农业模型课件

第五讲第五讲农业模型农业模型1ppt课件.第五讲 农业模型1ppt课件.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2ppt课件.主要内容数字农业与农业模型2ppt课件.主要内容主要内容n数字农业数字农业n模型与模型化模型与模型化n模型的类型模型的类型n数学模型数学模型n农业模型及其特点农业模型及其特点n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3ppt课件.主要内容数字农业3ppt课件.1.1.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世纪末，世纪末，国际上形成了国际上形成了“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世纪的农业将呈现出一个以数字化为特征的崭新局面。一个以数字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，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：数字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、）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）全面实现数字化字化，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，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（0 0，1 1）以及由二进制数字建成的数学模型或计算机模型来表达。）以及由二进制数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、（生产、科研、教育、行政、流通、服务等）服务等）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4ppt课件.1.数字农业定义 一、数字农业4ppt课件.2.2.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5ppt课件.2.农业过程的全面数字化与农业模型 以上分析可知，农3.3.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6ppt课件.3.农业模型是农业信息技术的基础6ppt课件.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7ppt课件.模型是模仿客观事物的一种物体。二、模型与模型化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只要求与客观事物的外观相似，不涉及事物的内在机理。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触，从而在头脑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。中形成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。理性能与内在机理。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。的内在结构与性能。如：机器结构图、工程设计图、电路图等。数学模型数学模型计算机模型计算机模型三、模型的类型三、模型的类型8ppt课件.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。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9ppt课件.四、数学模型9ppt课件.n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10ppt课件.建立一个数学模型一般需要以下步骤：10ppt课件.n数学模型的类型数学模型的类型1 1）按数学方法来分类）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11ppt课件.数学模型的类型11ppt课件.四、农业模型四、农业模型1.概念概念12ppt课件.四、农业模型1.概念12ppt课件.2.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法大致可以分为以下几种类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：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；的预测性和应用性；后者后者对内在机理有较好的阐释，强调模型的解释对内在机理有较好的阐释，强调模型的解释性和研究性。性和研究性。2 2、描述性、描述性(Descriptive)(Descriptive)模型和解释性模型和解释性(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，其建立相对比较简捷（图出来，其建立相对比较简捷（图1 1）；）；13ppt课件.2.农业模型的类型 13ppt课件.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 14ppt课件.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系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统行为的图示 解释性模型解释性模型 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 15ppt课件.图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系统3 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 前前者者主主要要倾倾向向于于应应用用推推广广，因因而而具具有有便便于于使使用用、较较粗粗放放和和应应用用方方向向比比较较单单一一的的特特点点；后后者者主主要要用用于于科科研研，对对其其机机理理性性要要求求较较高高，因因而而具有操作复杂、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。16ppt课件.3、统计(Statistical)模型和过程(Process 但但总总体体上上，所所有有农农业业模模型型从从更更微微观观的的层层次次看看都都可可认认为为是是经经验验性性模模型型，而而从从更更宏宏观观的的层层次次看看又又都都是是机机理理性性模模型型。