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基于本体的根土系统领域知识模型的构建 齐亚峰，孙玉莲，李明，戈振扬※ （昆明理工大学现代农业工程学院，昆明 650500） 摘 要：土壤与作物地下组织组成的根系土壤系统建模及其动态仿真是数字农业研究的热点领域之一。获取土壤物理因素对作物地 下组织构型作用相关的领域知识，构建根土系统领域知识模型，并与作物地下部分的几何模型组合起来，形成新的根系土壤系统模型， 模拟分析土壤物理因素对作物地下组织构型的作用，进行在土壤物理因素作用下的根土系统功能动态仿真，探讨土壤对作物地下组织 生长作用与作物地下组织构型功能变化的关联关系。本文基于本体构建根土系统领域知识模型，并建立根-土体系领域知识库、作物 地下部分组织构型模型库。通过人机交互界面输入初始参数，推理机推理得出决策结果，根据此结果对作物地下组织构型参数进行修 正，然后进行动态模拟仿真。以土壤压实作为土壤物理因素的代表，分析其对作物地下组织构型的作用，使用OpenAlea 进行模型构 建与动态仿真，探讨受土壤压实和作物地下组织构型相关领域知识约束和控制的构型与功能模拟的方法。 关键词：本体；根土系统；知识模型；土壤压实；可视化模拟 中图分类号：TP391 同化产物也输送到根部的特定部位使用或贮存，可见， 0 引 言 根-土壤体系在植物的整个生命周期中起着重要的作用， 随着信息技术的发展，应用计算机模拟植物在三维 而作物的生长对根系的构型、土壤的物理化学性质等因 空间的生长发育状况，开辟了虚拟植物的研究领域。同 素很敏感，这使得根-土体系所构建的知识库过于复杂， 时，如何将作物信息更有效地转换为计算机能够识别的 在知识表达和推理时容易产生混乱。为了避免知识组合 知识并存储起来，动态模拟出作物在特定参数下的生长 存在无序状态，于是建立基于本体的领域知识根-土系知 形势也成为领域专家研究的热点之一。1996 年利用B-P 识模型，然后通过人机交互界面以参数土壤压实为例， 神经网络结构表达和存贮知识，实现了水果果形的判别 分析根构型的变化，最后利用 OpenAlea 动态模拟出它 [1];2001 年通过分析黄瓜生产管理过程及病虫害诊断的 在特定参数值下的形态。 思维方式及层次结构模型，采用“规则架+规则体”两 [2] 1 构建知识模型 个层次描述黄瓜生产管理过程 ;2004 年采用“模糊产生 式规则+模型”的知识表示方法，实现了模糊知识和确 1.1 根-土体系领域知识体系的构建 定知识、知识和模型的有机结合，建立了基于蔬菜无土 根-土体系领域知识是一种能够改变与作物生长的 [3] 相关的根-土体系信息，既包括使根-土体系信息成为作 栽培营养液管理的专家系统 ;2007 年实现了基于 Windows Mobile 的移动智能设备Pocket PC 小麦栽培管 物生长的基础方式，又包括通过根-土体系信息的应用， 理知识模型系统，为数字化作物栽培管理决策提供新的 使得人们能够在作物的生长周期中对外界因素进行调整 实现形式[4]； 2008 年利用面向对象的“知识体·对象· 和改进。笔者根据系统分析原理和数学建模技术，对作 构件”知识表示方法完成了基于虚拟生长模型的温室番 物生长与地上组织所在环境、根的形态特征、土壤结构 茄栽培管理专家系统[5] 。 和土壤环境的关系进行解析、提炼和量化并应用面向对 经分析归纳可知，在植物的仿真模拟中，知识库的 象的思想，而建立起来的定量描述作物生长与根系特点、 建立很大程度上仍停留在传统的知识表示方法中。根系 土壤环境关系的根-土体系领域知识体系，如图1 所示。 是植物体直接与土壤接触的器官，它以特定的构型与土 这种体系结构体系了类目间的层次关系，可以实现 壤结合支撑固定作物地上部分，并将从土壤中吸收的水 一个基于分类法的信息/知识组织系统，对信息进行检索 分养分送给地上部分，同时地上部分中叶片光合作用的 时按类目间的上下层导航关系进行定位。但在这个体系 结构中，数据资源的内在关系并没有完整体现，比如植 收稿日期： 修订日期： 物的根系出现腐烂现象，可能是因为土壤碱性过度，也 基金项目：国家自然科学基金资助项目（座机电话号码，座机电话号码） 可能是在管理过程是灌溉过度，这些信息和知识间的关 作者简介：齐亚峰（1976—），男，山西朔州人，工程师，研究方向为生物系统 功能建模与仿真。昆明 云南昆明市呈贡大学城昆明理工大学农业工程学院， 联在上述结构中并没有表示出来，而本体能够将该领域 650500。Email：qiyafeng_sx@ 中的各种知识、相互关系显式地表达出来。 ※通信作者：戈振扬（1959－），男，云南昆明人，博士，教授，中国农业工程 学会高级会员（E0座机电话号码S ），主