第五讲-农业模型ppt课件.ppt

1、第五讲第五讲 农业模型农业模型2019-1主要内容主要内容数字农业与农业模型数字农业与农业模型农业模型研究发展过程农业模型研究发展过程农业模型的基本方法农业模型的基本方法作物模拟模型作物模拟模型农业模型应用与发展趋势农业模型应用与发展趋势2019-2主要内容主要内容数字农业数字农业模型与模型化模型与模型化模型的类型模型的类型数学模型数学模型农业模型及其特点农业模型及其特点农业模型学农业模型学第一部分第一部分 数字农业与农业模型数字农业与农业模型2019-31.1.数字农业定义数字农业定义 当代信息技术迅速发展，并在农业上得到广泛应用。到当代信息技术迅速发展，并在农业上得到广泛应用。到2020世

2、纪末，国际世纪末，国际上形成了上形成了“数字农业数字农业”的概念。它预示着的概念。它预示着2121世纪的农业将呈现出一个以数字世纪的农业将呈现出一个以数字化为特征的崭新局面。化为特征的崭新局面。 参照参照“数字地球数字地球”、“数字战争数字战争”等含义，并考虑到农业的特点，数字等含义，并考虑到农业的特点，数字农业应该包括以下三个内容：农业应该包括以下三个内容：（1 1）数字农业要求对农业的各个方面（包括种植业、畜牧业、水产业、林业等）数字农业要求对农业的各个方面（包括种植业、畜牧业、水产业、林业等）的各个要素与过程（生物的、环境的、经济的）全面实现数字化的各个要素与过程（生物的、环境的、经济的

3、）全面实现数字化，也就是说，也就是说各种农业的各种要素与过程都要应用二进制的数字（各种农业的各种要素与过程都要应用二进制的数字（0 0，1 1）以及由二进制数）以及由二进制数字建成的数学模型或计算机模型来表达。字建成的数学模型或计算机模型来表达。（2 2）数字农业要求各种农业信息技术最广泛地应用于农业。）数字农业要求各种农业信息技术最广泛地应用于农业。（3 3）数字农业要求在农业的各个部门）数字农业要求在农业的各个部门（生产、科研、教育、行政、流通、服务（生产、科研、教育、行政、流通、服务等）等）全面地实施数字化与网络化的管理。全面地实施数字化与网络化的管理。 一、数字农业一、数字农业2019

4、-42. 2.农业过程的全面数字化与农业模型农业过程的全面数字化与农业模型 以上分析可知，农业数学模型与农业计算机模型的研究与以上分析可知，农业数学模型与农业计算机模型的研究与建立，应该说是建立，应该说是“数字农业数字农业”的前提。的前提。n 各种农业要素的数字化各种农业要素的数字化n 各种农业基本过程的数字化各种农业基本过程的数字化-农业数学模型农业数学模型n 各种农业的决策过程的数字化各种农业的决策过程的数字化-农业计算机模型农业计算机模型2019-53. 3.农业模型是农业信息技术的基础农业模型是农业信息技术的基础1.农业模型与遥感技术农业模型与遥感技术2.农业模型与农业模型与GIS3.

5、农业模型与精确农业农业模型与精确农业4.农业模型与数据库技术农业模型与数据库技术5.农业模型与因特网农业模型与因特网2019-6模型是模型是模仿客观事物的一种物体模仿客观事物的一种物体。对客观事物构建模型的过程对客观事物构建模型的过程就成为就成为“模型化模型化”（ModelingModeling）, ,也称为也称为“模拟模拟”（SimulationSimulation）。）。 二、模型与模型化二、模型与模型化2019-7 直观模型：直观模型：只要求与客观事物的外观相似，不涉及事物的内在机理。只要求与客观事物的外观相似，不涉及事物的内在机理。 思维模型：思维模型：人们通过对同类的客观事物的反复接

6、触，从而在头脑中形成人们通过对同类的客观事物的反复接触，从而在头脑中形成的对同类事物的共同特征与内在规律的了解。的对同类事物的共同特征与内在规律的了解。 物理模型：物理模型：这类模型要求以某种物理实体反映客观事物的某些物理性能这类模型要求以某种物理实体反映客观事物的某些物理性能与内在机理。如飞机模型、地震模拟装置等。与内在机理。如飞机模型、地震模拟装置等。 图形或符号模型：图形或符号模型：这类模型用图形或特定的符号来表示客观事物的内这类模型用图形或特定的符号来表示客观事物的内在结构与性能。如：机器结构图、工程设计图、电路图等。在结构与性能。如：机器结构图、工程设计图、电路图等。 数学模型数学模

