本發(fā)明涉及生物降解，特別是一種基于機器學(xué)習(xí)的生物降解的地膜降解周期預(yù)測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著不可再生能源的不斷減少和環(huán)境污染加重，生物可降解聚酯材料受到廣泛關(guān)注，其是由多元醇和多元酸縮聚而得的聚合物總稱，是一類性能優(yōu)異、用途廣泛的工程塑料，也可制成聚酯纖維和聚酯薄膜。而作為全球主要的塑料消費品，塑料薄膜產(chǎn)品大都是一次性消費品，其中，直接與土壤地面接觸最多的便是地膜，因此，在中國的種植田地中，有大量廢棄地膜材料存在，廢棄地膜材料短時間內(nèi)不易被空氣或微生物降解，占據(jù)大量空間，造成環(huán)境污染和視覺污染，同時由于紫外線照射和外力的作用，地膜易發(fā)生碎裂，形成膜料碎片，不僅對農(nóng)田造成嚴重的污染，對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康亦會造成潛在威脅，而生物降解是一種可以被微生物降解和利用，并最終轉(zhuǎn)化為微生物物質(zhì)、二氧化碳和水的材料，因此，可生物降解地膜替代pe地膜是農(nóng)業(yè)中預(yù)防塑料污染的主要策略之一，然而，在種植田地中對可生物降解的地膜的降解周期尚不明確，這主要是因為其降解是個復(fù)雜的過程，并且與材料組份和自然條件關(guān)聯(lián)性大，目前，對于可生物降解地膜的降解周期的研究主要是基于農(nóng)田種植者的經(jīng)驗和/或?qū)嶒灁?shù)據(jù)，而由于地膜材料組成不同，以及土壤濕度、堿度等變化或其它人為因素干擾，致使過往依據(jù)經(jīng)驗和/或?qū)嶒灁?shù)據(jù)的分析結(jié)果存在偶然性和不確定性，導(dǎo)致對生物降解周期的預(yù)測分析存在影響變量，降低了最終對生物降解周期分析預(yù)測的準確性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于上述現(xiàn)有的生物降解計算預(yù)測技術(shù)領(lǐng)域中存在的問題，提出了本發(fā)明。

2、因此，本發(fā)明其中的一個目的是提供一種基于機器學(xué)習(xí)的生物降解的地膜降解周期預(yù)測系統(tǒng)及方法，其利用深度學(xué)習(xí)分析技術(shù)，對采集地預(yù)設(shè)土壤數(shù)據(jù)劃分為土壤生態(tài)系統(tǒng)的季節(jié)性變化數(shù)據(jù)和土壤理化性質(zhì)變化數(shù)據(jù)，且基于土壤本身，進一步地對采集的數(shù)據(jù)按照物理性質(zhì)數(shù)據(jù)、化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)和生物學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)進行區(qū)分，以獲取地膜在各種性質(zhì)數(shù)據(jù)情況下的降解變化，進而在未來時段更能精確的預(yù)測相關(guān)數(shù)據(jù)的變化，以對地膜的降解走勢進行預(yù)測。

3、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

4、一方面，本發(fā)明提供一種基于機器學(xué)習(xí)的生物降解的地膜降解周期預(yù)測系統(tǒng)，包括：

5、信息獲取模塊，用于獲取預(yù)設(shè)土壤的土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)和地膜數(shù)據(jù)，并基于土壤性質(zhì)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，同時對所述土壤性質(zhì)進行區(qū)分，還包括獲取預(yù)設(shè)土壤所處地區(qū)位置；

6、數(shù)據(jù)采集模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊響應(yīng)所述信息獲取模塊所獲取的土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)，用于采集預(yù)設(shè)土壤所處地區(qū)土壤性質(zhì)的特征數(shù)據(jù)，并對采集的所述土壤性質(zhì)特征數(shù)據(jù)進行區(qū)分；

7、融合分析單元，用于分析所述土壤性質(zhì)中各特征數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)特征，所述關(guān)聯(lián)特征還包括各特征數(shù)據(jù)與所處地區(qū)位置的關(guān)聯(lián)特征，所述融合分析單元包括分析模塊、計算模塊和測量模塊；

8、所述分析模塊用于分析所述土壤性質(zhì)于不同月份的變化規(guī)律，并將所述變化規(guī)律進行區(qū)分，其區(qū)分包括按照土壤生態(tài)系統(tǒng)的季節(jié)性變化和土壤理化性質(zhì)變化進行區(qū)分，并生成預(yù)測模型；

9、所述計算模塊響應(yīng)所述分析模塊的土壤性質(zhì)于不同月份的變化規(guī)律，用于計算所述土壤生態(tài)系統(tǒng)的季節(jié)性變化數(shù)據(jù)和土壤理化性質(zhì)變化數(shù)據(jù)，并獲取其中的特征數(shù)據(jù)；

