農(nóng)業(yè)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與分析.ppt

1,計(jì)算機(jī)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用,第二章 農(nóng)業(yè)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與分析,主講：梁 茹 冰 聯(lián)系方式：liang_ru_,2,引 言,科學(xué)研究是人類認(rèn)識自然、改造自然、服務(wù)社會的原動力。 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中所涉及的學(xué)科大多數(shù)屬于實(shí)驗(yàn)科學(xué)，主要是通過周密設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索。 農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)調(diào)查都會獲得大量的數(shù)據(jù)，在千差萬別的數(shù)字后面往往隱藏著事物的內(nèi)在規(guī)律性。 農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)處理與分析就是挖掘與利用這些規(guī)律。 相應(yīng)的農(nóng)業(yè)試驗(yàn)和調(diào)查數(shù)據(jù)分析軟件。,3,農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)處理與分析,農(nóng)業(yè)是一巨型復(fù)雜的系統(tǒng)。 農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)具有大量、多維、動態(tài)、不完整、不確定性（數(shù)據(jù)中的系統(tǒng)或隨機(jī)噪聲）、稀疏性（很少甚至沒有有用的記錄）、并且與時(shí)間相關(guān)等特點(diǎn)。 農(nóng)業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要在介紹經(jīng)典的農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上還介紹正交設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)和回歸設(shè)計(jì)等方法。,4,農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)分析的基本方法,農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)分析的基本方法是農(nóng)業(yè)數(shù)學(xué)建模和生物統(tǒng)計(jì)。 農(nóng)業(yè)數(shù)學(xué)模型用來揭示農(nóng)業(yè)過程中的機(jī)理關(guān)系，描述農(nóng)業(yè)各因子之間的動態(tài)的定量關(guān)系，如農(nóng)業(yè)產(chǎn)量與其他生態(tài)因子的關(guān)系。 生物統(tǒng)計(jì)用來檢驗(yàn)、歸類和判別農(nóng)業(yè)的最終結(jié)果，如在一定的置信度下判斷農(nóng)業(yè)因子對指標(biāo)如作物產(chǎn)量是否有影響，比較不同的農(nóng)業(yè)措施下農(nóng)業(yè)產(chǎn)量是否有差別。 農(nóng)業(yè)數(shù)學(xué)建模和生物統(tǒng)計(jì)是相互聯(lián)系的：首先生物統(tǒng)計(jì)模型是一類重要的數(shù)學(xué)模型；其次由于農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)具有的不確定性，數(shù)學(xué)建模中時(shí)常要考慮隨機(jī)誤差的影響，因此在農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)分析中，農(nóng)業(yè)數(shù)學(xué)建模和生物統(tǒng)計(jì)這兩種方法經(jīng)常一起使用。,5,第一節(jié) 農(nóng)業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,6,農(nóng)業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,農(nóng)業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則 重復(fù)、隨機(jī)化和區(qū)域控制 農(nóng)業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法 隨機(jī)完全區(qū)組設(shè)計(jì)等 農(nóng)業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理方法 