7、型 计算机模型计算机模型 三、模型的类型三、模型的类型2019-8建立数学模型往往是模型化的核心步骤。建立数学模型往往是模型化的核心步骤。数学模型具有以下特征：数学模型具有以下特征：1 1）现实性）现实性2 2）抽象性）抽象性3 3）逻辑性）逻辑性4 4）目的性）目的性5 5）广泛性）广泛性 四、数学模型四、数学模型2019-9n 建立一个数学模型一般需要以下步骤：建立一个数学模型一般需要以下步骤： 1 1）建模准备）建模准备 2 2）模型假设）模型假设 3 3）模型构建）模型构建 4 4）模型检验）模型检验 5 5）模型应用）模型应用2019-10n 数学模型的类型数学模型的类型1 1）按数

8、学方法来分类）按数学方法来分类A.A.初等数学模型初等数学模型B.B.微分法模型微分法模型C.C.微分方程模型微分方程模型D.D.变分法模型变分法模型E.E.图论模型图论模型2 2）按模型中事物发生机率分）按模型中事物发生机率分G.G.确定性模型确定性模型H.H.随机性模型随机性模型3 3）按模型中事物运动状态分类）按模型中事物运动状态分类I.I.连续性模型连续性模型J.J.离散性模型离散性模型2019-11 四、农业模型四、农业模型 农业模型是应用数学模型方法和计算机技术，分析影响农业生产的农业模型是应用数学模型方法和计算机技术，分析影响农业生产的主要因素主要因素气候、土壤、作物、社会、经济

9、等气候、土壤、作物、社会、经济等,从而对农业生产进行定从而对农业生产进行定量研究。量研究。 通过模型研究，可以在较短时间内，用较少的人力、物力和财力，通过模型研究，可以在较短时间内，用较少的人力、物力和财力，得到可靠而优化的结果。模型并不与客观事物一一对应，它只是客观得到可靠而优化的结果。模型并不与客观事物一一对应，它只是客观事物的一种简化形式，然而它比客观事物更易于确定和更易于处理。事物的一种简化形式，然而它比客观事物更易于确定和更易于处理。 农业数学模型和农业计算机模型农业数学模型和农业计算机模型1.概念概念2019-122.农业模型的类型农业模型的类型 按不同的功能特征以及建模的目的和方

10、法大致可以分为以下几种类型：按不同的功能特征以及建模的目的和方法大致可以分为以下几种类型： 1 1、经验、经验(Experiential)(Experiential)模型和机理模型和机理(Mechanistial)(Mechanistial)模型模型 前者前者建立在数据统计分析的基础上，较少涉及机理性，偏重于模型的预测建立在数据统计分析的基础上，较少涉及机理性，偏重于模型的预测性和应用性；性和应用性；后者后者对内在机理有较好的阐释，强调模型的解释性和研究性。对内在机理有较好的阐释，强调模型的解释性和研究性。 2 2、描述性、描述性(Descriptive)(Descriptive)模型和解释性

11、模型和解释性(Explainatory)(Explainatory)模型模型 前者前者以简单的方式描述一个系统的行为，而对引起行为的机理，模型较少以简单的方式描述一个系统的行为，而对引起行为的机理，模型较少或根本不予以反映，描述性模型可以通过测定的试验数据推导出来，其建立或根本不予以反映，描述性模型可以通过测定的试验数据推导出来，其建立相对比较简捷（图相对比较简捷（图1 1）；）；2019-13 后者后者由引起系统行为的机理和过程的定量描述所组成，这些描由引起系统行为的机理和过程的定量描述所组成，这些描述即为科学理论和假设的清晰表达，模型是通过综合整个系统的机述即为科学理论和假设的清晰表达，模

12、型是通过综合整个系统的机理和过程描述来建立的。为了建立解释性模型，需要对整个系统进理和过程描述来建立的。为了建立解释性模型，需要对整个系统进行分析，并分别对它的过程和机理进行定量化表达（图行分析，并分别对它的过程和机理进行定量化表达（图2 2）。）。 图图1 1 表明真实世界的现象如何引入到描述性模型中的图示表明真实世界的现象如何引入到描述性模型中的图示 模型化现象模型化现象 真实现象真实现象 描述性模型描述性模型 计算计算 描述描述 2019-14图图2 2 表明真实观察值如何被分析和综合引入解释性模型来模拟表明真实观察值如何被分析和综合引入解释性模型来模拟系统行为的图示系统行为的图示 解释

13、性模型解释性模型 系统系统 模拟模拟 描述，描述， 分析分析 模型化现象模型化现象 真实现象真实现象 过程过程 过程过程 过程过程 过程过程 过程过程 过程过程 模型模型 构建构建 2019-153 3、统计、统计(Statistical)(Statistical)模型和过程模型和过程(Process)(Process)模型模型 前者前者是一种最常使用的模型，主要通过对数据进行多重回归来预是一种最常使用的模型，主要通过对数据进行多重回归来预测系统的表现，其解释性较差，并且局限于试验资料所在地特定的大测系统的表现，其解释性较差，并且局限于试验资料所在地特定的大气、土壤条件和品种类型，难以推广到不

