[正版]正版 林下参种植光环境的动态预测与评价 刘煦 科学出版社

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林下参种植光环境的动态预测与评价
	曾用价	80.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2017年06月
	开本	16
	作者	刘煦
	装帧	平装
	页数	128
	字数	161
	ISBN编码	9787030529442

本书以林下参种植光环境为研究对象，提出了一种非线性快速Fourier分解算法以解决光环境实测信号的随机噪声干扰问题；同时采用机器学习和模式识别理论，构建了基于偏zui小二乘算法的净光合速率预测模型和基于自适应神经模糊推理系统的净光合速率预测模型；并通过对典型试验样地进行数据采样与分析，验证了所建模型的有效性和可行性，进而设计了林下参种植光环境监测和采集系统;zui后基于MATLAB平台完成了林下参种植光环境预测与评价系统的集成开发，构建了林下参种植光环境地域栽培适宜性综合评价指数，作为指导林下参种植的重要依据。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 研究现状分析 3
1.2.1 光环境研究现状 3
1.2.2 试验数据的挖掘及处理 4
1.3 本书研究目标和研究内容 6
1.3.1 研究目标 6
1.3.2 研究内容 6
第2章 面向自适应数据处理的非线性Fourier分析方法 8
2.1 引言 8
2.2 理论基础 9
2.3 非线性Fourier展开 10
2.4 快速稀疏非线性Fourier展开 14
2.5 算法与算例 18
2.5.1 算法 18
2.5.2 算例 20
2.5.3 算法应用 22
第3章 基于机器学习的模式识别理论 25
3.1 引言 25
3.2 模式识别理论基础 25
3.2.1 模式识别概述 25
3.2.2 模型预测方法 26
3.3 机器学习及常用算法 27
3.3.1 机器学习的理论基础 27
3.3.2 偏zui小二乘算法 30
3.4 智能算法及常见算法 33
3.4.1 智能算法 33
3.4.2 自适应神经模糊推理方法 34
第4章 林下参种植光环境动态预测模型研究 39
4.1 引言 39
4.2 试验地点与试验方法 39
4.2.1 试验地点 39
4.2.2 试验方法及仪器设备 40
4.3 红松的树木生长模型研究 40
4.3.1 红松冠幅生长预估模型 40
4.3.2 红松冠长生长预估模型 45
4.3.3 红松单木基本树高预估模型 48
4.4 林下参净光合速率预测模型研究 49
4.4.1 基于PLS的净光合速率预测模型 52
4.4.2 基于ANFIS的净光合速率预测模型 67
4.5 模型的检验 72
第5章 林下参种植光环境敢据采集系统 72
5.1 引言 72
5.2 系统的软件体系 72
5.3 系统的硬件架构 78
第6章 林下参种植光环境预测及评价方法研究 87
6.1 引言 87
6.2 林下参种植光环境预测与评价方法 87
6.2.1 林下参种植光环境的预测 87
6.2.2 林下参种植光环境的评价 88
6.2.3 基于模糊推理系统的光环境综合评价模型 88
6.3 林下参种植光环境预测与评价系统体系结构 100
6.3.1 预测模块 101
6.3.2 评价摸块 101
6.3.3 帮助模块 114
第7章 总结 115
参考文献 116

第1章 绪论
　　1.1 研究背景及意义
　　人参，属五加科(Araliaceae) 植物，古代也称为"人覆"、"人藻"，别号"地精"、"神草"，在我国具有数千年的应用历史，被誉为百草之主。zui早的中药学专著《神农本草经》记载着中国4000 年前就已经形成的人参药用精髓，称"人参，味甘微寒，主补五脏，安精神，走魂魄，止惊悸，除邪气，明目，开心益智。久服，轻身延年。一名人衔，一名鬼盖。生山谷。"人参的拉丁学名为Panax Ginseng C. A. Mey，为俄罗斯植物学家卡尔·安东·冯·迈耶(Carl Anton von Meyer.1795-1855)于1843年命名，沿用至今。其中的属名Panax是一个希腊复合词汇，由Pan(意为一切的，所有的)和Axos(治疗，药用)复合而戚，表示该植物为一种治疗百病的药物;种名Ginseng为中文人参的汉语音译，可见在西方，人参也被视作神奇的仙草。