描述性統(tǒng)計(jì)、統(tǒng)計(jì)推斷、回歸分析、主成分分析等,農(nóng)業(yè)數(shù)學(xué)建模,生物統(tǒng)計(jì),7,第二節(jié) SAS (Statistical Analysis System )簡介,8,附：SAS 9.0安裝步驟,調(diào)時(shí)間(2004年9月前)Setup disksetup.exe 選擇設(shè)置語言：英語 3)Install SAS Software 選擇SAS Installation Data: sas9834961.txt next Select Licensed Software next 選擇Disk1 68%時(shí)，選擇Disk2 76%時(shí)，選擇Secure windows 81%時(shí)，選擇SAS Shared Components 進(jìn)度條消失，選擇Setup Disk Finish 將sashost.dll復(fù)制到安裝目錄下，即“C:Program FilesSASSAS System9.0”下，覆蓋原文件 調(diào)回時(shí)間 完成！,9,關(guān)于SAS軟件,SAS是美國SAS軟件研究所于本上世紀(jì)70年代研制的一套大型集成應(yīng)用軟件系統(tǒng)，因其最初功能(Statistical Analysis System ) 而得名。經(jīng)過二十多年的發(fā)展, 已成為綜合軟件系統(tǒng), 其功能涉及數(shù)據(jù)訪問、管理、分析和顯示。作為管理信息系統(tǒng)(MIS)或決策支持系統(tǒng)(DSS)的開發(fā)平臺, 1996 年評為建立數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)的首選產(chǎn)品。,10,關(guān)于SAS軟件,SAS軟件為模塊式結(jié)構(gòu), 用戶可根據(jù)需要選擇 譬如, 我們可以只選Base SAS (基本模塊) , 用于數(shù)據(jù)管理、制表和描述性統(tǒng)計(jì)。 或再加上SAS/STAT (統(tǒng)計(jì)模塊)和SAS/GRAPH (圖形模塊), 組成一套具有數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)分析和圖形表達(dá)功能的軟件系統(tǒng)。 若在公司或工商企業(yè)工作, 再選兩種模塊,SAS/QC (質(zhì)控) 和SAS/OR (運(yùn)籌) , 就可使軟件系統(tǒng)在質(zhì)量管理、計(jì)劃運(yùn)籌、規(guī)劃、決策等方面的功能大為增強(qiáng)。 而SAS/ETS 則是計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)、時(shí)序分析和預(yù)測的有力工具等等。,11,SAS軟件的界面P16,12,SAS軟件的界面P16,編輯窗口（PROGRAM EDITOR）： 編輯程序和數(shù)據(jù)文件。 日志窗口（LOG）： 記錄運(yùn)行情況，顯示error信息。 輸出窗口（OUTPUT）： 輸出運(yùn)行的結(jié)果。 圖形窗口（GRAPH）： 輸出圖形。,13,SAS軟件的界面P16,編輯窗口（PROGRAM EDITOR）： 編輯程式和數(shù)據(jù)文件。 日志窗口（LOG）： 記錄運(yùn)行情況，顯示error信息。 輸出窗口（OUTPUT）： 輸出運(yùn)行的結(jié)果。 圖形窗口（GRAPH）： 輸出圖形。,點(diǎn)擊 Globals 菜單中的 Program editor、Log、Output、Graph 命令可以進(jìn)入編輯、日志、輸出及圖形窗口。 按功能鍵F5、F6、F7也可以進(jìn)入編輯、日志及輸出窗口。,14,SAS程序初步,在SAS中，對數(shù)據(jù)的處理可分為兩大步： 將數(shù)據(jù)讀入SAS建立的SAS數(shù)據(jù)集，稱為數(shù)據(jù)步（DATA）。 調(diào)用SAS的模塊處理和分析數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)，稱為過程步（PROC）。 每一數(shù)據(jù)步都是以DATA語句開始，以RUN語句結(jié)束； 而每一過程步則都是以PROC語句開始，以RUN語句結(jié)束。 每個(gè)語句的后面都要用符號“；”作為這個(gè)語句結(jié)束的標(biāo)志。 下面看一個(gè)簡單的例程。,15,SAS程序初步例程,在“* ”號與分號“; ”之間的內(nèi)容(第一行的漢字)為注釋，SAS是不理會的。 指令作用的SAS 關(guān)鍵詞決不允許拼錯, 一般用大寫。其它詞, 如數(shù)據(jù)集名(DATA后面的juli“距離”的漢語拼音)、變量名(miles英里, km 公里) 最好用小寫, 以資區(qū)別。名稱的長度不可超過8個(gè)英文字符(所以公里用縮寫km )。 每一SAS 語句必須以分號結(jié)尾。,數(shù)據(jù)步以DATA開頭, 接著是即將建立的數(shù)據(jù)集的名稱。 過程步以PROC開始, 后面是要運(yùn)行的過程的名稱, 如PRINT (顯示/打印出)、SORT(分類)、PLOT(制圖) 等。 程序的結(jié)尾是“RUN ; ”。