14、同的环境条件和品种类型；气、土壤条件和品种类型，难以推广到不同的环境条件和品种类型；后者后者用于定量描述生物与非生物的一些基本过程，具有较好的机理性用于定量描述生物与非生物的一些基本过程，具有较好的机理性和解释性，适用于不同的环境条件和生产系统。和解释性，适用于不同的环境条件和生产系统。4 4、应用、应用(Application)(Application)模型和研究模型和研究(Research)(Research)模型模型 前者前者主要倾向于应用推广，因而具有便于使用、较粗放和应用方主要倾向于应用推广，因而具有便于使用、较粗放和应用方向比较单一的特点；向比较单一的特点；后者后者主要用于科研，对

15、其机理性要求较高，因而主要用于科研，对其机理性要求较高，因而具有操作复杂、参数较多、灵敏度高的特点。具有操作复杂、参数较多、灵敏度高的特点。2019-16 但总体上，所有农业模型从更微观的层次看都可认为是经验性模型，但总体上，所有农业模型从更微观的层次看都可认为是经验性模型，而从更宏观的层次看又都是机理性模型。因此，任何一个模拟模型都体现了而从更宏观的层次看又都是机理性模型。因此，任何一个模拟模型都体现了经验性和机理性的相对平衡和协调。经验性和机理性的相对平衡和协调。 如果按不同的学科领域进行分类，农业模型大概有作物生长模型，动物如果按不同的学科领域进行分类，农业模型大概有作物生长模型，动物生

16、长模型，农业气象模型，土壤水肥模型，种植制度模型，农业生产力模型，生长模型，农业气象模型，土壤水肥模型，种植制度模型，农业生产力模型，耕地质量评价模型，病虫害预测模型等不同方面。耕地质量评价模型，病虫害预测模型等不同方面。 其中，农作系统模拟模型的研究具有较好的代表性和先进性，目前国际其中，农作系统模拟模型的研究具有较好的代表性和先进性，目前国际上公认较为优秀且应用广泛的作物生长模拟模型有美国的上公认较为优秀且应用广泛的作物生长模拟模型有美国的CERESCERES系列模型系列模型和和荷兰的荷兰的SUCROSSUCROS模型模型等。等。2019-17q 农业模型的特征农业模型的特征 过程模型的特

17、征过程模型的特征 较理想的农业过程模拟模型应具有以下较理想的农业过程模拟模型应具有以下8 8个特征。其中，动态性个特征。其中，动态性和预测性是农业模拟模型最显著和最重要的特征。和预测性是农业模拟模型最显著和最重要的特征。 1 1、系统性、系统性 对生物与非生物全过程进行系统、全面的分析与描述。对生物与非生物全过程进行系统、全面的分析与描述。2 2、动态性、动态性 包括受环境因子和内在特性驱动的各个状态变量的时间过程变化包括受环境因子和内在特性驱动的各个状态变量的时间过程变化及不同生育过程间的动态关系。及不同生育过程间的动态关系。 2019-183 3、机理性、机理性 在经验性或描述性的基础上，

18、通过进行深入的支持研究，模拟较在经验性或描述性的基础上，通过进行深入的支持研究，模拟较为全面的系统等级水平，并将其进行有机结合，从而提供对主要生为全面的系统等级水平，并将其进行有机结合，从而提供对主要生理过程的理解或解释。理过程的理解或解释。4 4、预测性、预测性 通过正确建立模型的主要驱动变量及其与状态变量的动态关系，通过正确建立模型的主要驱动变量及其与状态变量的动态关系，对系统行为提供可靠的定量预测。对系统行为提供可靠的定量预测。5 5、通用性、通用性 原则上适用于任何地点、时间和品种等条件。原则上适用于任何地点、时间和品种等条件。6 6、便用性、便用性 可为非专家操作应用，可利用一般的气

19、候、土壤及品种资料。可为非专家操作应用，可利用一般的气候、土壤及品种资料。2019-197 7、灵活性、灵活性 可容易地进行修改和扩充以及与其它系统相耦合。可容易地进行修改和扩充以及与其它系统相耦合。8 8、研究性、研究性 除了应用性以外，还可用于不同领域的模拟研究工作，从而避除了应用性以外，还可用于不同领域的模拟研究工作，从而避免实物研究中干扰因素多、周期长、费用高等的不足。免实物研究中干扰因素多、周期长、费用高等的不足。2019-20与动态分析的比较与动态分析的比较 动态分析动态分析的主要研究内容是不同时段系统的整体输出结果，而未涉的主要研究内容是不同时段系统的整体输出结果，而未涉及系统内