　　长久以来，我国人参的主要生产方式是采挖野山参与国参栽培两种。野山参是指自然生长于深山密林中的原生态人参，困其所具有的神奇疗效与产品的稀缺性而深受市场青睐。根据古地质学家和古生物学家的分析与推断，人参是地球上zui古老的手遗植物之一。多数学者认为，在地球上被子植物J为繁盛的第三纪(距今6500万年~距今180万年) ，人参在植物界广为繁衍，地理分布较广。现代，世界范围内公认人参分布在北纬380~48。范围内。古时我国太行山脉、长白山脉、大小兴安岭为人参主要分布地区，东汉许慎在公元121年撰写的《说文解字》中对其解释为"参，人参，药草，出上党。"这是文献中对人参产地的zui早记载。20世纪50年代，野山参资源缩小到北纬400~480，东经117.60~134。的有限范围内。目前，我国野山参资源仅零散分布于头道松花江、二道松花江邻近的抚松、靖宇、桦甸、敦化、安图，鸭绿江畔的长自、临江、集安等地的原始森林区间中。由于自然环境的变迁和人类生活对生态的持续影响，特别是多年来的过度采挖与对野生资源的过度开发，野山参产量逐年下降，资源已基本枯竭，处于濒临灭绝的边缘。据不完全统计.20世纪20年代前后吉林省年产野山参高达750险，到了80年代年产量不足200kg，近年来更是急剧减少。80年代，野山参已被列为我国的一级重点保护植物，1992年被列为国家的珍稀濒危植物。
　　古人从采挖野山参的经验中逐步学会了山参的移栽方法，形成的园参栽培方式迄今已有2000多年的悠久历史。据《晋书·石勒别转》记述"家园中生人参，花叶甚茂，悉成人状。"可见我国的人参栽培至少在魏晋时期就已开展。园参栽培具有种植面积广、产量大的特点。但传统采用的伐林栽参、参后还林的栽培方法，已经造成较为严重的生态破坏。据统计，20 世纪90年代，我国东北地区约有150000hm2(1hm2=104m2) 的森林被毁在了人参种植业上。再加上种参后不能及时还林和措施不当，使得水土流失严重，加剧了环境的恶化，同时这种传统的伐林栽参、参后还林栽培方式还会改变土壤结构，易导致土壤板结，并将对物种资源的多样性及生物链的恢复产生较大影响。相关研究表明，伐林栽参毁坏的不仅是高大的乔木、地面灌木及草本植物，而且通过烧荒清根破坏了大部分的原有物种。通过参后还林，即用人工林替代天然的野生林之后，物种大幅度减少，其中乔木种类就减少了90%以上，灌木和藤本植物种类减少几乎为100%，草本植物种类减少90%以上。此外，伐林栽参、参后还林的传统园艺栽培种植方式一般需要使用农药防治病虫害，缩短生长周期，致使成品人参中的有效成分含量相对较低，淀粉含量较高，并存在农药残留超标、加工质量差等问题，导致高产低价、出口受限等市场制约。
　　正是随着以上问题的出现，林F参栽培逐渐受到重视。林下参(全称为林下山参)是指人工把人参种子撒播到天然林中，任其自然生长，野生抚育短则10年，长则20年，年限越长，价值越高，在品质上虽不能与野山参相提并论，但远远高于园参。生长年限达20年的林下参基本可以达到野山参的水平.林下参的种植会充分利用林地，不破坏资源，提高生态效益。同时，利于林地的立体经营，以林养参，以参护林。
　　人参为喜阴植物，长期在山林环境中生长，经过系统发青，适应中温带大陆性季风气候，具有喜气候寒凉和湿润、怕强光、忌高温、耐严寒的特性。人参对光照要求很高，前期研究表明，zui适应的光照要求为年日照时数为2200~270吨，日照率为50%~60%，林分郁闭度为0.6~0.8。如果光照强度超过全日照的75%~90%，则生长受到抑制，叶片组织易受破坏，降低光合作用;但光照不足时，植株矮小瘦弱，生长不良。
　　由于人参对光的要求非常严格，而且光因子又是影响植物光合作用的主导因子，所以近几十年来，科研人员一直开展着以指导园参种植为目的的光环境研究工作口，210 随着林下参抚育的发展，如何科学地指导种植林下参已经成为研究热点。林下自然光环境远比园参栽培下的光环境的组成和变化复杂得多，有了天然林的上层林冠，直接导致林下光可用量的降低，改变了植物水分关系，提高了肥力水平。林下光环境的空间变化远大于其他任何植物的可利用资源，而且自然光易受植被冠层的动态影响，从而使得光因子在众多环境因子中成为zui可能限制林下参生长发育的影响因子。所以，林下光环境研究也是科学指导林下参栽培的1要问题。
　　1.2 研究现状分析
　　1.2.1 光环境研究现状