因因此此，任任何何一一个个模模拟拟模模型型都都体体现现了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。17ppt课件.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q 农业模型的特征农业模型的特征 过程模型的特征过程模型的特征 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。18ppt课件.农业模型的特征18ppt课件.3 3、机理性、机理性 在在经经验验性性或或描描述述性性的的基基础础上上，通通过过进进行行深深入入的的支支持持研研究究，模模拟拟较较为为全全面面的的系系统统等等级级水水平平，并并将将其其进进行行有有机机结结合合，从从而而提提供供对对主主要要生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 通通过过正正确确建建立立模模型型的的主主要要驱驱动动变变量量及及其其与与状状态态变变量量的的动动态态关关系系，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。19ppt课件.3、机理性19ppt课件.7 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 除除了了应应用用性性以以外外，还还可可用用于于不不同同领领域域的的模模拟拟研研究究工工作作，从从而而避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。20ppt课件.7、灵活性20ppt课件.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。21ppt课件.与动态分析的比较 21ppt课件.图图1 1 作物植株叶面积、作物植株叶面积、生物量及生长速率随生物量及生长速率随时间过程的变化动态时间过程的变化动态 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-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 22ppt课件.图1 作物植株叶面积、生物量及生长速率随时间过程的变化动态 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。23ppt课件.与统计模型的比较 1、农业统计一般只对农业生产系统的q 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 农农业业模模拟拟模模型型最最重重要要的的意意义义是是对对整整个个农农业业生生产产系系统统的的知知识识进进行行综综合合，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。模模拟拟模模型型是是利利用用计计算算机机强强大大的的信信息息处处理理和和计计算算功功能能，对对不不同同的的生生物物与与非非生生物物过过程程进进行行系系统统分分析析和和合合成成，其其实实质质上上相相当当于于所所研研究究系系统统的的最最新新知知识识的积累和综合。的积累和综合。同同时时，模模拟拟研研究究在在理理解解生生物物与与非非生生物物过过程程及及其其变变量量间间关关系系的的基基础础上上，进进行行量量化化分分析析和和数数理理模模拟拟，从从而而促促进进了了对对生生物物与与非非生生物物规规律律由由定定性性描描述述向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。24ppt课件.农业模型的作用与功能 模拟模型的意义24ppt课件.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，是因为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：模拟模型具有其他研究手段不可替代的功能：理解、预测、调控理解、预测、调控。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规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、高产、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。高效、生态、安全的可持续发展。25ppt课件.模拟模型的功能25ppt课件.研究农业模型的理论体系、方法体系，及其与其它各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中种科学的关系，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。的研究进展的科学。五、农业模型学五、农业模型学26ppt课件.研究农业模型的理论体系、方法体系，及其与其第二部分第二部分 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 27ppt课件.农业生产模型的研究进展27ppt课件.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。物生产、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，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、河南农科院、山东农业大学等相继开展了这一方面农业大学、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。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28ppt课件.国际上：30年代开始；主要内容涉及人口增长、资源利用、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）这是农业系统模拟发这是农业系统模拟发展最快，成绩最显著的领域。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（已有固定的模型已有固定的模型）、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29ppt课件.农业生物的模拟（60年代中后期开始）这是农业系统模拟发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生产的量性研究。步加强对农业生产的量性研究。