20、不同成分的变化过程及其机理关系，具有简单描述性和间断性及系统内不同成分的变化过程及其机理关系，具有简单描述性和间断性的特点。的特点。 模拟模型模拟模型研究的主要对象是生物与非生物系统的过程及过程间的相研究的主要对象是生物与非生物系统的过程及过程间的相互关系，因而具有规律上的解释性以及连续的时空变化特征。互关系，因而具有规律上的解释性以及连续的时空变化特征。 例如，在植物生长分析研究中，主要目标是描述不同时间叶面积及例如，在植物生长分析研究中，主要目标是描述不同时间叶面积及作物生长速率等生长状态的变化特征，通过定期测定叶面积和干物重就作物生长速率等生长状态的变化特征，通过定期测定叶面积和干物重就

21、可以计算获得不同的生长动态曲线（图可以计算获得不同的生长动态曲线（图3 3）。但在植物生长模拟研究中，）。但在植物生长模拟研究中，必须能解析影响叶面积和生长速率变化的生理过程及机理关系。必须能解析影响叶面积和生长速率变化的生理过程及机理关系。2019-21图图1 1 作物植株叶面作物植株叶面积、生物量及生长速积、生物量及生长速率随时间过程的变化率随时间过程的变化动态动态 0 1 2 3 4 5 6 7 20 40 60 80 100 0 5 10 15 0 10 20 30 40 0 辐射 截获 绿色叶面积指数 太阳辐射截获率 (%) 累积干物重(kg ha-1) 作物生长速率(g m-2 d

22、-1) 净光合作用速率 (g m-2 d-1) 出苗后的天数 (days) 开花 LAL 20 40 60 80 100 120 干物重 生长速率 净光合作用速率 2019-22 与统计模型的比较与统计模型的比较 1 1、农业统计一般只对农业生产系统的最终结果（如产量）进行比较，、农业统计一般只对农业生产系统的最终结果（如产量）进行比较，而不揭示结果（产量）形成的机理性过程及因果关系。而而不揭示结果（产量）形成的机理性过程及因果关系。而农业模拟模型农业模拟模型完全可以揭示生物生长与生产过程及其动态关系完全可以揭示生物生长与生产过程及其动态关系，帮助人们更好地理解，帮助人们更好地理解生物生长和生

23、产的机制与结果。生物生长和生产的机制与结果。 2 2、农业统计一般只能考虑与结果（如产量）有关的少数技术措施、农业统计一般只能考虑与结果（如产量）有关的少数技术措施（如品种、肥料、密度等），而客观上影响生物生长和生产的因子往往（如品种、肥料、密度等），而客观上影响生物生长和生产的因子往往很多，无法用农业统计的方法综合研究和分析。而很多，无法用农业统计的方法综合研究和分析。而模拟模型可以对农业模拟模型可以对农业生产系统进行综合分析和合成，同时考虑许多因子的作用生产系统进行综合分析和合成，同时考虑许多因子的作用，并可进行大，并可进行大量的计算机模拟试验。量的计算机模拟试验。 3 3、农业统计的研究

24、结果具有明显的地域性和季节性，且局限于特定、农业统计的研究结果具有明显的地域性和季节性，且局限于特定的生物品种、土壤类型和气候条件，很难应用于不同地区、时间和生产的生物品种、土壤类型和气候条件，很难应用于不同地区、时间和生产系统。而系统。而模拟模型模拟模型同时受外部环境和内在特征所驱动，因而具有较强的同时受外部环境和内在特征所驱动，因而具有较强的动态性和灵活性，动态性和灵活性，可以应用于不同的地点、时间和生产系统。可以应用于不同的地点、时间和生产系统。 2019-23q 农业模型的作用与功能农业模型的作用与功能 模拟模型的意义模拟模型的意义 农业模拟模型最重要的意义是对整个农业生产系统的知识进

25、行综合，农业模拟模型最重要的意义是对整个农业生产系统的知识进行综合，并量化机理性过程及其相互关系，即并量化机理性过程及其相互关系，即综合知识和量化关系。综合知识和量化关系。 模拟模型是利用计算机强大的信息处理和计算功能，对不同的生物与模拟模型是利用计算机强大的信息处理和计算功能，对不同的生物与非生物过程进行系统分析和合成，其实质上相当于所研究系统的最新知识非生物过程进行系统分析和合成，其实质上相当于所研究系统的最新知识的积累和综合。的积累和综合。 同时，模拟研究在理解生物与非生物过程及其变量间关系的基础上，同时，模拟研究在理解生物与非生物过程及其变量间关系的基础上，进行量化分析和数理模拟，从而

