農(nóng)業(yè)信息技術(shù)導(dǎo)論2農(nóng)業(yè)模擬模型

1、農(nóng)業(yè)信息技術(shù)導(dǎo)論李文峰李文峰云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2第二章 農(nóng)業(yè)模擬模型技術(shù)p第一節(jié)：農(nóng)業(yè)模擬模型概述第一節(jié)：農(nóng)業(yè)模擬模型概述p第二節(jié)：農(nóng)業(yè)模擬模型原理第二節(jié)：農(nóng)業(yè)模擬模型原理p第三節(jié)：農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用第三節(jié)：農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用p第四節(jié)：農(nóng)業(yè)模擬模型的案例及發(fā)展第四節(jié)：農(nóng)業(yè)模擬模型的案例及發(fā)展2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3第一節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型概述農(nóng)業(yè)模擬模型的概念農(nóng)業(yè)模擬模型的概念p切入：切入：n模模 擬擬 用一種特定的形式模仿某一個(gè)客觀存在的事物用一種特定的形式模仿某一

2、個(gè)客觀存在的事物n系統(tǒng)模擬系統(tǒng)模擬 對(duì)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行全過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬對(duì)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行全過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬，系，系統(tǒng)模型是對(duì)系統(tǒng)成分及其相互關(guān)系的一種簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)表統(tǒng)模型是對(duì)系統(tǒng)成分及其相互關(guān)系的一種簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)表達(dá)。復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和關(guān)系。達(dá)。復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和關(guān)系。n模模 型型 模擬的體現(xiàn)形式模擬的體現(xiàn)形式n模擬優(yōu)勢(shì)模擬優(yōu)勢(shì) 研究對(duì)象復(fù)雜、大范圍、長(zhǎng)時(shí)間、交互、動(dòng)態(tài)研究對(duì)象復(fù)雜、大范圍、長(zhǎng)時(shí)間、交互、動(dòng)態(tài)2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室4第一節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型概述農(nóng)業(yè)模擬模型的概念農(nóng)業(yè)模擬模型的概念p定義：定義：n模擬模型模擬模型p利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)方法利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)方法模

3、型求解模型求解了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理原理p變量（狀態(tài)變量、速率變量、驅(qū)動(dòng)變量、輔助變量）變量（狀態(tài)變量、速率變量、驅(qū)動(dòng)變量、輔助變量）+參數(shù)參數(shù)+常量常量n作物模擬作物模擬 對(duì)象對(duì)象原理原理科學(xué)科學(xué)內(nèi)容內(nèi)容方法方法實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界的抽象化現(xiàn)實(shí)世界的抽象化抽象世界的模型化抽象世界的模型化程程序序化化研究解析和調(diào)試研究解析和調(diào)試2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室5第一節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型概述農(nóng)業(yè)模擬模型的類型農(nóng)業(yè)模擬模型的類型p國(guó)內(nèi)外知名農(nóng)業(yè)模擬模型國(guó)內(nèi)外知名農(nóng)業(yè)模擬模型nCERES、MAIZE、RICE、COTGROp農(nóng)業(yè)模型的分類農(nóng)業(yè)模型的分類n統(tǒng)計(jì)（經(jīng)驗(yàn)）模型統(tǒng)計(jì)（經(jīng)驗(yàn)）

4、模型機(jī)理模型機(jī)理模型n描述性模型描述性模型解釋性模型解釋性模型n預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)模型過(guò)程模型過(guò)程模型n專用模型專用模型通用模型通用模型2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室6第一節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型概述農(nóng)業(yè)模擬模型的作用農(nóng)業(yè)模擬模型的作用p在農(nóng)業(yè)科研中的作用在農(nóng)業(yè)科研中的作用n表現(xiàn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中涉及的眾多因子（系統(tǒng)性）表現(xiàn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中涉及的眾多因子（系統(tǒng)性）n反映農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的時(shí)態(tài)變化和空間變化（動(dòng)態(tài)性）反映農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的時(shí)態(tài)變化和空間變化（動(dòng)態(tài)性）n超越時(shí)間和地點(diǎn)的限制（機(jī)理性）超越時(shí)間和地點(diǎn)的限制（機(jī)理性）n平行學(xué)科間的交叉融合平行學(xué)科間的交叉融合p農(nóng)業(yè)模擬模型在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用農(nóng)業(yè)模擬模型在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

5、中的應(yīng)用n預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)n決策（適宜環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，確定限制因子，區(qū)劃，處方）決策（適宜環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，確定限制因子，區(qū)劃，處方）2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室7第一節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型概述農(nóng)業(yè)模擬模型存在的問(wèn)題農(nóng)業(yè)模擬模型存在的問(wèn)題n系統(tǒng)機(jī)理的熟悉、多學(xué)科研究背景系統(tǒng)機(jī)理的熟悉、多學(xué)科研究背景n受數(shù)據(jù)和試驗(yàn)條件限制，模型可靠性和精確性不能保證受數(shù)據(jù)和試驗(yàn)條件限制，模型可靠性和精確性不能保證n環(huán)境的復(fù)雜性環(huán)境的復(fù)雜性n模型的檢驗(yàn)和驗(yàn)證往往不足模型的檢驗(yàn)和驗(yàn)證往往不足2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室8第二節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型原理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)與生產(chǎn)水平農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)與生產(chǎn)水平 區(qū)域區(qū)域