,16,SAS程序初步例程,SAS程序編好后, 不會自動出結(jié)果。必須經(jīng)過發(fā)送(常用的方式是在命令行鍵入SUBMIT再按回車鍵) 所編程序才會被執(zhí)行?；蛘咄ㄟ^菜單操作“run”-“submit”，也可執(zhí)行SAS程序。 該程序運(yùn)行結(jié)果如圖：,17,SAS程序的輸入及運(yùn)行步驟：,進(jìn)入SAS的顯示管理系統(tǒng)。 進(jìn)入并擴(kuò)大編輯窗口。 調(diào)出、編輯或修改SAS程式或數(shù)據(jù)文件。 將編輯窗口的SAS程式或數(shù)據(jù)文件存盤。 按功能鍵F8或點(diǎn)擊“RUN”鍵運(yùn)行SAS程式并注意觀察日志窗口中的信息，如有error出現(xiàn)，應(yīng)將光標(biāo)移到日志窗口，用PgUp或PgDn翻頁，找到錯誤的所在。 將光標(biāo)移到編輯窗口，按功能鍵F4或點(diǎn)擊 Locals菜單中的 Recall text命令調(diào)出已經(jīng)運(yùn)行的SAS程式，改正錯誤后轉(zhuǎn)入步驟（4），直到日志窗口中的信息沒有error出現(xiàn)為止。 將光標(biāo)移到輸出窗口，用PgUp或PgDn翻頁閱讀輸出的結(jié)果。,18,SAS的菜單操作系統(tǒng),SAS不僅提供了靈活的程序模塊來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，還提供了功能強(qiáng)大的菜單操作系統(tǒng)，借助SAS的菜單系統(tǒng)可以方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出、修改和統(tǒng)計(jì)分析、作圖，并可以進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)、時(shí)間序列預(yù)測。 下面的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析學(xué)習(xí)全部是基于菜單操作展開的。,19,第三節(jié) SAS在農(nóng)業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用,20,應(yīng)用SAS對試驗(yàn)數(shù)據(jù)作方差分析,SAS在農(nóng)業(yè)單因素試驗(yàn)中的應(yīng)用舉例： 有一水稻施肥試驗(yàn)，設(shè)有5個(gè)處理（TRT），分別為A（施氨水1），B（施氨水2），C（施碳氨），D（施尿素）和E（不施肥）。每個(gè)處理均種植4盆，隨機(jī)排列，得稻谷產(chǎn)量如表2.3。試分析各處理平均數(shù)差異的顯著性。,21,應(yīng)用SAS對試驗(yàn)數(shù)據(jù)作方差分析,SAS在農(nóng)業(yè)單因素試驗(yàn)中的應(yīng)用舉例： （1）建立數(shù)據(jù)庫文件 按圖示錄入數(shù)據(jù)表。,22,應(yīng)用SAS對試驗(yàn)數(shù)據(jù)作方差分析,SAS在農(nóng)業(yè)單因素試驗(yàn)中的應(yīng)用舉例： （2）進(jìn)入方差分析，選取方差分析類型與檢驗(yàn)內(nèi)容，StatisticsANOVAOne-Way ANOVA（單因素方差分析），彈出單因素方差分析對話框，在該對話框中選擇可控（自）變量independent與響應(yīng)（因）變量dependent。 操作如圖所示：,23,應(yīng)用SAS對試驗(yàn)數(shù)據(jù)作方差分析,SAS在農(nóng)業(yè)單因素試驗(yàn)中的應(yīng)用舉例： （2）進(jìn)入方差分析，選取方差分析類型與檢驗(yàn)內(nèi)容，StatisticsANOVAOne-Way ANOVA（單因素方差分析），彈出單因素方差分析對話框，在該對話框中選擇可控（自）變量independent與響應(yīng)（因）變量dependent。 操作如圖所示：,24,應(yīng)用SAS對試驗(yàn)數(shù)據(jù)作方差分析,（3）進(jìn)行多重比較。點(diǎn)擊單因素方差分析對話框中的Means項(xiàng)，并選擇要進(jìn)行多重比較的主效應(yīng)及相應(yīng)的多重比較方法，點(diǎn)擊Add添加。 操作如圖所示：,25,應(yīng)用SAS對試驗(yàn)數(shù)據(jù)作方差分析,（3）進(jìn)行多重比較。點(diǎn)擊單因素方差分析對話框中的Means項(xiàng)，并選擇要進(jìn)行多重比較的主效應(yīng)及相應(yīng)的多重比較方法，點(diǎn)擊Add添加。 操作如圖所示：,26,應(yīng)用SAS對試驗(yàn)數(shù)據(jù)作方差分析,方差分析結(jié)果： P0.00020.05，即處理結(jié)果差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。