26、促进了对生物与非生物规律由定性描述向进行量化分析和数理模拟，从而促进了对生物与非生物规律由定性描述向定量分析的转化过程，深化了对农业系统过程的定量化认识和数字化表达。定量分析的转化过程，深化了对农业系统过程的定量化认识和数字化表达。2019-24 模拟模型的功能模拟模型的功能 成功的农业模拟模型之所以受到科学家的肯定和重视，是因成功的农业模拟模型之所以受到科学家的肯定和重视，是因为模拟模型具有其他研究手段不可替代的功能：为模拟模型具有其他研究手段不可替代的功能：理解、预测、调理解、预测、调控控。 模拟模型能够帮助人们理解和认识生物与非生物过程的基本模拟模型能够帮助人们理解和认识生物与非生物过程

27、的基本规律和量化关系，并对系统的动态行为和最后表现进行预测，从规律和量化关系，并对系统的动态行为和最后表现进行预测，从而辅助进行对生物生长和生产系统的适时合理调控，实现优质、而辅助进行对生物生长和生产系统的适时合理调控，实现优质、高产、高效、生态、安全的可持续发展。高产、高效、生态、安全的可持续发展。2019-25 研究农业模型的理论体系、方法体系，及其与其它研究农业模型的理论体系、方法体系，及其与其它各种科学的关系，对农业发展的影响以及在农业各个领域各种科学的关系，对农业发展的影响以及在农业各个领域中的研究进展的科学。中的研究进展的科学。 五、农业模型学五、农业模型学2019-26第二部分第

28、二部分 农业模型研究的发展过程农业模型研究的发展过程n 农业生产模型的研究进展农业生产模型的研究进展n 农业系统各组分的模拟研究现状农业系统各组分的模拟研究现状n 作物模拟模型的研究进展作物模拟模型的研究进展 2019-27 国际上：国际上：3030年代开始；主要内容涉及人口增长、资源利用、作物生产、年代开始；主要内容涉及人口增长、资源利用、作物生产、畜禽饲养、病虫预测和环境控制。畜禽饲养、病虫预测和环境控制。 中国发展情况中国发展情况 8080年代中期开始，以江苏农业科学院为代表，江西农年代中期开始，以江苏农业科学院为代表，江西农业大学、中棉所、中国农业大学、南京农业大学、河南农业大学、河业

29、大学、中棉所、中国农业大学、南京农业大学、河南农业大学、河南农科院、山东农业大学等相继开展了这一方面的研究或示范。南农科院、山东农业大学等相继开展了这一方面的研究或示范。 一、农业生产模型的研究进展一、农业生产模型的研究进展2019-28农业生物的模拟农业生物的模拟（6060年代中后期开始年代中后期开始） 这是农业系统模拟这是农业系统模拟发展最快，成绩最显著的领域。发展最快，成绩最显著的领域。农业环境的模拟农业环境的模拟 主要包括气象因子的生成（主要包括气象因子的生成（已有固定的模已有固定的模型型）、有效积温的统计；气温与地温关系的预测等。）、有效积温的统计；气温与地温关系的预测等。 二、农业

30、系统各组分的模拟研究现状二、农业系统各组分的模拟研究现状2019-29农业技术的模拟农业技术的模拟 主要包括农作物种植日期、种植（饲养）密度、肥料用量、主要包括农作物种植日期、种植（饲养）密度、肥料用量、灌溉用量与时间确定等。这是一个相对薄弱的领域。有待进一步加强对农业灌溉用量与时间确定等。这是一个相对薄弱的领域。有待进一步加强对农业生产的量性研究。生产的量性研究。农业经济因素的模拟农业经济因素的模拟 包括农业再生产的投入与产出关系。包括农业再生产的投入与产出关系。 S SA Aa aL Lb1b1C Cb2b2K Kb3b3T Tb4b4 其中，其中，b b1 1至至b b4 4为弹性系数（

31、即边际产量与平均产量的比值）；为弹性系数（即边际产量与平均产量的比值）；A A为耕地面积；为耕地面积；a a为常数；为常数；C C为流动性生产资料、为流动性生产资料、K K为固定生产资料对产投比的贡献；为固定生产资料对产投比的贡献；T T为教育或为教育或科技投入的影响。科技投入的影响。 二、农业系统各组分的模拟研究现状二、农业系统各组分的模拟研究现状2019-30n 计算机科学和系统科学的发展，促进了作物模型研究的计算机科学和系统科学的发展，促进了作物模型研究的发展。发展。n 荷兰、美国、前苏联、加拿大、澳大利亚、日本等均有荷兰、美国、前苏联、加拿大、澳大利亚、日本等均有不少研究。近年来我国也