6、“世界世界” 農(nóng)區(qū)農(nóng)區(qū) 農(nóng)田生態(tài)農(nóng)田生態(tài) 植株個(gè)體植株個(gè)體 植株組成成分植株組成成分 ( ( 根、莖、葉等根、莖、葉等) ) 微觀組成成分微觀組成成分 （氣孔、細(xì)胞、生化通道等）（氣孔、細(xì)胞、生化通道等） 管管 理理 研研 究究 （一）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的等級(jí)性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的等級(jí)性根據(jù)系統(tǒng)分析原理，分為：根據(jù)系統(tǒng)分析原理，分為：區(qū)域、農(nóng)區(qū)、區(qū)域、農(nóng)區(qū)、農(nóng)田生態(tài)、作物群落、群體、個(gè)體、器官農(nóng)田生態(tài)、作物群落、群體、個(gè)體、器官、組織、細(xì)胞、組織、細(xì)胞等不同層次或等級(jí)。等不同層次或等級(jí)。在這些不同的系統(tǒng)層面上，可以構(gòu)建出不在這些不同的系統(tǒng)層面上，可以構(gòu)建出不同尺度和不同內(nèi)容的計(jì)算機(jī)模擬模型。同尺度和不同內(nèi)

7、容的計(jì)算機(jī)模擬模型。2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室9（二）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的水平和過(guò)程（二）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的水平和過(guò)程 特定層面的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)：特定層面的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)：不同環(huán)境下影響生物與非生物過(guò)程的限制因不同環(huán)境下影響生物與非生物過(guò)程的限制因素不盡相同，模擬研究的生態(tài)范圍和系統(tǒng)覆蓋面也有所不同。素不盡相同，模擬研究的生態(tài)范圍和系統(tǒng)覆蓋面也有所不同。以作物生產(chǎn)系統(tǒng)為例以作物生產(chǎn)系統(tǒng)為例：根據(jù)生態(tài)限制因子對(duì)作物生理過(guò)程和生產(chǎn)系統(tǒng)的：根據(jù)生態(tài)限制因子對(duì)作物生理過(guò)程和生產(chǎn)系統(tǒng)的影響進(jìn)行分類，按照產(chǎn)量遞減的順序，可以把作物生產(chǎn)系統(tǒng)分為五個(gè)水影響進(jìn)行分類，按照產(chǎn)量遞減的順序，可以把作物生產(chǎn)系

8、統(tǒng)分為五個(gè)水平：平：光溫潛力、水分限制、氮素調(diào)控光溫潛力、水分限制、氮素調(diào)控 、磷鉀等養(yǎng)分的調(diào)控、病蟲(chóng)草害等、磷鉀等養(yǎng)分的調(diào)控、病蟲(chóng)草害等生物災(zāi)害的影響生物災(zāi)害的影響第二節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型原理2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室10p作物生產(chǎn)的等級(jí)水平1.潛在生產(chǎn)(potential production)只受光、溫條件影響的作物生產(chǎn)2.水分限制生產(chǎn)(water limited production)只受光、溫和水分條件影響的作物生產(chǎn)3.養(yǎng)分限制生產(chǎn)(nutrient limited production) 只受光、溫、(水分和)養(yǎng)分條件影響的作物生產(chǎn)4.實(shí)際生產(chǎn)(actual pr

9、oduction)受光、溫、水分、養(yǎng)分條件及其它減產(chǎn)因子（weeds, diseases, pests, pollution）影響的作物生產(chǎn)其中2&3為attainable production.第二節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型原理2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室11 CO2 太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射 溫度溫度 作物特性作物特性 潛在產(chǎn)量潛在產(chǎn)量 可獲得產(chǎn)量可獲得產(chǎn)量 實(shí)際產(chǎn)量實(shí)際產(chǎn)量水分水分營(yíng)養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)（氮、（氮、磷、鉀）磷、鉀）雜草雜草病害病害蟲(chóng)害蟲(chóng)害污染污染限制因子限制因子減產(chǎn)因子減產(chǎn)因子決定因子決定因子保護(hù)措施保護(hù)措施生產(chǎn)水平生產(chǎn)水平第二節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型原理2021-8-7云南省高校農(nóng)

10、業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室12第一生產(chǎn)水平第一生產(chǎn)水平- -光溫潛力光溫潛力輻射強(qiáng)度、光能截取和利用效率是輻射強(qiáng)度、光能截取和利用效率是研究生長(zhǎng)速率的關(guān)鍵因子研究生長(zhǎng)速率的關(guān)鍵因子第二節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型原理2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室13第二節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型原理2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室14第二節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型原理2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室15第二節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型原理2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室16第二節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型原理農(nóng)業(yè)模擬模型構(gòu)建思想與原理農(nóng)業(yè)模擬模型構(gòu)建思想與原理n構(gòu)建思想構(gòu)建思想p概念模型概念模型p系統(tǒng)分析