　　林下光环境被人们认为是林下植被生长发育、生态系统作用的决定性因素，它的空间变化远大于其他任何植物的可利用资源。通常光对植物的生态作用包括日照长度、光照强度以及光谱成分的对比关系等成分，其时空变化导致了林下不同位置的光环境的差异[5] 。
　　人参作为喜阴植物，对光的要求十分严格。太阳光的变化、植被冠层的动态影响，使得光因子在众多环境因子中占有J其显著的地位，zui有可能成为林下参生长发育的抑制因子。
　　国内外在森林植被的植物群落生态环境、人工林光环境特征、树术的光合速率及其与植株生长和材积产量的关系、光能在光合作用不同过程中的分配、环境因子和邻体分布对植株的影响、植物耐阴策略及光破坏防御机制等方面有深人的理论研究，并取得了一定的科研成果，但对于林下不同光环境动态变化的特征对林下参生长发育及光合生理影响的相应研究较少，而且现有研究多数为地点选择的定性分析和静态的指导性描述，缺少生态环境尤其是光环境的动态、定量描述。
　　光照强度是影响生物量积累和植物生长的重要环境因子。光照强度作为光合作用的主导因子，其动态变化直接影响着植物的光合生理变化和光合作用的进程。随着光照强度的减弱，光合作用呈下降趋势，植物体内有机物的积累减少，生长受阻，进而引起生物量下降，更甚者会导致植株饥饿死亡。植物在强光照射下，光合作用也会受到抑制阻。光照强度的日动态变化是目前人参生长光环境研究的主体。人们的研究内容一方面包括绘制栽培人参区域光强日变化曲线，定性分析光强变化幅度及规律并确定峰值出现的时间，另一方面则是通过搭建荫棚调节透光率，将不同光强日变化与光合作用进程进行综合定性分析，得到人参的适宜光照强度及其对光合速率的影响。
　　林内太阳辐射的量效应也是近年来林业及植物生态学领域关注的主要问题之一。地面的太阳辐射由直射辐射和散射辐射组成。人们从森林生态系统对光能的利用及农林间作对光能分配的要求两个角度，展开包括直射辐射、散射辐射及总辐射在内的一系列研究，其中包括:林下光分布模型、林下太阳辐射时空变化理论研究,[7,8]，以及辐照特征与林下植物生长、产量效应的关系[7-9]等。
　　现有的人参光环境研究多是从指导园参栽培出发，以满足园参栽培的理论需要为目的，主要以参棚下的光环境为研究对象，偏重于林下栽参光环境因子动态定量研究和微观的人参光舍生理的光适应研究还很少，这直接限制了林下参种植的光环境评价系统的建立，使得林下参栽培缺乏科学的理论指导.
　　1.2.2 试验数据的挖掘及处理
　　为了对光环境进行深入研究，需要获取大量有效的试验数据作为分析基础，这其中包括两方面的主要工作，一方面要通过科学的试验设计方法和采用高效的专业仪器设备来采集大量数据信号;另一方面要通过有效的数据处理方法对采集到的大量试验数据进行预处理，去粗取精，提炼zui有价值的信息。与数据采集相比，数据处理往往更为重要，有效而实用的数据处理方法能够从大量、高维、非线性信号中挖掘zui有用的信息，而这正是进一步分析和预测光环境的重要前提。
　　现代仪器设备对数据的获取一般都是以信号为载体，因此对作为数据的编码形式一一信号的处理技术是现代高科技的一个重要研究领域。从数学的观点来看，信号表示就是利用函数空间的完备正交基将信号（函数）展开，从而获得体现信号内在特征的表示形式。信号分析和处理的经典工具是Fourier分析，它的本质是将信号表示成不同的具有固定频率的简单谐波的线性叠加。Fourier变换是时域到频域相互转化的工具，其实质是将时间t作自变量的时域函数f(t)，通过指定的积分运算，转化为频率ω作自变量的频域函数F(ω) ,f(t) 和F(ω)是同一种能量信号的两种不同表现形式。f(t) 表示时间信息而隐藏了频率信息，F(ω)表示频率信息而隐藏了时间信息。Fourier变换的优点是用来分析的基函数eiwt是一组正交函数，易于分解，即易于计算各分量的大小；两个信号在时域中的卷积的Fourier变换等于两者变换后频域中的乘积，这给计算带来很大的方便g 后期发展的快速Fourier变换(FFT) ，可以在很短的时间内进行谱分析，实测时使实时分析成为可能。
　　然而，Fourier分析对信号处理的有效性是基于信号的线性和平稳的假设，也就是说，Fourier分析不适用于非线性、非平稳信号，这是因为Fourier分析不能为信号提供时频局部化表示，从而无法揭示非线性、非平稳信号的频率随时间变化的本质。无论是自然界中的信号还是人工产生的信号，几乎没有严格满足线性和平稳性条件的，从而利用Fourier分析进行近似的、不严格的处理将会导致不理想的分析结果。Fourier分析的这种缺陷将为其在信号处理领域的应用带来J大的局限性。