32、进行了一些研究。其中不少研究。近年来我国也进行了一些研究。其中美国和美国和荷兰荷兰是目前作物生长模型研究比较集中的二个国家。是目前作物生长模型研究比较集中的二个国家。n 就研究作物而言，各国主要集中在禾谷类、豆科、块根就研究作物而言，各国主要集中在禾谷类、豆科、块根类、棉花、牧草等十几种作物。类、棉花、牧草等十几种作物。 三、作物模拟模型的研究进展三、作物模拟模型的研究进展 2019-31作物模拟模型的研究进展作物模拟模型的研究进展 n 纵观作物生长模拟模型研究的发展过程，可将其大致分为以下纵观作物生长模拟模型研究的发展过程，可将其大致分为以下五个五个阶段：阶段： n 第一：思想萌芽阶段（第一

33、：思想萌芽阶段（19401940年前）年前）。作物生长模拟模型的思想主要源于积。作物生长模拟模型的思想主要源于积温学说和生长分析法温学说和生长分析法 。n 第二：经验模型阶段（第二：经验模型阶段（1941194119601960）。伴随着农业气象学和统计学的发展，。伴随着农业气象学和统计学的发展，作物生长模拟模型研究主要集中于依据积温学说思想，利用气象资料，运作物生长模拟模型研究主要集中于依据积温学说思想，利用气象资料，运用统计学方法建立作物生产经验统计模型。用统计学方法建立作物生产经验统计模型。 三、作物模拟模型的研究进展三、作物模拟模型的研究进展 2019-32模拟模型的研究进展模拟模型的

34、研究进展 n 第三：机理模型阶段（第三：机理模型阶段（1961196119801980）自自6060年代以来，以美国、荷兰、年代以来，以美国、荷兰、( (前前) )苏联、英国等为代表，作了大苏联、英国等为代表，作了大量有关作物机理模拟模型的研究工作，涉及十多种常见作物，研究量有关作物机理模拟模型的研究工作，涉及十多种常见作物，研究内容包括光合作用、作物冠层结构、呼吸作用、蒸腾、干物质积累内容包括光合作用、作物冠层结构、呼吸作用、蒸腾、干物质积累与分配、养分吸收、水分利用、根系生长、器官生长发育等与分配、养分吸收、水分利用、根系生长、器官生长发育等 。主要研究成果有主要研究成果有:模型，模型，E

35、LCROSELCROS，SPAMSPAM， SIMCOTSIMCOT、SIMCOT-IISIMCOT-II。特别是。特别是de Witde Wit和和DuncanDuncan等提出了植被冠层截光等提出了植被冠层截光的几何模型和生理模型。的几何模型和生理模型。 三、作物模拟模型的研究进展三、作物模拟模型的研究进展 2019-33模拟模型的研究进展模拟模型的研究进展 n 第四：应用模型阶段（第四：应用模型阶段（1980198019901990）作物模型研究方向由强调作物生长过程的理论表达，转向侧重于实作物模型研究方向由强调作物生长过程的理论表达，转向侧重于实际应用。际应用。最有代表性的如最有代表性

36、的如CERESCERES(Crop-Environment Resource Synthesis)(Crop-Environment Resource Synthesis)系列作物模型和系列作物模型和GOSSYM/COMAXGOSSYM/COMAX系统。系统。这些模型已被广泛应用于不同环境条件下的作物估产，干旱评价，这些模型已被广泛应用于不同环境条件下的作物估产，干旱评价，作物品种培育等。在气候变化对农业的影响评价中，用的最多的是作物品种培育等。在气候变化对农业的影响评价中，用的最多的是CERESCERES模型。模型。 三、作物模拟模型的研究进展三、作物模拟模型的研究进展 2019-34模拟模

37、型的研究进展模拟模型的研究进展n第五：综合模型阶段（第五：综合模型阶段（19901990年至今）年至今）进入进入2020世纪世纪9090年代，伴随着随着社会需求的增多和人工智能知识年代，伴随着随着社会需求的增多和人工智能知识工程技术方法的发展与应用，作物生长模型向着应用多元化方向工程技术方法的发展与应用，作物生长模型向着应用多元化方向发展发展 。遥感遥感RSRS和地理信息系统和地理信息系统GISGIS等新技术手段的崛起，为作物生长模等新技术手段的崛起，为作物生长模型的应用和发展提供了广阔的前景。型的应用和发展提供了广阔的前景。 通过与通过与GISGIS技术的结合，可以扩大作物模型的应用范围。技