,說明： Source變異來源；DF自由度； Type I SSSum of Squares (平方和)； Mean Square均方； F ValueF值（F值接近1，說明各組均數(shù)間的差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，即沒有差異；F值遠(yuǎn)大于1，說明各組均數(shù)間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，即有差異。） PrF即P值，如果該值小于0.05（顯著性水平），則具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，反之沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。,27,應(yīng)用SAS對試驗(yàn)數(shù)據(jù)作方差分析,多重比較結(jié)果說明： 為了便于理解，SAS將兩兩比較的結(jié)果直接用英文字母的形式標(biāo)示出來。 兩兩比較結(jié)果的最右側(cè)是處理因素變量的取值，最左側(cè)標(biāo)以字母A、B、C等等，用以表示該處理組和其它組有無差異。 如果兩組有相同的字母（如d、c、a三組），則兩者之間無差異； 而如果兩組間只有不同的字母，則表示兩組間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。,28,應(yīng)用SAS對試驗(yàn)數(shù)據(jù)作方差分析,多重比較結(jié)果： 結(jié)果顯示施尿素(d組)稻田產(chǎn)量最高，但施尿素(d組)的稻田產(chǎn)量與施氨水1(a組)、施碳氨(c組)的稻田產(chǎn)量之間的差別并不具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，施尿素(d組)的稻田產(chǎn)量與施氨水2(b組) 、不施肥(e組)的稻田產(chǎn)量之間的差別具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。,29,SAS對農(nóng)業(yè)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的變異分析,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的直觀分析 幾因素幾水平的正交試驗(yàn) 正交表采用L8(27) 通過觀察SAS輸出的結(jié)果，得出最優(yōu)的策略 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方差分析 方差分析 多重比較,30,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的直觀分析,例題：為了解決花菜留種問題，以進(jìn)一步提高花菜種子的產(chǎn)量和質(zhì)量，科技人員考察了澆水、施肥、病害防治和移入溫室時(shí)間對花菜留種的影響，進(jìn)行了四個(gè)因素各兩個(gè)水平的正交試驗(yàn)。 各因素及其水平見表2.6,31,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的直觀分析,首先，選用L8(27)正交表： 8表示總共要做8次試驗(yàn)，2表示每個(gè)因子都有兩個(gè)水平，7表示這個(gè)表最多可安排7個(gè)因子。試驗(yàn)結(jié)果如表2.7,32,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)直觀分析: SAS操作步驟,第一步： SolutionsAnalysisAnalysts，出現(xiàn)分析員界面后，輸入表2.7的數(shù)據(jù)，其中交互作用列不必輸入 數(shù)據(jù)錄入如圖所示：,33,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)直觀分析: SAS操作步驟,第二步： StatisticsDescriptiveSummary Statistics， 出現(xiàn)分析員描述性統(tǒng)計(jì)對話框， 在該對話框中， Analysis按鈕是 選中要進(jìn)行描述 性統(tǒng)計(jì)的變量， 我們選擇產(chǎn)量y。 Class按鈕是選 中分組變量，我 們首先選擇澆水 次數(shù)A,34,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)直觀分析: SAS操作步驟,第三步： 點(diǎn)擊Statistics按鈕，彈出對話框，在此對話框中你可以選擇要輸出的描述性統(tǒng)計(jì)量，打“”表示選中，我們選擇均值（Mean），最小值（Minimum）和最大值（Maximum），極差（Range），和（Sum）,35,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)直觀分析: SAS操作步驟,第四步： 分別選擇其他因素作為分組變量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)。分析結(jié)果如下表所示,36,結(jié)果直觀分析： 根據(jù)各試驗(yàn)因子的總計(jì)數(shù)或平均數(shù)可以看出：A取A1，B取B2，C取C2，D取D2為好，即花椰菜留種最好的栽培管理方式為：A1 B2 C2 D2,37,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方差分析：SAS操作,第一步： 在SAS分析員中，從StatisticsANOVAFactorial ANOVA(多因素方差分析)，進(jìn)入多因素方差分析的對話框。 