10、所述測量模塊基于所述計算模塊的計算數(shù)據(jù)，用于將所述預(yù)設(shè)土壤進行區(qū)域劃分，并獲取不同區(qū)域土壤數(shù)據(jù)的變化特征，將所述變化特征上傳至所述預(yù)測模型，并對所述預(yù)測模型進行更新；

11、降解數(shù)據(jù)獲取模塊，所述降解數(shù)據(jù)獲取模塊基于區(qū)域土壤數(shù)據(jù)的變化特征，用于獲取地膜于對應(yīng)變化特征情況下的降解變化，并基于所述降解變化生成數(shù)據(jù)集，同時于所述數(shù)據(jù)集中劃分所述降解變化的測試集、驗證集和訓(xùn)練集；

12、劃分模塊，所述劃分模塊基于所述分析模塊中的土壤理化性質(zhì)變化，于所述土壤理化性質(zhì)變化中預(yù)設(shè)至少兩個臨界值，所述臨界值以首次采集的至少十個土壤理化性質(zhì)變化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，其中，于十個所述土壤理化性質(zhì)變化數(shù)據(jù)中，以中位數(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)預(yù)設(shè)第一臨界值，并以最大的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)預(yù)設(shè)第二臨界值，當(dāng)所述預(yù)設(shè)土壤的土壤理化性質(zhì)變化超出所述第一臨界值時，則系統(tǒng)對所述預(yù)設(shè)土壤進行一種類型的土壤區(qū)域劃分，當(dāng)所述預(yù)設(shè)土壤的土壤理化性質(zhì)變化超出所述第二臨界值時，則系統(tǒng)對所述預(yù)設(shè)土壤進行另一種類型的土壤區(qū)域劃分。

13、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，其中：于所述信息獲取模塊中，所述土壤性質(zhì)包括物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)，其中：

14、所述物理性質(zhì)包括預(yù)設(shè)土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤容重和比重、土壤水分及土壤空氣；

15、所述化學(xué)性質(zhì)包括酸堿度以及氧化還原性；

16、所述地膜數(shù)據(jù)包括地膜材料、厚度以及地膜平整度；

17、并以采集的土壤酸堿度為基礎(chǔ)進行強度劃分，所述劃分方式包括按照ph值進行劃分，如下表所示：

18、 ph值 土壤酸堿度 ＜4.5 極強酸性 4.5～5.5 強酸性 5.5～6.5 酸性 6.5～7.5 中性 7.5～8.5 堿性 8.5～9.5 強堿性 ＞9.5 極強堿性

19、并于所述預(yù)設(shè)土壤中，以表中中性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分析土壤酸性變化與地膜降解的關(guān)聯(lián)規(guī)律，計算所述土壤酸性變化對地膜的降解特征，根據(jù)如下公式計算得出：

20、f＝σ(w[wt+xi]+b)；其中，f表示預(yù)設(shè)的地膜厚度值；

21、式中，σ表示給定的中性土壤酸度，w表示以所述中性土壤酸度為基礎(chǔ)的土壤酸度增加值，wt表示第t個時段采集的土壤酸度增加值，xi表示于指定的所述土壤酸度增加值中第i次采集的地膜降解厚度，b表示所述土壤酸度每提升一個等級所需的時間。

22、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，其中：于所述計算模塊中，所述土壤生態(tài)系統(tǒng)的季節(jié)性變化包括土壤中的微生物群落變化，所述土壤理化性質(zhì)變化包括ph值、有機質(zhì)含量、土壤容重和孔隙度，并于所述預(yù)設(shè)土壤中給定相同ph值，分析不同物理性質(zhì)數(shù)據(jù)對地膜降解的變化規(guī)律。

23、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，其中：于所述預(yù)設(shè)土壤中劃分至少3～5個等面積的土壤區(qū)域，并于所劃分的土壤區(qū)域中按照數(shù)據(jù)遞增的方式給定各土壤區(qū)域的酸度值，分析相同時間、不同酸度值情況下地膜的降解厚度，以及所述降解厚度與所述酸度值差的關(guān)聯(lián)特征，并將所述關(guān)聯(lián)特征上傳至所述預(yù)測模型，同時使用q-learning算法進行增強學(xué)習(xí)，以優(yōu)化所述預(yù)測模型。

24、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，其中：將所述預(yù)設(shè)土壤的厚度劃分為θ1，θ2，...，θn，其中，n表示第n種土壤厚度，采集不同土壤厚度情況下土壤水分和土壤空氣的數(shù)據(jù)特征，分析不同數(shù)據(jù)特征對地膜降解厚度的關(guān)聯(lián)影響。

25、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，其中：基于采集的地膜降解的最大厚度數(shù)據(jù)給定對應(yīng)的土壤厚度，并預(yù)設(shè)土壤水分和土壤空氣的數(shù)據(jù)集合和其中，a表示第a個土壤水分數(shù)據(jù)，其中，土壤水分數(shù)據(jù)集合和土壤空氣數(shù)據(jù)集合均為遞增和/或遞減的數(shù)據(jù)集合，分析給定的土壤厚度下不同土壤水分和土壤空氣變化對地膜降解厚度的關(guān)聯(lián)影響。