38、术的结合，可以扩大作物模型的应用范围。 因为因为GISGIS技术不仅可以定量表征区域环境特性，而且能够揭示生产力的技术不仅可以定量表征区域环境特性，而且能够揭示生产力的区域分布特征、以及存在的问题，从而通过与作物模型的结合，区域分布特征、以及存在的问题，从而通过与作物模型的结合，评估不同管理情景下的生产力，为农业管理或区域规划提供科学评估不同管理情景下的生产力，为农业管理或区域规划提供科学依据。依据。 三、三、 作物模拟模型的研究进展作物模拟模型的研究进展 2019-35（1 1）荷兰学派）荷兰学派强调生物的机理性和共性问题强调生物的机理性和共性问题（2 2）美国学派）美国学派强调生态系统的整

39、体性和应用性强调生态系统的整体性和应用性（3 3）中国学派）中国学派强调生物机理性和应用性强调生物机理性和应用性 农业生产模型的学派农业生产模型的学派2019-36（1 1）美国的）美国的GOSSYM/COMAXGOSSYM/COMAX系统系统（2 2）中国的）中国的CCSODSCCSODS系统系统 两个典型模型系统分析两个典型模型系统分析2019-37 COMAX/GOSSYM棉花生产管理系统的结构框架棉花生产管理系统的结构框架 2019-38气象资料、土壤环境、品种参数与技术措施气象资料、土壤环境、品种参数与技术措施水分与水分与养分平衡养分平衡养分养分亏缺亏缺因子因子冠层辐射与吸收冠层辐射

40、与吸收阶阶段段发发育育光合作用光合作用( (叶片与冠层叶片与冠层) )呼吸作用呼吸作用( (维持与生长呼吸维持与生长呼吸) )同化物的同化物的积累与分配积累与分配器器官官生生长长产量形成产量形成品质形成品质形成水分亏水分亏缺因子缺因子小麦生长模型流程图小麦生长模型流程图2019-39主要内容主要内容第三部分第三部分 农业模型的基本方法农业模型的基本方法n 农业模型目的性的确定农业模型目的性的确定n 农业模型技术路线的确定农业模型技术路线的确定n 农业模型的总体结构农业模型的总体结构n 农业模型的计算机语言选择农业模型的计算机语言选择n 农业模型的数学模型农业模型的数学模型n 农业模型中的核心模

41、块农业模型中的核心模块n 农业模型的数据库农业模型的数据库n 农业模型的输入与输出农业模型的输入与输出n 农业模型的核实、较准与检验农业模型的核实、较准与检验2019-401.1.农业系统的等级性和水平农业系统的等级性和水平 q 农业生产系统的等级性农业生产系统的等级性 根据系统分析的原理，农业生产系统一般可分解成根据系统分析的原理，农业生产系统一般可分解成区域、农区、区域、农区、农田生态、作物群落、群体、个体、器官、组织、细胞农田生态、作物群落、群体、个体、器官、组织、细胞等不同层次或等不同层次或等级，如图所示。在这些不同的系统层面上，可以构建出不同尺度和等级，如图所示。在这些不同的系统层面

42、上，可以构建出不同尺度和不同内容的计算机模拟模型。不同内容的计算机模拟模型。 一、农业模型目的性的确定一、农业模型目的性的确定2019-41 农业生产系统的等级性农业生产系统的等级性 区域区域 “世界世界” 农区农区 农田生态农田生态 植株个体植株个体 植株组成成分植株组成成分 (根、茎、叶等根、茎、叶等) 微观组成成分微观组成成分 （气孔、细胞、生化通道等）（气孔、细胞、生化通道等） 管管 理理 研研 究究 2019-42建模目的包括如下：建模目的包括如下：n 应用制定宏观农业决策应用制定宏观农业决策n 应用于决定微观农业技术应用于决定微观农业技术n 应用于揭示农业过程机理性的研究应用于揭示

43、农业过程机理性的研究n 应用于农业预测与风险分析应用于农业预测与风险分析2019-43主要的农业模型技术路线有以下几种：主要的农业模型技术路线有以下几种：1.1.农业计算机模拟农业计算机模拟2.2.农业模拟与专家系统相结合农业模拟与专家系统相结合3.3.农业专家系统农业专家系统4.4.农业数学规划农业数学规划5.5.农业模拟与数学规划相结合农业模拟与数学规划相结合6.6.农业模拟模型与优化模型相结合农业模拟模型与优化模型相结合7.7.农业模拟、优化与决策相结合农业模拟、优化与决策相结合8.8.农业模拟、优化与专家经验相结合农业模拟、优化与专家经验相结合9.9.农业模拟与农业模拟与GISGIS相

