农业信息技术导论2农业模拟模型课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,云南省高校农业信息技术重点实验室,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,云南省高校农业信息技术重点实验室,*,农业信息技术导论,liwf83,云南省高校农业信息技术重点实验室,农业信息技术导论,1,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,2,第二章 农业模拟模型技术,第一节：农业模拟模型概述,第二节：农业模拟模型原理,第三节：农业模拟模型的研发与应用,第四节：农业模拟模型的案例及发展,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室2第二章,2,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,3,第一节 农业模拟模型概述,农业模拟模型的概念,切入：,模 拟,用一种特定的形式模仿某一个客观存在的事物,系统模拟,对一个复杂的系统进行全过程的动态模拟,，系统模型是对系统成分及其相互关系的一种简化的数学表达。复杂的内部结构和关系。,模 型,模拟的体现形式,模拟优势,研究对象复杂、大范围、长时间、交互、动态,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室3第一节,3,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,4,第一节 农业模拟模型概述,农业模拟模型的概念,定义：,模拟模型,利用计算机技术和数学方法,模型求解,了解系统结构和原理,变量（状态变量、速率变量、驱动变量、辅助变量）+参数+常量,作物模拟,对象,原理,科学,内容,方法,实现,现实世界的抽象化,抽象世界的模型化,程,序,化,研究解析和调试,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室4第一节,4,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,5,第一节 农业模拟模型概述,农业模拟模型的类型,国内外知名农业模拟模型,CERES、MAIZE、RICE、COTGRO,农业模型的分类,统计（经验）模型,机理模型,描述性模型,解释性模型,预测模型,过程模型,专用模型,通用模型,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室5第一节,5,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,6,第一节 农业模拟模型概述,农业模拟模型的作用,在农业科研中的作用,表现农业系统中涉及的众多因子（系统性）,反映农业系统的时态变化和空间变化（动态性）,超越时间和地点的限制（机理性）,平行学科间的交叉融合,农业模拟模型在农业生产中的应用,预测,决策（适宜环境的标准，确定限制因子，区划，处方）,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室6第一节,6,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,7,第一节 农业模拟模型概述,农业模拟模型存在的问题,系统机理的熟悉、多学科研究背景,受数据和试验条件限制，模型可靠性和精确性不能保证,环境的复杂性,模型的检验和验证往往不足,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室7第一节,7,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,8,第二节 农业模拟模型原理,农业生产系统与生产水平,区域,“,世界,”,农区,农田生态,植株个体,植株组成成分,(,根、茎、叶等,),微观组成成分,（气孔、细胞、生化通道等）,管,理,研,究,（一）,农业生产系统的等级性,根据系统分析原理，分为：,区域、农区、农田生态、作物群落、群体、个体、器官、组织、细胞,等不同层次或等级。,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。,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室8第二节,8,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,9,（二）农业生产系统的水平和过程,特定层面的农业生产系统：,不同环境下影响生物与非生物过程的限制因素不尽相同，模拟研究的生态范围和系统覆盖面也有所不同。,以作物生产系统为例,：根据生态限制因子对作物生理过程和生产系统的影响进行分类，按照产量递减的顺序，可以把作物生产系统分为五个水平：,光温潜力、水分限制、氮素调控 、磷钾等养分的调控、病虫草害等生物灾害的影响,第二节 农业模拟模型原理,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室9（二）农,9,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,10,作物生产的等级水平,1.潜在生产,(potential production),只受光、温条件影响的作物生产,2.水分限制生产,(water limited production),只受光、温和水分条件影响的作物生产,3.养分限制生产,(nutrient limited production),只受光、温、(水分和)养分条件影响的作物生产,4.