Dependent按鈕 是選擇因變量， 我們選擇產(chǎn)量y， Independent 按 鈕是選擇進(jìn)行方 差分析的因素， 我們將全部因素 都選入。,38,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方差分析：SAS操作,第二步： 在SAS分析員方差分析對話框中，點(diǎn)擊按鈕Model，會彈出效應(yīng)選擇對話框，這里我們只選擇主效應(yīng)(main effects only)。,39,第三步： 多重比較：在方差分析對話框中，點(diǎn)擊按鈕Means，在彈出對話框中，點(diǎn)擊Add按鈕可添加要進(jìn)行多重比較的主效應(yīng)（將ABCD均Add進(jìn)來），多重比較的方法由Comparison method中的下拉列表框中的選項(xiàng)決定（選擇Duncans multiple-range test）,40,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方差分析：SAS操作,最后一步：查看方差分析結(jié)果,41,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方差分析：SAS操作,結(jié)果分析：,42,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方差分析：SAS操作,結(jié)果分析： 從方差分析表可以看出，澆水次數(shù)（A）和噴藥次數(shù)（B）對產(chǎn)量的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義； 對澆水次數(shù)（A）效應(yīng)進(jìn)行多重比較發(fā)現(xiàn)：在不干死為原則，整個(gè)生長期只澆水1-2次的澆水措施（水平1）下其花菜的產(chǎn)量明顯高于根據(jù)生長需水量和自然條件澆水，但不過濕的澆水措施（水平2）花椰菜的產(chǎn)量。,43,應(yīng)用SAS作回歸設(shè)計(jì)分析,例1為了研究雜交水稻的施氮量和密度與產(chǎn)量之間的關(guān)系，現(xiàn)做有關(guān)施氮量、水稻密度的試驗(yàn)，試求其回歸關(guān)系。因素編碼水平表見2.13試驗(yàn)結(jié)果見表2.14,更改為：2.5 1.5,44,操 作 步 驟,步驟（1）：進(jìn)入兩水平正交實(shí)驗(yàn)窗口,45,操 作 步 驟,步驟（1）：進(jìn)入兩水平正交實(shí)驗(yàn)(Two-level)窗口,46,操 作 步 驟,步驟（2）：定義變量(Define Variables),47,操 作 步 驟,步驟（2）：定義變量,48,操 作 步 驟,步驟（2）：定義變量,49,操 作 步 驟,步驟（3）：選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),50,操 作 步 驟,步驟（3）：選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),51,操 作 步 驟,步驟（4）：設(shè)置中心點(diǎn)數(shù)為2,52,操 作 步 驟,步驟（4）：設(shè)置中心點(diǎn)數(shù)為2,53,操 作 步 驟,步驟（5）：輸入試驗(yàn)結(jié)果,54,操 作 步 驟,步驟（5）：輸入試驗(yàn)結(jié)果,55,操 作 步 驟,步驟（6）：輸出分析結(jié)果,56,操 作 步 驟,步驟（6）：輸出分析結(jié)果,57,操 作 步 驟,步驟（6）：輸出分析結(jié)果,58,操 作 步 驟,步驟（7）：數(shù)值優(yōu)化,59,操 作 步 驟,步驟（7）：數(shù)值優(yōu)化,60,操 作 步 驟,步驟（7）：數(shù)值優(yōu)化,61,操 作 步 驟,步驟（7）：數(shù)值優(yōu)化,62,操 作 步 驟,步驟（7）：數(shù)值優(yōu)化,63,步驟（7）： 數(shù)值優(yōu)化,64,應(yīng)用SAS作回歸設(shè)計(jì)分析,例4我們以玉米 N 、P和 K 三因素三水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)為例，應(yīng)用SAS探索玉米高產(chǎn)高效的施肥方案，試驗(yàn)因素及編碼水平見表2.18，試驗(yàn)結(jié)果見表 2.19 。求出產(chǎn)量對N、P和 K三種肥料的回歸模型三元二次方程進(jìn)行方差分析，回歸系數(shù)檢驗(yàn)在 1.682與-1.682 的約束范圍內(nèi)模擬優(yōu)化找出產(chǎn)量最高的方案。,65,操 作 步 驟,步驟（1）：選擇試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Response Surface響應(yīng)面設(shè)計(jì))，定義變量,66