26、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，其中：于給定的土壤厚度下將土壤水分數(shù)據(jù)集合和土壤空氣數(shù)據(jù)集合分為若干個評估指標(biāo)，統(tǒng)計出與地膜最大降解厚度和或面積對應(yīng)的土壤水分數(shù)據(jù)和土壤空氣數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)歸一化處理，計算出除與地膜最大降解厚度和或面積對應(yīng)的土壤水分數(shù)據(jù)和土壤空氣數(shù)據(jù)之外的其它數(shù)據(jù)占地膜降解厚度和或面積的權(quán)重。

27、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，其中：還包括數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊，用于包括在不同季度以首次采集的預(yù)設(shè)土壤的化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)監(jiān)測預(yù)設(shè)土壤物理性質(zhì)的變化，分析所述預(yù)設(shè)土壤物理性質(zhì)的變化與所述化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)規(guī)律，并將所述關(guān)聯(lián)規(guī)律上傳至所述預(yù)測模型。

28、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，其中：采集所述預(yù)設(shè)土壤物理性質(zhì)變化與所述化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)規(guī)律所對應(yīng)的日照、環(huán)境溫度以及海波高度，并使用隨機梯度下降法訓(xùn)練，生成未來時段所述預(yù)設(shè)土壤于相同日照、環(huán)境溫度以及海波高度時的土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)，于生成的各數(shù)據(jù)情況下對地膜降解進行預(yù)測。

29、另一方面，本發(fā)明提供一種基于機器學(xué)習(xí)的生物降解的地膜降解周期預(yù)測方法，應(yīng)用于如權(quán)利要求1所述的一種基于機器學(xué)習(xí)的生物降解的地膜降解周期預(yù)測系統(tǒng)，包括以下步驟：

30、獲取預(yù)設(shè)土壤的土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)、地膜數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)土壤所處地區(qū)位置，并基于土壤性質(zhì)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，同時對所述土壤性質(zhì)進行區(qū)分；

31、采集預(yù)設(shè)土壤所處地區(qū)土壤性質(zhì)的特征數(shù)據(jù)，并對采集的所述土壤性質(zhì)特征數(shù)據(jù)進行區(qū)分，并分析所述土壤性質(zhì)中各特征數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)特征；

32、分析所述土壤性質(zhì)于不同月份的變化規(guī)律，并將所述變化規(guī)律進行區(qū)分，其區(qū)分包括按照土壤生態(tài)系統(tǒng)的季節(jié)性變化和土壤理化性質(zhì)變化進行區(qū)分，并生成預(yù)測模型；

33、計算所述土壤生態(tài)系統(tǒng)的季節(jié)性變化數(shù)據(jù)和土壤理化性質(zhì)變化數(shù)據(jù)，并獲取其中的特征數(shù)據(jù)；

34、將所述預(yù)設(shè)土壤進行區(qū)域劃分，并獲取不同區(qū)域土壤數(shù)據(jù)的變化特征，將所述變化特征上傳至所述預(yù)測模型，并對所述預(yù)測模型進行更新；

35、獲取地膜于對應(yīng)變化特征情況下的降解變化，并基于所述降解變化生成數(shù)據(jù)集，同時于所述數(shù)據(jù)集中劃分所述降解變化的測試集、驗證集和訓(xùn)練集；

36、于所述預(yù)設(shè)土壤中劃分至少3～5個等面積的土壤區(qū)域，并于所劃分的土壤區(qū)域中按照數(shù)據(jù)遞增的方式給定各土壤區(qū)域的酸度值，分析相同時間、不同酸度值情況下地膜的降解厚度，以及所述降解厚度與所述酸度值差的關(guān)聯(lián)特征。

37、有益效果：

38、本發(fā)明利用深度學(xué)習(xí)分析技術(shù)，對采集地預(yù)設(shè)土壤數(shù)據(jù)劃分為土壤生態(tài)系統(tǒng)的季節(jié)性變化數(shù)據(jù)和土壤理化性質(zhì)變化數(shù)據(jù)，且基于土壤本身，進一步地對采集的數(shù)據(jù)按照物理性質(zhì)數(shù)據(jù)、化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)和生物學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)進行區(qū)分，同時基于物理性質(zhì)數(shù)據(jù)、化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)和生物學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)給定相同和/或不同的土壤厚度，以對土壤物理性質(zhì)數(shù)據(jù)、化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)和生物學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)的變化進行監(jiān)測，以獲取地膜在各種性質(zhì)數(shù)據(jù)情況下的降解變化，同時，本發(fā)明通過采用隨機梯度下降法訓(xùn)練獲取與物理性質(zhì)數(shù)據(jù)、化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)和生物學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)變化對應(yīng)的日照、環(huán)境溫度以及海波高度，進而在未來時段更能精確的預(yù)測相關(guān)數(shù)據(jù)的變化，以對地膜的降解走勢進行預(yù)測。