44、结合相结合10.10.农业模拟与遥感图像相结合农业模拟与遥感图像相结合11.11.农业模拟与农业模拟与GPSGPS相结合相结合 二、农业模型技术路线的确定二、农业模型技术路线的确定2019-44v 农业系统可用系统的成分、系统的界面和系统的环境来简化描述。其中，系农业系统可用系统的成分、系统的界面和系统的环境来简化描述。其中，系统成分主要包括系统内部的作物和土壤；系统环境指系统的外部因素，包括统成分主要包括系统内部的作物和土壤；系统环境指系统的外部因素，包括气象条件等系统输入以及蒸发蒸腾及生物量等系统的输出；系统界面是系统气象条件等系统输入以及蒸发蒸腾及生物量等系统的输出；系统界面是系统的内在

45、成分与系统环境之间的抽象的分界线。的内在成分与系统环境之间的抽象的分界线。 三、农业模型的总体结构三、农业模型的总体结构1.1.农业系统的基本结构农业系统的基本结构2019-45系统的主要成分、系统的界面和系统的环境系统的主要成分、系统的界面和系统的环境作物作物土壤土壤输出输出输入输入温度、温度、降水，降水，太阳辐射太阳辐射系统成分系统成分系统边界系统边界2019-462.模型结构模型结构 输入输入u模块模块 输出输出u1.1. 基本模型单元图基本模型单元图用户用户数据库数据库输入输入模块模块 输出输出u2.2. 单输入单输入- -单模块单模块- -单输出模型结构单输出模型结构用户用户数据库数

46、据库 输入输入u 输出输出u 输入输入u 输出输出u 输入输入u 输出输出u3.3. 多输入多输入- -多模块多模块- -多输出模型结构多输出模型结构2019-47 硬件环境硬件环境 软件环境软件环境 编程工具编程工具 Visual CVisual C；Visual BasicVisual Basic；DelphiDelphi；JavaJava；ASPASP；Visual C#.netVisual C#.net等等 数据库应用系统数据库应用系统 SQL ServerSQL Server；OracleOracle；Foxpro/Access for WindowsFoxpro/Access fo

47、r Windows等等 浏览器浏览器 NetscapeNetscape；IEIE等等 目前，模型算法的编写采用较多的是目前，模型算法的编写采用较多的是FortranFortran、VCVC+、Visual C#.netVisual C#.net等编程等编程语言，界面设计采用较多的是语言，界面设计采用较多的是Visual BasicVisual Basic（VBVB）、）、DelphiDelphi、ASPASP、Visual Visual C#.netC#.net等，数据库结构一般采用等，数据库结构一般采用SQL ServerSQL Server、OracleOracle、Foxpro/Acce

48、ss Foxpro/Access 等进等进行设计。行设计。 四、农业模型的计算机语言选择四、农业模型的计算机语言选择2019-48n 资料获取与算法构建资料获取与算法构建n 资料获取大概有资料获取大概有3 3个方面的来源。个方面的来源。一是自己已有的工作积累或文献资料一是自己已有的工作积累或文献资料，其中，其中文献资料主要包括国内外在相关领域所取得的科研成果、出版的专著与教材文献资料主要包括国内外在相关领域所取得的科研成果、出版的专著与教材、科技期刊及学术会议上发表的论文等，以及各地的土壤志、品种志、气象、科技期刊及学术会议上发表的论文等，以及各地的土壤志、品种志、气象资料等。资料等。二是通过

49、合作途径，可以从同行科学家那里获取相关资料二是通过合作途径，可以从同行科学家那里获取相关资料。三是必三是必须通过补充试验或支持研究，围绕某个方面获得全新的资料须通过补充试验或支持研究，围绕某个方面获得全新的资料。其中，文献资。其中，文献资料主要用于模型的构建；合作途径所获得的资料主要用于模型参数的确定及料主要用于模型的构建；合作途径所获得的资料主要用于模型参数的确定及系统的测试；补充试验或支持研究一部分用于模型的构建，另一部分用于模系统的测试；补充试验或支持研究一部分用于模型的构建，另一部分用于模型参数的确定及系统的测试。型参数的确定及系统的测试。n 在资料获取的基础上，即可进行数理统计分析，

50、构建算法方程。对于一些暂在资料获取的基础上，即可进行数理统计分析，构建算法方程。对于一些暂时无法获得的资料或难以量化的过程，必须采用黑箱模拟的方法，借助于逻时无法获得的资料或难以量化的过程，必须采用黑箱模拟的方法，借助于逻辑性的合理假设和数学推导，得出描述系统过程的理论方程。应当指出的是辑性的合理假设和数学推导，得出描述系统过程的理论方程。应当指出的是，黑箱模拟运用的程度，完全取决于对系统的正确理解和可靠把握。如果信，黑箱模拟运用的程度，完全取决于对系统的正确理解和可靠把握。如果信心不足，则尽量减少黑箱模拟。心不足，则尽量减少黑箱模拟。 五、农业模型的数学模型构建五、农业模型的数学模型构建20