机器学习算法科研：预测甘蔗产量

甘蔗，禾本科甘蔗属植物，是制造蔗糖的原料，台湾、福建等热带、亚热带地区广泛种植，适合栽种于土壤肥沃、阳光充足、冬夏温差大的地方。

甘蔗是多年生高大实心草本，其产量高低与多项因素相关。为分析广西甘蔗主产区甘蔗产量与气象因素的关系，利用气象数据预测甘蔗产量，为糖厂及相关管理部门提供科学的数据支撑。广西大学电气工程学院携手广西大学甘蔗生物学重点实验室、广西糖业集团有限公司、广西农业科学院甘蔗研究所展开了研究，基于多种机器学习算法预测广西蔗区甘蔗产量。

选用2002~2019年广西五个不同地级市内蔗区的产量数据及14种逐日气象数据，将每年的各气象因子以78个逐月递增的连续时段的均值与产量进行相关性分析，根据敏感时段分析法确定关键气象因子，并分析各气象因子在敏感时段对产量的影响。分别利用BP神经网络、支持向量机、随机森林、长短期记忆网络建立单蔗区产量预测模型，并采用以全生育期气象均值作为模型输入的方法进行对照实验。使用HP滤波法分离出甘蔗气象产量，将5个蔗区的数据混合，分别利用RF、SVM、BPNN和LSTM建立通用的多蔗区气象产量预测模型。

对于单蔗区，敏感时段分析法的模型预测效果明显优于全生育期取气象均值的方法，LSTM模型对于上述两种数据处理方法的预测效果均明显优于目前广泛使用的BPNN、SVM、RF模型，敏感时段分析法的LSTM模型整体的均方根误差和平均绝对百分比误差分别为10.34 t/ha和6.85%，决定系数Rv2为0.8489。对于多蔗区，LSTM预测结果较差，RF、SVM及BPNN三种预测模型都取得了良好的效果，预测效果最好的BPNN模型的RMSE和MAPE分别为0.98 t/ha和9.59%，Rv2为0.965。

通过敏感时段分析法筛选的关键气象因子与产量均呈显著相关，根据敏感时段能准确地分析各气象因子对产量的影响。使用LSTM模型预测单蔗区产量，使用BPNN模型预测多蔗区甘蔗气象产量的方法是可行的，且预测误差在可接受范围内。

甘蔗种植过程中的五大管理要点：

1、重攻茎肥促生长：甘蔗伸长期是需养分最多的时候，须重攻茎肥，且以施氮肥为主。每亩施尿素10-12公斤，腐熟人粪尿2500-3000公斤，饼肥25公斤，如基肥和前期磷、钾肥不足，可结合补施磷、钾肥。蔗株生长旺盛，可少施，长势较差，应早施重施。

2、高培土防侧伏：甘蔗伸长期间，应结合施肥进行高培土。通过多次薄培土，达到高培土，每次培土仅覆盖蔗头一节。在高培土中还要注意边行管理，如对边行加肥、培土，防止人畜践踏，以克服消边现象。

3、剥老叶加强通风：甘蔗进入生长后期，每7～10天生长一片新叶。因此，要剥去脚叶和枯黄老叶，增强蔗田通风透光，使茎秆粗壮，增强抗倒伏能力，同时也利于防治病虫害。

4、灌水防旱壮茎：8～9月份甘蔗进入拔节猛长期，在水肥条件好的情祝下，每天可长高3～3.5厘米，每月可长高80～90厘米，所以要重视灌水。特别是出现旱情时，应及时灌水，土壤含水量以保持60%～80%为宜。

丘陵坡地要封行垄头，争取下雨积水保水。并用老叶或地膜覆盖蔗畦，也可采用套种经济作物增加畦面覆盖，减少土壤水分蒸发。有条件的要抽水灌溉，避免受旱减产。有水的地方，要不失时机地灌好水，确保甘蔗丰收。

5、防治病虫保丰收：8～9月是各种病虫危害时期。如金龟子、丝虫等，特别是丝虫食蔗根部，会引起甘蔗枯萎、倒伏，危害较大。防治办法：应当根据虫情，适时施药。对出现枯心的蔗田，每亩施用专用颗粒剂。

审核编辑 黄宇