　　为了克服Fourier分析的局限性，从而更好地处理非线性、非平稳信号，人们对Fourier分析进行了推广乃至根本性的改进[峰山。所提出的方法，如加窗Fourier变换、小波分析、Wigner-Ville 分布等都依赖于Fourier分析，它们试图修改Fourier分析的全局表达，均存在着一定的缺陆。非线性、非平稳信号的本质是频率随时间而变化，因此研究非线性、非平稳信号的关键是瞬时频率的概念。基于这一想法，20世纪90年代中期，美国工程院院士黄愣(N. E. Hllang)提出了一种适用于非线性、非平稳信号处理的新方法Hilbert-Hilang变换(HHT) [13-15] 。该方法旨在将信号自适应地分解为有限个内蕴模型函数(IMF) 和一项没有频率意义的尾项的和，对这些IMF进行Hilbert 变换可以得到有物理意义的瞬时频率和时频能量分布。除了尾项，这种分解可以看成将原始信号按自适应基底-IMF进行展开。由于这种分解以局部特征时间尺度为基础，所以适用于非线性、非平稳信号。近些年来，HHT己被成功地应用于地震信号分析、海洋波动数据分析、地球物理探测和结构分析、桥梁及建筑物状况监测等诸多领域[16,17] 。然而，该方法缺乏完善的数学理论基础，因此理论分析还存在困难，这使得该方法的应用研究远未得到应有的开发前景。在HHT的数学理论研究方面，近年来也取得了一些成果[18-21] 。
　　基于对瞬时频率的考虑，中山大学许跃生教授等构造了信号空间中一族带有单参数或多参数的标准正交基剧。该族基底中每一个基函数都具有物理意义的瞬时频率，同时，对比于传统的Fourier基函数，该族基底中的基画数具有非线性的相位，从而有非常值的瞬时频率。因此，称该族基底为非线性Fourier基。进一步地，还对单参数非线性Fourier基底建立了对函数的快速分解算法快速非线性Fourier展开，给出了该算法的收敛阶及计算复杂性分析，并且利用数值实例初步探讨了该族基底相对于传统Fourier基底用于函数表示的优越性。基于非线性Fourier基函数的瞬时频率的特点以及其严格的理论构造和相应的快速分解算法的构建，有理由期望能够在其基础上建立理论完善的函数自适应非线性Fourier逼近方法，并将其应用于非线性、非平稳信号的处理领域。
　　在很多应用领域，常常需要处理大量的、结构复杂的高维数据。高维函数的张量积型Fourier逼近在理论分析和实际应用中都起着重要的作用。然而，即使是利用快速Fourier变换，其计算量也是J其庞大的。为了克服这种局限性，从理论和实际应用两方面引人了高维函数的稀疏Fourier逼近[24,25]。该方法在稀疏网格中建立了Fourier展开，仅保留了低频成分和必要的高频成分，却与张量积型Fourier展开具有相同的逼近阶并J大地降低了计算量。但是，在稀疏Fourier逼近中，计算相应的Fourier系数仍然是一个富有挑战性的问题，这是因为在此过程中需要计算高维振荡积分。
　　1.3 本书研究目标和研究内容
　　1.3.1 研究目标
　　(1)通过对林下参种植光环境的深入分析研究，采用基于机器学习和模式识别的方法，构建其多因素预测模型，并在此基础上设计开发一套林下参种植光环境预测与评价系统，通过对现有的地理、气候和植被等信息进行推理计算，zui终得到林下参栽培的生态适宜性指数，为林下参的培育生产提供有益的技术支持。
　　(2) 基于非线性Fourier稀疏逼近理论，通过分析推导，提出一种面向自适应数据处理的非线性Fourier逼近方法，从而提高对复杂含噪数据信号的高效处理。在此基础上，开发一套具有高效降噪处理功能的光环境数据采集系统。
　　1.3.2 研究内容
　　(1)面向自适应数据处理的非线性Fourier分析方法研究。现有研究表明，经典Fourier分析由于基底频率为常数这一特性，导致其不能为信号提供时频局部化表示，从而无法揭示非线性、非平稳信号随时间变化的本质。为了更好地处理非线性、非平稳信号，以及提高对此类信号处理方法的适应性，就需要对经典Fourier分析方法进行政进设计。本书基于目前在此领域的研究成果，通过分析研究，提出一种适用于非线性、非平稳信号的快速分解算法，将信号用具有物理意义的、非常值的瞬时频率的信号表示。
　　(2) 林下参种植光环境模式识别与预测方法研究。由于人参的生长对光

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