实际生产,(actual production),受光、温、水分、养分条件及其它减产因子（weeds, diseases, pests, pollution）影响的作物生产,其中2&3为attainable production,.,第二节 农业模拟模型原理,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室10作物生,10,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,11,CO,2,太阳辐射,温度,作物特性,潜在产量,可获得产量,实际产量,水分,营养,（氮、磷、钾）,杂草,病害,虫害,污染,限制因子,减产因子,决定因子,保护措施,生产水平,不同生产水平下与生长确定因子、限制因子、降低因子的关系图,第二节 农业模拟模型原理,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室11 CO,11,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,12,第一生产水平-光温潜力,辐射强度、光能截取和利用效率是研究生长速率的关键因子,光温：,驱动变量,光合效率：,常数,矩 形：,状态变量,阀符号：,速率变量,圆 形：,辅助变量,下划线：,驱动变量和外界变量,实 线：,表示物质流,虚 线：,表示信息流,第二节 农业模拟模型原理,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室12第一生,12,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,13,第二生产水平的系统关系图,第二节 农业模拟模型原理,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室13 第二,13,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,14,第三生产水平的系统关系图,第二节 农业模拟模型原理,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室14 第三,14,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,15,第四生产水平的系统关系图,第二节 农业模拟模型原理,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室15 第四,15,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,16,第二节 农业模拟模型原理,农业模拟模型构建思想与原理,构建思想,概念模型,系统分析和数学表达,综合分析和程序化,构建原理,三个假设,数学表达式：,E=f(x,i, y,i,),一个农业模型包含：,组成要素、参量、变量、函数关系、约束条件、目标函数。,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室16第二节,16,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,17,第二节 农业模拟模型原理,农业模拟模型构建思想与原理,与其他学科间的关系,农业科学与理论是基础,生物学、农学等研究成果是内涵和主线,数学和计算机科学提供方法和工具,建立模型的基本方法,实验方法,统计方法,解析方法,模糊数学方法,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室17第二节,17,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,18,第二节 农业模拟模型原理,农业模拟模型的结构成分与过程,作物系统的界定,系统界面,源库关系,参数和状态变量,作物模型的结构成分,根据研发过程分解为若干过程，通常系统可以划分为六个相互关联的亚系统,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室18第二节,18,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,19,模拟模型的结构成分,第一亚系统：,为作物的阶段发育与物候期,。主要是有关以温光反应为基础的茎顶端发育阶段以及以外部形态特征变化为标志的生育时期，如小麦的小穗分化期、小花分化期等，以及分蘖期、拔节期、抽穗期等。,第二亚系统：,为作物植株的形态发生与器官建成过程,。包括根系、叶片、茎杆、小穗、小花、籽粒等器官发生与形成的规律、数量与质量等。,第三亚系统：,为植株的光能利用与同化物生产,。包括叶片和冠层的光合作用、呼吸作用、碳水化合物积累及生物量的计算等。,第二节 农业模拟模型原理,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室19模拟模,19,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,20,模拟模型的结构成分,第四亚系统：,为不同器官间的物质分配与利用,。包括同化物分配系数或分配指数和分配量的实时变化、器官的生长和大小、产量和品质的决定等。,第一四亚系统：,作物生长模型的基础成分，研究的重点,。其中温光条件为贯穿于各亚系统的主导因子，直接作用于不同的生理过程，作物基因型差异则是系统运行的内在动力。,第二节 农业模拟模型原理,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室20模拟模,20,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,21,模拟模型的结构成分,第五亚系统：,为土壤植物大气水分关系,。包括土壤水分的移动、吸收、蒸发蒸腾、植物组织的水分平衡等。,第六亚系统：,为土壤养分(氮素)动态与植株利用,。包括主要养分元素在土壤中的转化、根系吸收、体内分配和利用等。,第五六亚系统：,受气候和土壤环境因子影响较大，且通过土壤与根系过程间接地作用于作物的生育过程，同时在很大程度上受到技术措施的调控，,故需作为并行的亚系统单独进行模拟,。,第二节 农业模拟模型原理,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室21模拟模,21,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,22,模拟模型的构成与过程,构成,第一部分：气候、土壤、作物数据、栽培管理措施输入模块,第二部分：主要生理生态过程的模拟模块,第三部分：模拟结果的数据或图形输出及分析模块,模拟模块,光截获和光合作用、营养吸收和根系生长、干物质分配、水分吸收与蒸腾、生长和呼吸、叶面积增长、作物发育和器官形成、衰老模型、田间管理模型。,第二节 农业模拟模型原理,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室22模拟模,22,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,23,模拟模型的构成与过程,过程,驱动因子驱动模型运行,作物自播种开始至成熟的生理生态过程,得到产量、品质、物候、效益等输出,模型的输入,输入资料最少、容易获取、简化模拟过程，包括气象、土壤、作物品种、管理四类,模型的输出,表格、图形、图像、声音、多媒体产品,。