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（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为耕地为耕地面积；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为固定生产资料对产投比的贡献；贡献；T T为教育或科技投入的影响。为教育或科技投入的影响。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30ppt课件.农业技术的模拟 主要包括农作物种植日期、种植（饲养）密n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 31ppt课件.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。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：思想萌芽阶段（19401940年前）年前）。作物生长模拟模型的思想主要。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源于积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。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，运用统计学方法建立作物生产经验统计模型。用气象资料，运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 32ppt课件.作物模拟模型的研究进展 纵观作物生长模拟模型研究的发展过程，模拟模型的研究进展模拟模型的研究进展 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，ELCROSELCROS，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 33ppt课件.模拟模型的研究进展 第三：机理模型阶段（19611980）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，转向侧重于实际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。应用。最有代表性的如最有代表性的如CERESCERES(Crop-Environment Resource Synthesis)(Crop-Environment Resource Synthesis)系系列作物模型和列作物模型和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，作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 34ppt课件.模拟模型的研究进展 第四：应用模型阶段（19801990）模拟模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，为作物生长模型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。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区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，评域分布特征、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依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。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 35ppt课件.模拟模型的研究进展第五：综合模型阶段（1990年至今）（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36ppt课件.（1）荷兰学派强调生物的机理性和共性问题 农业生产模型（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37ppt课件.（1）美国的GOSSYM/COMAX系统 两个典型模型系 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 38ppt课件.COMAX/GOSSYM棉花生产管理系统的结构框架 38p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39ppt课件.气象资料、土壤环境、品种参数与技术措施水分与养分冠层辐射与吸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40ppt课件.主要内容农业模型目的性的确定40ppt课件.1.1.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、农区域、农区、农田生态、作物群落、群体、个体、器官、组织、细胞田生态、作物群落、群体、个体、器官、组织、细胞等不同层次或等级，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不同内容如图所示。在这些不同的系统层面上，可以构建出不同尺度和不同内容的计算机模拟模型。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41ppt课件.1.农业系统的等级性和水平 农业生产系统的等级性 一、农 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 42ppt课件.农业生产系统的等级性 区域“世界”农区 农田生态 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43ppt课件.建模目的包括如下：应用制定宏观农业决策应用于决定微观农业技术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44ppt课件.主要的农业模型技术路线有以下几种：二、农业模型技术路线的v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，包括气象条件等系统输入以及蒸发蒸腾及生物量等系统的输部因素，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；系统界面是系统的内在成分与系统环境之间的抽象的分界线。