利用混合蛙跳算法优化基于APSIM的旱地小麦产量形成模型参数

利用混合蛙跳算法优化基于APSIM的旱地小麦产量形成模型

参数

聂志刚;李广;雒翠萍;马维伟;代永强

【摘要】模型参数的快速、准确估算是产量形成模型应用的重要前提.在基于APSIM (agricultural production systems simulator)的旱地小麦产量形成模型参数本土化率定过程中,存在体量大、耗时长、精度低、效率低的缺点,本研究利用智能算法优化模型参数,试图解决上述问题.依据甘肃省定西市安定区李家堡镇麻子川村2002-2005年、凤翔镇安家沟村2015-2016年大田试验数据以及定西市安定区1971-2016年气象和产量资料,运用混合蛙跳算法分组轮换和全局信息交换的智能策略,对基于APSIM的旱地小麦产量形成模型参数进行了优化,并采用相关性分析方法检验.该优化方法利用青蛙智能的群体生物进化学习策略,可实现对小麦产量形成模型参数的估算,较APSIM平台参数本土化率定常用的穷举试错法,参数优化后产量模拟精度显著提高,均方根误差(RMSE)平均值由79.13 kg hm-2降低到35.36 kg him-2,归一化均方根误差(NRMSE)平均值由5.97％降低到2.63％,模型有效性指数(ME)平均值由0.939提高到0.989.该方法全局优化能力强,收敛速度快.【期刊名称】《作物学报》

【年(卷),期】2018(044)008

【总页数】8页(P1229-1236)

【关键词】小麦;混合蛙跳算法;APSIM;参数优化

【作者】聂志刚;李广;雒翠萍;马维伟;代永强

【作者单位】甘肃农业大学资源与环境学院,甘肃兰州730070;甘肃农业大学信息科学技术学院,甘肃兰州730070;甘肃农业大学林学院,甘肃兰州730070;甘肃农业大学信息科学技术学院,甘肃兰州730070;甘肃农业大学林学院,甘肃兰州730070;甘肃农业大学信息科学技术学院,甘肃兰州730070

【正文语种】中文

为争取产量形成三要素的充分协调发展, 许多研究者以产量形成因素为主线, 因地制宜构建作物产量形成模型[1-2], 为当地农作物生产调控与预测提供依据。模型参数的快速、准确估算是产量形成模型应用的重要前提[3]。目前, 本土化参数的率定主要是根据研究区长期田间试验结果, 采取穷举试错法[4-5], 依靠研究者丰富的农学知识和经验, 手动调参, 以尽可能缩小目标模拟值与实测值的误差, 率定过程中, 体量大、耗时长、精度低、效率低的问题突出。近年来, 国内外学者将智能计算方法探索性地引入作物模型的参数优化中, 如Mansouri等[6]利用改进的粒子滤波算法(improved particle filtering algorithm, IPF)获得了更准确的作物生物量和蛋白质含量预测模型参数; 庄嘉祥等[3]将个体优势遗传算法(individual advantages genetic algorithm, IAGA), 应用于水稻生育期模型参数估算, 并快速、准确获得了模型参数估算值; 刘铁梅等[7]使用遗传模拟退火算法(genetic simulated annealing algorithm, GSA)快速获取了大麦叶面积指数模型参数。具有自组织、自学习等特征的智能算法, 实现了模型参数的自动率定, 提高了调参效率[3], 改善了参数率定过程中量大、时长、精度低的缺点。然而, 由于智能算法优化策略及复杂度的差异, 使得优化过程中出现了收敛方向不明、局部极值最优、算法设定参数多等现象, 其迭代运算量大, 收敛速度慢, 收敛值偏差及操作不便等问题仍待进一步解决。本文利用混合蛙跳算法(shuffled frog leaping algorithm, SFLA)先进的分组轮换和全局信息交换优化策略, 立足于定西市安定区李家堡镇麻子川村2002—

2005年、凤翔镇安家沟村2015—2016年大田试验数据以及定西市安定区1971—2016年气象和产量资料, 对基于APSIM (agricultural production systems simulator)的旱地小麦产量形成模型参数进行优化, 旨在为黄土丘陵区旱

地小麦作物模型的有效、精确和实用提供一定的技术支持。

选取黄土丘陵雨养农业典型区域甘肃省定西市安定区, 该区一年一熟制, 春小麦是

种植面积较大的作物。该区域地处甘肃省中部偏南, 海拔2000 m左右, 属中温带

干旱、半干旱气候区; 昼夜温差大, 太阳辐射充足, 年均气温6.4℃, 年≥10°C的活

动积温2000~3000°C, 年均日照时数2400 h以上; 年均降雨量385.0 mm, 降水

季节分配极不均匀, 主要集中在7月至9月, 且多暴雨事件; 无霜期140 d, 无灌溉

条件。

2002—2005年在定西市安定区李家堡镇麻子川村和2015—2016年在定西市安

定区凤翔镇安家沟村进行大田试验。采用定西地区常用的传统耕作方式, 试验小区面积分别为20 m × 4 m和6 m × 4 m, 保护边行为0.5 m, 完全随机区组设置, 3

次重复。供试作物为春小麦“定西35”, 按当地常用量(187.5 kghm–2)用免耕播

种机播种, 播深7 cm, 行距0.25 m [8]。肥料作为基肥播种时一次性施入。每年3

月中旬播种, 7月下旬收获, 收获时取样20株考种, 以各小区实收产量折算每公顷

产量。种植密度为400万株 hm–2, 单株一穗。采用烘干称重法测得开花期茎干重平均值为1.305 g。开花后每隔7 d取样一次, 采用半微量凯氏定氮法[9]测定植株茎和叶片氮素含量(%)。

1971—2001和2006—2014年产量数据来自定西市安定区历年统计年鉴, 2002—2005年和2015— 2016年产量为麻子川村和安家沟村实测数据。

以来源于甘肃省气象局的定西市安定区多年(1971—2016)历史资料为基础气象资料。APSIM平台运行以逐日气象变量数据为驱动, 所需最基本逐日气象变量包括逐日太阳辐射量(MJm–2)、逐日最高气温(℃)、逐日最低气温(℃)和逐日降水量(mm)。