613507),是新型農業經營主體自主學習與自主決策的優質平臺。本文的創新點在于:

 。1)建立了稻虹綜合種養相關知識庫、數據庫,創建了稻蝦連作模式下水稻和克氏原螯蝦種養相關的決策模型庫。

 。2)基于Java等語言,研發了單機版與手機版稻蝦綜合種養決策支持系統,服務不同用戶群體,利于先進適用技術普及推廣

  2討論

 。1)稻蝦綜合種養綠色高效發展須以"穩糧增收"為前提,以"不與人爭糧,不與糧爭地"為基本原則,兼顧水稻與淡水小龍蝦生產。在稻蝦連作模式下,其茬口銜接、水稻品種選用(突出抗倒性)、肥料施用量、田間灌溉、綠色防控、水質評價等各個環節皆區別于單一的水稻種植模式。江蘇作為水稻大省,南北跨度大,蘇南、蘇中、蘇北的溫光水土氣等資源差距較大,因此在水稻品種選擇、肥料運籌、綠色防控等方面存在明顯不同,而本研宄主要是基于江蘇省盱眙縣、安徽省天長市等稻蝦綜合種養的實踐所得和國內稻蝦綜合種養研究進展而研發的,故在其他很多省份及地區的決策過程中恐有一定程度的偏差,需要在稻蝦連作種養實踐中,結合實際合理優化決策結果,進行科學種養生產。

 。2)本研宄開發的稻蝦綜合種養決策支持系統雖整合了大量數據信息知識且支持智能化決策,但所研發的系統尚缺乏自主收集信息并整合的功能,如增加品種信息、專家知識等仍需要開發者操作,可通過版本升級加以解決。此外,受限于系統后臺管理的工作量和安全性,本系統的用戶之間溝通交流不便,用戶無法獲知并借鑒其他用戶的經驗,在后續的研究中可以架構云端服務器,為用戶提供討論區,以進一步優化決策支持系統的用戶體驗。

 。3)稻蝦綜合種養的主要模式是稻蝦連作、稻蝦共作和一稻多蝦。本系統主要適用于稻蝦連作模式。由于稻蝦共作和一稻多蝦模式下淡水小龍蝦活動范圍和稻蝦茬期變化,因而在苗種投放決策、飼料投喂決策、病蟲害防治決策等方面,難以做到科學匹配。未來可通過專項研究,在決策界面添加其他模式的決策功能,以真正實現系統的通用性和機理性,進而提升系統價值。

致謝

  時光荏苒,三年碩士研究生生涯即將結束。很榮幸跨專業考入揚州大學農學院作物栽培學與耕作學學科學習。導師高輝副教授為我制訂了全面的碩士研究生培養計劃。

  從盱眙基地田間地頭到課堂內、實驗桌前、圖書館中,我逐漸掌握了稻蝦綜合種養生產技術要點與多種農機操作技術等。后在導師的指導下進一步提高了編程水平,結合稻蝦綜合種養理論知識學習與一線實踐所得,完成了碩士學位論文。

  在學術論文與學位論文寫作過程中,導師必字字斟酌,細致修改,使我的論文寫作水平得到很大提高,收益良多。在此向導師深表謝意!感謝張洪程院士、戴其根教授、霍中洋教授、許軻教授、魏海燕教授、郭保衛副教授、胡雅杰講師等給我的關心指導和幫助。感謝竇志博士后、徐強博士和張延發、李陽陽、陳澤、郭哈倫、陳林榮、周翌城、陸堯等學友,在我系統研發和盱眙駐點實踐期間給予的支持和幫助,為我順利完成系統研發與論文寫作創造了條件,從中也收獲了千金難換的友情。感謝我的父母和姐姐多年來給予我的關心和鼓勵。在我成功時,勉勵我戒驕戒躁。

  在我遇到挫折和挑戰時,又勸我再接再厲。正是他們的無私關愛與全力支持,使得我不斷取得進步,勇于攀登高峰。言有盡而情無涯。在此向所有給予我幫助、關心的老師、同學和家人,以及答辯委員會的各位專家教授表示衷心的感謝!

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