出；系统界面是系统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45ppt课件.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46ppt课件.系统的主要成分、系统的界面和系统的环境作物土壤输出输入温度、2.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47ppt课件.2.模型结构 输入u模块 输出u1.基本模型单元图用户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 for 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等编程语言，界面设计采用较多的是等编程语言，界面设计采用较多的是Visual BasicVisual Basic（VBVB）、）、DelphiDelphi、ASPASP、Visual C#.netVisual C#.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/Access Foxpro/Access 等进行设计。等进行设计。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48ppt课件.硬件环境 四、农业模型的计算机语言选择48ppt课件.n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一是自己已有的工作积累或文献资料料，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，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、科技期刊及学术会议上发表的论文等，以及各地的版的专著与教材、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、气象资料等。土壤志、品种志、气象资料等。二是通过合作途径，可以从同行科学二是通过合作途径，可以从同行科学家那里获取相关资料家那里获取相关资料。三是必须通过补充试验或支持研究，围绕某个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方面获得全新的资料。其中，文献资料主要用于模型的构建；合作途。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系统的测试；补充试验或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，另一部分用于模型参数的确定及系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。统的测试。n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，借助于逻辑性的合理假设和数学推导，得出描述系统过程的理论法，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，黑箱模拟运用的程度，完全取决于对系统的正方程。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。如果信心不足，则尽量减少黑箱模拟。确理解和可靠把握。如果信心不足，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49ppt课件.资料获取与算法构建 五、农业模型的数学模型构建49ppt课q 模块设计与模型实现模块设计与模型实现 首先要选择恰当的编程语言来组织系统，包括模拟算法编程首先要选择恰当的编程语言来组织系统，包括模拟算法编程语言和界面编程语言。目前应用比较广泛的模拟算法编程语言主语言和界面编程语言。目前应用比较广泛的模拟算法编程语言主要有要有Visual FortranVisual Fortran和和Visual C+Visual C+。模块设计与编程须注意几个问题。模块设计与编程须注意几个问题。（1 1）将主程序和亚程序设）将主程序和亚程序设置成合理的模块化结构，（置成合理的模块化结构，（2 2）突出模块的可读性与解释性，以及）突出模块的可读性与解释性，以及可改性与灵活性，（可改性与灵活性，（3 3）表现友好的人机界面和可操作性，（）表现友好的人机界面和可操作性，（4 4）将模型的运行时间降低到最少。将模型的运行时间降低到最少。此外，模型的实现还须研究模型的输入输出内容和形式。模此外，模型的实现还须研究模型的输入输出内容和形式。模型的输入资料要求容易、可获取，特别是天气、土壤、作物遗传型的输入资料要求容易、可获取，特别是天气、土壤、作物遗传资料等。对于输入误差大的资料，要尽量少用。模型的输出结果资料等。对于输入误差大的资料，要尽量少用。模型的输出结果要求直观、综合、易分析比较。一般采用表格和图形两种主要形要求直观、综合、易分析比较。一般采用表格和图形两种主要形式。随着计算机技术的快速发展，作物模型的图象输出、可视化式。随着计算机技术的快速发展，作物模型的图象输出、可视化虚拟生长、多媒体技术等会得到成功的应用。虚拟生长、多媒体技术等会得到成功的应用。50ppt课件.模块设计与模型实现 首先要选择恰当的编程语言来组织系n n地理信息数据地理信息数据地理信息数据地理信息数据n n土壤资料数据土壤资料数据土壤资料数据土壤资料数据n n气象资料数据气象资料数据气象资料数据气象资料数据n n品种资料数据品种资料数据品种资料数据品种资料数据n n病虫情数据病虫情数据病虫情数据病虫情数据n n图形、图象信息数据图形、图象信息数据图形、图象信息数据图形、图象信息数据六、农业模型的数据库六、农业模型的数据库51ppt课件.地理信息数据 六、农业模型的数据库51ppt课件.地理信息数据地理信息数据地理信息数据地理信息数据 主要指用户的基本地理信息，包括行政区域、纬度主要指用户的基本地理信息，包括行政区域、纬度主要指用户的基本地理信息，包括行政区域、纬度主要指用户的基本地理信息，包括行政区域、纬度（度（度（度（度-分）、经度（度分）、经度（度分）、经度（度分）、经度（度-分）、海拔（分）、海拔（分）、海拔（分）、海拔（mm）、地形地貌等）、地形地貌等）、地形地貌等）、地形地貌等有关地理空间信息。有关地理空间信息。有关地理空间信息。有关地理空间信息。52ppt课件.地理信息数据 52ppt课件.