基于數(shù)據(jù)挖掘的橡膠種植數(shù)字化研究

摘要：橡膠是一種重要的戰(zhàn)略物資，其種植受到土地資源、地理環(huán)境、橡膠機(jī)械化的影響，產(chǎn)量波動(dòng)很大。本文對(duì)農(nóng)墾橡膠產(chǎn)業(yè)種植、生產(chǎn)加工引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的必要性進(jìn)行了初步探究，指出通過(guò)提取土壤圖像的特征，用支持向量機(jī)的算法可以發(fā)現(xiàn)橡膠種植、生產(chǎn)加工的規(guī)律，進(jìn)而制定精準(zhǔn)的橡膠產(chǎn)業(yè)相關(guān)策略，以提高橡膠產(chǎn)量、節(jié)約成本、提高利潤(rùn)。

關(guān)鍵詞：橡膠種植；數(shù)據(jù)挖掘；特征提取；支持向量機(jī)

橡膠是一種重要的戰(zhàn)略物資，與石油、鋼鐵、煤炭并稱(chēng)為四大工業(yè)原料。我國(guó)是全球最大的天然橡膠消費(fèi)國(guó)和進(jìn)口國(guó)，國(guó)內(nèi)天然橡膠長(zhǎng)期處于缺口狀態(tài)，需求的2/3依賴進(jìn)口來(lái)滿足天然橡膠產(chǎn)業(yè)屬于資源約束型、勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，相對(duì)其他農(nóng)作物來(lái)說(shuō)，具有周期長(zhǎng)、收益長(zhǎng)等特點(diǎn)。農(nóng)墾橡膠業(yè)的產(chǎn)生、發(fā)展與壯大實(shí)際上是中國(guó)橡膠業(yè)發(fā)展的一個(gè)縮影，一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。根據(jù)農(nóng)墾橡膠產(chǎn)業(yè)種植、生產(chǎn)加工的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，發(fā)現(xiàn)其種植、生產(chǎn)加工的規(guī)律，進(jìn)而制定精準(zhǔn)的橡膠產(chǎn)業(yè)相關(guān)策略，以提高橡膠產(chǎn)量、節(jié)約成本、提高利潤(rùn)的數(shù)字化研究，目前國(guó)內(nèi)還比較少。

1 引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的必要性

天然橡膠以其獨(dú)具的高彈性、高強(qiáng)度、高伸長(zhǎng)率、耐磨、耐撕裂、耐沖擊、耐酸堿、耐油、耐腐蝕、耐高低溫和絕緣性好、粘合性、密封性強(qiáng)等特點(diǎn)，始終處于不可替代的地位。我國(guó)天然橡膠需求量大，近幾年一直處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。造成這種局面的原因主要有以下兩點(diǎn)：一、國(guó)內(nèi)輪胎工業(yè)迅猛發(fā)展；二、天然橡膠的種植條件苛刻。其種植條件苛刻主要體現(xiàn)在對(duì)種植地要求高，如對(duì)土地的含碳、含氮、濕度等要求都很?chē)?yán)格；容易受到寒害、蟲(chóng)害、臺(tái)風(fēng)的襲擊。橡膠的供應(yīng)不足阻礙了我國(guó)經(jīng)濟(jì)（特別是輪胎行業(yè)）的發(fā)展。基于此背景下，本文通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)橡膠樹(shù)生長(zhǎng)地的土壤進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，為尋找出最適合橡膠樹(shù)生長(zhǎng)的土壤和尋找橡膠樹(shù)種植地提供依據(jù)，一方面可以降低種植橡膠的成本，另一方面可以讓新的橡膠農(nóng)更容易掌握種植橡膠技巧，讓更多的人加入種植橡膠的隊(duì)伍中。

2 數(shù)字化流程圖

2.1 樣本采集

研究的橡膠林可以分為4種不同林齡膠林：幼林早期（0～2齡）、幼林晚期（2～7齡）、開(kāi)割數(shù)（7～16齡）、老齡即將更新數(shù)（>16齡）。取土壤樣本的時(shí)間要在晴天上午，如果遇雨天，則等2個(gè)晴天后再進(jìn)行取樣。每個(gè)林齡段中隨機(jī)設(shè)置n個(gè)樣地：每個(gè)樣地的面積a（m）×b（m），分0～15cm、15～30cm、30～45cm、45～60cm4個(gè)層次拍攝土壤樣品，每個(gè)層次拍攝m張。每張土壤樣品圖片的命名規(guī)則為“膠林_層次.jpg”。

2.2 特征提取

通過(guò)拍攝得到的土壤圖像，由于圖像的維度過(guò)大，不容易分析，需要從中提取土樣圖像的特征，提取反應(yīng)圖像本質(zhì)的一些關(guān)鍵指標(biāo)，以達(dá)到自動(dòng)進(jìn)行圖像識(shí)別的目的。

圖像的特征主要包括顏色特征、紋理特征、形狀特征等。本文主要運(yùn)用圖片的顏色特征和紋理特征建立圖片自動(dòng)識(shí)別模型。

2.2.1 顏色特征

圖片的顏色特征用顏色矩表示。基于顏色矩提取圖像特征的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)在于圖像中任何的顏色分布均可以用它的矩來(lái)表示。顏色的矩包含各個(gè)顏色通道的一階矩、二階矩和三階矩，對(duì)于一幅RGB顏色空間的圖像，具有R、G和B三個(gè)顏色通道，共有9個(gè)分量。

2.2.2 紋理特征

。因?yàn)榧y理是由灰度分布在空間位置上反復(fù)交替變化而形成的，因而在圖像空間中相隔某距離的兩個(gè)像素間一定存在一定的灰度關(guān)系，稱(chēng)為是圖像中灰度的空間相關(guān)特性。

其中L表示圖像的灰度級(jí)，i，j分別表示像素的灰度。d表示兩個(gè)像素間的空間位置關(guān)系。不同的d決定了兩個(gè)像素間的距離和方向。元素Pd（1，0）代表了圖像上位置關(guān)系為d的兩個(gè)像素灰度分別為1和0的情況出現(xiàn)的次數(shù)。

在建模中一般不直接用圖片的灰度共生矩陣建模，往往要從灰度共生矩陣中提取它的特征參數(shù)用戶建模。灰度共生矩陣的特征參數(shù)有二階距、對(duì)比度、相關(guān)、熵。

3 模型構(gòu)建

特征提取完之后，用支持向量機(jī)算法對(duì)圖像進(jìn)行圖片識(shí)別。根據(jù)識(shí)別出的結(jié)果就可以有針對(duì)性的對(duì)土壤做些有利于橡膠樹(shù)生長(zhǎng)的干預(yù)工作，如：如果識(shí)別出土壤缺少氮元素，可以給土壤適當(dāng)?shù)氖┬┑剩蝗绻R(shí)別出土壤的水分較少，就要給土壤澆水，給農(nóng)墾橡膠產(chǎn)業(yè)提供數(shù)學(xué)指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

本文分析了橡膠種植中引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的必要性，對(duì)橡膠種植數(shù)字化研究做了初步闡述。可以給橡膠業(yè)提供一定的參考意義。

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項(xiàng)目：廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題“基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的橡膠產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化研究”（xykt1601）

作者簡(jiǎn)介：官金蘭（1982），女，博士，副教授，研究方向：偏微分方程及其應(yīng)用，大數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)建模。