,第二节 农业模拟模型原理,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室23模拟模,23,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,24,农业模拟模型研究的尺度,模拟尺度具有三维的特性：时间性、空间性、复杂性。,1、模拟的时空尺度决定了适宜模型的选择及模拟方法的采用,大尺度模型：,注重宏观的经验性和描述性；,小尺度模型：,注重微观的机理性和解释性。,2、作物生长模拟研究时间步长取决于作物生长状态变化的速率,生长相对快的时期：,步长宜短一些；,生长相对慢的时期：,步长可选大一些。,作物生长模拟模型步长通常为1天：,环境资料多为逐日资料、温度等环境的1天内变化在作物耐受范围内、土壤养分、水分等1天更准确。,第三节 农业模拟模型的研发与应用,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室24农业模,24,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,25,第三节 农业模拟模型的研发与应用,建模的方法和步骤,系统分析,数学模型,计算机模拟,数据分析,生物学机理,确立数学表达式,计算机程序编制,程序调制、修改,检验和验证,模型检验,模型灵敏度分析,模型验证,确定目标、定义系统,调查研究、定性分析,系统模式框图,系统结构动态图,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室25第三节,25,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,26,第三节 农业模拟模型的研发与应用,建立模型的方法,线性选配技术,根据模拟对象的动态变化曲线或响应曲线，选配适宜的函数,Logistic（生长）、理查德函数、指数函数,分段函数、函数微分方程,复杂模型,各子模型的建立和模型装配,子模型相互独立，相互制约和影响,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室26第三节,26,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,27,系数化技术与模型参数确定,农业生产过程由多个环境因子所控制，定量这些因子的互作主要是通过单个因子的系数互作而非复合因子的多元回归。,1、析因法与系数化,系数化将效应因子的特征值一般设定在01之间,第三节 农业模拟模型的研发与应用,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室27系数化,27,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,28,系数化技术与模型参数确定,2、系数互作的计算方法,最小法和乘积法,最小法：,依据最小因子法则，认为系统的表现主要受最小系数的限制。,乘积法：,依据不同因子的相互作用原则，认为系统的表现同时受多因子的影响，而并非与最小因子的水平呈线性关系。,一般情况下：,当系统的因子水平较低时或表现限制因子作用时：,最小法可能更合适。,当因子水平较高时或表现报酬递减作用时：,乘积法在理论和实践上都更合适。,第三节 农业模拟模型的研发与应用,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室28系数化,28,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,29,3、遗传参数,遗传参数概念,指描述非逆境下种或品种基本遗传性状的一组特征值。一个品种的遗传系数一般以1015个左右为最适，最多不超过20个。,遗传参数的要求,既要符合作物(动物)生理学的认识和规律，又要为作物(动物)育种学家所理解和接受，主要是量化品种间最基本的遗传性状差异。,例如：,在小麦发育模型中，一般包括生理春化时间、光周期敏感性因子、灌浆持续期因子、基本早熟性因子4个品种遗传参数，分别体现了不同品种小麦在春化作用、光周期反应及灌浆期长短、热效应方面的遗传特性。,遗传参数一般依据试验数据通过试错法、最小二乘法等决定。,第三节 农业模拟模型的研发与应用,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室293、遗,29,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,30,第三节 农业模拟模型的研发与应用,系数化技术与模型参数确定,模型参数确定方法,求解法和试错法,求解法,依据试验数据，建立拟合方程，对拟合方程进行转换，确定初值,利用多组试验数据，验证模型参数设置的准确性（最小二乘法）,试错法,根据模拟过程的合理变化趋势，确定模型参数初值,确定模型参数的增量和减量，观察不同参数设置下模型误差的变化趋势，直到趋势一致，误差逐渐减小，并取得最小误差为止,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室30第三节,30,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,31,模型验证与检验,模型的检验,包括对模型的敏感性分析、校正、核实、测验等四个主要过程,（1）敏感性分析,是对模型灵敏度和动态性的测验，分析模型对主要参数和变量反应的灵敏度，测验模型的结构与过程以及系统的成分。它可以看成是某种形式的假设模拟试验。结果通常以值来表示模型的反应程度。,第三节 农业模拟模型的研发与应用,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室31模型验,31,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,32,模型验证与检验,如下表所示小麦阶段发育的敏感性分析。,发,育,阶,段,二棱期,顶小穗形成期,抽穗期,参数,变幅,*,（天数）,温度（,o,C,）,-,2,+25,+10,+10,+2,-,14,-,15,-,11,日长（,h,）,-,2,+10,+6,+4,+2,-,7,-,5,-,4,春化要求,-,10,-,9,-,3,-,2,+10,+8,+3,+1,光周期敏感性,-,0.002,-,9,-,5,-,4,+0.002,+9,+5,+3,*,以小麦在南京种植为模拟对照，春化要求天数为,20,天，光周期敏感性为,0.004,。,第三节 农业模拟模型的研发与应用,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室32模型验,32,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,33,（2）校正,是调整模型的参数和关系，使模型符合模拟者特定的环境和资料参数，主要检验模型系统的综合表现及对综合变量的反应。