土壤资料数据土壤资料数据土壤资料数据土壤资料数据主要包括土壤类型，土层深度（主要包括土壤类型，土层深度（主要包括土壤类型，土层深度（主要包括土壤类型，土层深度（CMCM）、土壤质地名称、土壤容重、总）、土壤质地名称、土壤容重、总）、土壤质地名称、土壤容重、总）、土壤质地名称、土壤容重、总孔隙度、酸碱度、土壤含水量、田间持水量、土壤萎蔫含水量以及地形孔隙度、酸碱度、土壤含水量、田间持水量、土壤萎蔫含水量以及地形孔隙度、酸碱度、土壤含水量、田间持水量、土壤萎蔫含水量以及地形孔隙度、酸碱度、土壤含水量、田间持水量、土壤萎蔫含水量以及地形地势；土壤养分含量：有机质（地势；土壤养分含量：有机质（地势；土壤养分含量：有机质（地势；土壤养分含量：有机质（%）、全氮（）、全氮（）、全氮（）、全氮（%）、C/NC/N（%）、全磷、全磷、全磷、全磷（%）、全钾（、全钾（、全钾（、全钾（%）、速效氮（、速效氮（、速效氮（、速效氮（mg/kgmg/kg）、速效磷（）、速效磷（）、速效磷（）、速效磷（mg/kgmg/kg）、速效钾、速效钾、速效钾、速效钾（mg/kgmg/kg）及其它主要营养元素的含量。）及其它主要营养元素的含量。）及其它主要营养元素的含量。）及其它主要营养元素的含量。53ppt课件.土壤资料数据53ppt课件.气象资料数据气象资料数据包括日照时数（小时），日平均湿度和日最高、包括日照时数（小时），日平均湿度和日最高、最低温度（最低温度（），空气相对湿度（），风速），空气相对湿度（），风速（米秒），日降水量（毫米），实际水汽压，（米秒），日降水量（毫米），实际水汽压，年均温度（年均温度（），年降水量（），年降水量（mmmm），无霜期），无霜期（天），（天），1010积温，干燥度等。积温，干燥度等。54ppt课件.气象资料数据54ppt课件.品种资料品种资料品种资料品种资料 主要包括品种来源，植物学特征：株高（主要包括品种来源，植物学特征：株高（主要包括品种来源，植物学特征：株高（主要包括品种来源，植物学特征：株高（cmcmcmcm）、叶片数、）、叶片数、）、叶片数、）、叶片数、株型、百（千）粒重（株型、百（千）粒重（株型、百（千）粒重（株型、百（千）粒重（g g g g）；品质特性：蛋白质含量（）、）；品质特性：蛋白质含量（）、）；品质特性：蛋白质含量（）、）；品质特性：蛋白质含量（）、脂肪含量（）等；生物学特征：生育期天数（从出苗到成脂肪含量（）等；生物学特征：生育期天数（从出苗到成脂肪含量（）等；生物学特征：生育期天数（从出苗到成脂肪含量（）等；生物学特征：生育期天数（从出苗到成熟的天数）；生育特性：叶面积系数（熟的天数）；生育特性：叶面积系数（熟的天数）；生育特性：叶面积系数（熟的天数）；生育特性：叶面积系数（LAILAILAILAI）、光合势）、光合势）、光合势）、光合势（LADLADLADLAD）（）（）（）（m2m2m2m2d/hm2d/hm2d/hm2d/hm2）；抗逆性：抗病性、抗倒伏性、抗）；抗逆性：抗病性、抗倒伏性、抗）；抗逆性：抗病性、抗倒伏性、抗）；抗逆性：抗病性、抗倒伏性、抗寒性、抗旱性等；栽培要点：如播期、种植密度、施肥量等，寒性、抗旱性等；栽培要点：如播期、种植密度、施肥量等，寒性、抗旱性等；栽培要点：如播期、种植密度、施肥量等，寒性、抗旱性等；栽培要点：如播期、种植密度、施肥量等，生态适应性以及产量水平（生态适应性以及产量水平（生态适应性以及产量水平（生态适应性以及产量水平（kg/hm2kg/hm2kg/hm2kg/hm2）和产量结构等。）和产量结构等。）和产量结构等。）和产量结构等。55ppt课件.品种资料 55ppt课件.管理措施管理措施管理措施管理措施 包包包包括括括括小小小小麦麦麦麦生生生生产产产产中中中中管管管管理理理理措措措措施施施施的的的的种种种种类类类类、时时时时间间间间、强强强强度度度度等等等等资资资资料料料料，如如如如；播播播播种种种种期期期期、播播播播种种种种量量量量、施施施施肥肥肥肥时时时时间间间间与与与与施施施施肥肥肥肥量量量量、灌灌灌灌溉溉溉溉日日日日期期期期与与与与灌灌灌灌溉溉溉溉量量量量、成成成成熟熟熟熟及及及及收获期管理等。收获期管理等。收获期管理等。收获期管理等。农业生产条件农业生产条件农业生产条件农业生产条件 农业生产基本条件如农用动力、化肥投入、灌排条件、劳力、农业生产基本条件如农用动力、化肥投入、灌排条件、劳力、农业生产基本条件如农用动力、化肥投入、灌排条件、劳力、农业生产基本条件如农用动力、化肥投入、灌排条件、劳力、播种面积、种植方式、单产水平、农药和农膜使用量及费用、植播种面积、种植方式、单产水平、农药和农膜使用量及费用、植播种面积、种植方式、单产水平、农药和农膜使用量及费用、植播种面积、种植方式、单产水平、农药和农膜使用量及费用、植保器械等。保器械等。保器械等。保器械等。56ppt课件.管理措施 56ppt课件.图形、图象图形、图象图形、图象图形、图象 有有有有时时时时为为为为了了了了系系系系统统统统运运运运行行行行方方方方便便便便，常常常常将将将将一一一一些些些些图图图图形形形形、图图图图像像像像数数数数据据据据，如如如如行行行行政政政政区区区区域域域域图图图图、养养养养分分分分含含含含量量量量分分分分布布布布、病病病病虫虫虫虫草草草草害害害害的的的的图图图图片片片片等等等等单单单单独独独独存存存存放放放放，供供供供系系系系统统统统运运运运行行行行时随时调用。时随时调用。时随时调用。时随时调用。试验数据库试验数据库试验数据库试验数据库 由于小麦生长环境复杂，一些高产技术措施、原理还需通过试由于小麦生长环境复杂，一些高产技术措施、原理还需通过试由于小麦生长环境复杂，一些高产技术措施、原理还需通过试由于小麦生长环境复杂，一些高产技术措施、原理还需通过试验不断探索、改进、大量的试验数据是对专家知识的补充完善，验不断探索、改进、大量的试验数据是对专家知识的补充完善，验不断探索、改进、大量的试验数据是对专家知识的补充完善，验不断探索、改进、大量的试验数据是对专家知识的补充完善，包括田间试验数据和人工模拟试验数据。包括田间试验数据和人工模拟试验数据。包括田间试验数据和人工模拟试验数据。包括田间试验数据和人工模拟试验数据。57ppt课件.图形、图象 57ppt课件.q 数据库的建立数据库的建立 根据具体农业模型应用范围和特点，依据上述数据库框架格式，收集、根据具体农业模型应用范围和特点，依据上述数据库框架格式，收集、整理数据资料，在此基础上建立该系统的数据库。主要步骤包括：整理数据资料，在此基础上建立该系统的数据库。主要步骤包括：l 制定数据收集的方案；设计数据库和数据表；制定数据收集的方案；设计数据库和数据表；l 选择适当的数据库系统，选择适当的数据库系统，SQL Sever,Access,FoxproSQL Sever,Access,Foxpro；l 通过实验、调查、文献查阅和购买等多种方式收集有关数据；通过实验、调查、文献查阅和购买等多种方式收集有关数据；l 进行数据筛选和分类，并输入数据库；进行数据筛选和分类，并输入数据库；l 对入库的数据进行仔细检验和校对，确保数据源的准确、无误；对入库的数据进行仔细检验和校对，确保数据源的准确、无误；l 对数据进行标准化处理，如数据库结构规范化、数据单位一律使用公制对数据进行标准化处理，如数据库结构规范化、数据单位一律使用公制等；等；l 对数据进行归