,（3）核实,核实是指模型是否适用于模型研制以外的完全独立的资料，是多年、多点、多试验观测值与模拟值的比较。,采用如下方法：,一是：,将模拟结果与实际结果进行回归分析,，但模拟值与观测值的显著相关不足以证明模型的可靠性和预测性，因为当模型的模拟结果与观测值都显著相关时，二者之间的差异有可能变化很大。,二是：,将实际结果与模拟结果按同一时间坐标绘1:1图进行比较,（见下图）。,第三节 农业模拟模型的研发与应用,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室33（2）,33,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,34,三是：,检验模拟与实际值的平均误差,。其中模拟值与实际值的平均误差可以通过以下一些统计方法计算得到：,9,0,1,1,0,1,3,0,1,5,0,1,7,0,1,9,0,9,0,1,1,0,1,3,0,1,5,0,1,7,0,1,9,0,观测值,模拟值,第三节 农业模拟模型的研发与应用,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室34三,34,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,35,1）平均离差,（Mean Deviation，MD）,MD（ERRi）/n ERRiYiXi,其中，n为为样本数；Yi和Xi为第i次的模拟值和实测值。,2）平均预测误差,（Mean Prediction Error，MPE）,MPE=(|DERi|)/n ERRiYiXi,3）预测均方法,（Mean Square Error of Prediction，MSEP）,。,MSEP=（ERRi）/n,ERRiYiXi,4）均方差根,（Root Mean Square Error，RMSE）,第三节 农业模拟模型的研发与应用,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室351）平,35,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,36,5）拟合指数,（Agreeement Index，AI）,1减去预测值与实际值之差的绝对值除以实际值，反映模拟符合程度，AIl时误差最小。 AIl|YiXi|/Xi,6）偏斜度,（Bias）,模拟值与实际值无截距回归方程斜率与1的偏差，表示通过原点的拟合直线与1：1线的偏斜程度（）。 BIAS100（b0-1）,式中b0为模拟值与实际值之间的0截距直线回归方程（截距0）的斜率。,7）直接比较单个模拟值的绝对误差和相对误差,绝对误差：ERRiYiXi,相对误差：REERRi/Xi,第三节 农业模拟模型的研发与应用,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室365）拟,36,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,37,（4）测验,测验是比较各种环境下的模拟值与预测值，可看作是一个持续的模型核实过程。如果在测验过程中发现明显的偏差，可能还得重复上述模型校正和核实的整个过程，并对模型算法进行必要的修订和改进。,2、模型的改进,模型的改进则是在检验模型的过程中，对模型进行必要的改进与完善。,第三节 农业模拟模型的研发与应用,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室37（4）,37,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,38,典型作物模拟模型介绍,APSIM,澳大利亚,多作物,模块通用性（环境、光合、土壤水分、养分）,COTSYS,中国,棉花,智能决策与模拟模型结合在（播种、最佳叶面积、施肥决策）,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室38典型作,38,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,39,第四节 农业模拟模型的应用,教学,辅助进行农学、生物学、生态学的教学，说明生理生态过程和生态学关系，是生物学、生态学进行直观教学和科普的工具。,研究,避免实际生产中干扰因素多、周期长、费用高问题,定量分析农学、生物学、生态学内部规律,管理,构建决策支持系统，判断生产活动的预期结果，指导生产调控,评估,评估环境变化、政策措施、农艺措施等对农业生产活动的影响。,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室39第四节,39,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,40,第四节 农业模拟模型的应用,与其他技术耦合,与专家系统或知识模型耦合,模拟模型难以表达很多经验型和知识性的理论和技术,专家系统能够模拟专家知识和思维过程,知识模型研究专家系统的知识表达体系,与,RS,技术结合,模拟模型中参数采集在系统性、准确性、动态性上存在不足,RS,能够实时监测农业生产活动和情况,RS,丰富模型的数据驱动；实时校正模型偏差,与,GIS,技术结合,GIS,为模拟模型提供空间数据支持,GIS,为模拟模型提供输出变量的空间表达。,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室40第四节,40,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,41,第四节 农业模拟模型的应用,与其他技术耦合,与,GPS,技术结合,与可视化技术及虚拟现实技术结合,与组件技术、网络技术结合,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室41第四节,41,2024/9/3,云南省高校农业信息技术重点实验室,42,农业信息技术报告选题,选题,作物模拟模型研究进展（水稻、玉米）,农业生产管理决策系统研究进展（水稻、玉米）,GIS技术和WebGIS技术在农业中的应用,农业计算机控制系统研究进展,遥感与农业环境监测技术研究进展,农田土壤信息采集技术研究进展,要求,参考文献中2007年以后且为一级学报文献不少于10篇。,幻灯汇报时间为10分钟，不超过15分钟。,回答问题5分钟。,2023/9/10云南省高校农业信息技术重点实验室42农业信,42,