11、和數(shù)學(xué)表達(dá)系統(tǒng)分析和數(shù)學(xué)表達(dá)p綜合分析和程序化綜合分析和程序化n構(gòu)建原理構(gòu)建原理p三個(gè)假設(shè)三個(gè)假設(shè)p數(shù)學(xué)表達(dá)式：數(shù)學(xué)表達(dá)式：E=f(xi, yi)n一個(gè)農(nóng)業(yè)模型包含：一個(gè)農(nóng)業(yè)模型包含：p組成要素、參量、變量、函數(shù)關(guān)系、約束條件、目標(biāo)函數(shù)。組成要素、參量、變量、函數(shù)關(guān)系、約束條件、目標(biāo)函數(shù)。2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室17第二節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型原理農(nóng)業(yè)模擬模型構(gòu)建思想與原理農(nóng)業(yè)模擬模型構(gòu)建思想與原理n與其他學(xué)科間的關(guān)系與其他學(xué)科間的關(guān)系p農(nóng)業(yè)科學(xué)與理論是基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)科學(xué)與理論是基礎(chǔ)p生物學(xué)、農(nóng)學(xué)等研究成果是內(nèi)涵和主線生物學(xué)、農(nóng)學(xué)等研究成果是內(nèi)涵和主線p數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)提供方法和工具

12、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)提供方法和工具n建立模型的基本方法建立模型的基本方法p實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法p統(tǒng)計(jì)方法統(tǒng)計(jì)方法p解析方法解析方法p模糊數(shù)學(xué)方法模糊數(shù)學(xué)方法2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室18第二節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型原理農(nóng)業(yè)模擬模型的結(jié)構(gòu)成分與過(guò)程農(nóng)業(yè)模擬模型的結(jié)構(gòu)成分與過(guò)程n作物系統(tǒng)的界定作物系統(tǒng)的界定p系統(tǒng)界面系統(tǒng)界面p源庫(kù)關(guān)系源庫(kù)關(guān)系p參數(shù)和狀態(tài)變量參數(shù)和狀態(tài)變量n作物模型的結(jié)構(gòu)成分作物模型的結(jié)構(gòu)成分p根據(jù)研發(fā)過(guò)程分解為若干過(guò)程，通常系統(tǒng)可以劃分為六個(gè)相互根據(jù)研發(fā)過(guò)程分解為若干過(guò)程，通常系統(tǒng)可以劃分為六個(gè)相互關(guān)聯(lián)的亞系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的亞系統(tǒng)2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室19

13、模擬模型的結(jié)構(gòu)成分模擬模型的結(jié)構(gòu)成分第一亞系統(tǒng)：第一亞系統(tǒng)：為作物的階段發(fā)育與物候期為作物的階段發(fā)育與物候期。主要是有關(guān)以溫光反應(yīng)。主要是有關(guān)以溫光反應(yīng)為基礎(chǔ)的莖頂端發(fā)育階段以及以外部形態(tài)特征變化為標(biāo)志的生育時(shí)期，為基礎(chǔ)的莖頂端發(fā)育階段以及以外部形態(tài)特征變化為標(biāo)志的生育時(shí)期，如小麥的小穗分化期、小花分化期等，以及分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期等。如小麥的小穗分化期、小花分化期等，以及分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期等。第二亞系統(tǒng)：第二亞系統(tǒng)：為作物植株的形態(tài)發(fā)生與器官建成過(guò)程為作物植株的形態(tài)發(fā)生與器官建成過(guò)程。包括根系、。包括根系、葉片、莖桿、小穗、小花、籽粒等器官發(fā)生與形成的規(guī)律、數(shù)量與質(zhì)量葉片、莖桿、小穗、

14、小花、籽粒等器官發(fā)生與形成的規(guī)律、數(shù)量與質(zhì)量等。等。第三亞系統(tǒng)：第三亞系統(tǒng)：為植株的光能利用與同化物生產(chǎn)為植株的光能利用與同化物生產(chǎn)。包括葉片和冠層的。包括葉片和冠層的光合作用、呼吸作用、碳水化合物積累及生物量的計(jì)算等。光合作用、呼吸作用、碳水化合物積累及生物量的計(jì)算等。第二節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型原理2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室20模擬模型的結(jié)構(gòu)成分模擬模型的結(jié)構(gòu)成分第四亞系統(tǒng)：第四亞系統(tǒng)：為不同器官間的物質(zhì)分配與利用為不同器官間的物質(zhì)分配與利用。包括同化物分配系數(shù)。包括同化物分配系數(shù)或分配指數(shù)和分配量的實(shí)時(shí)變化、器官的生長(zhǎng)和大小、產(chǎn)量和品質(zhì)的決定或分配指數(shù)和分配量的實(shí)時(shí)變化、器

15、官的生長(zhǎng)和大小、產(chǎn)量和品質(zhì)的決定等。等。第一第一 四亞系統(tǒng)：四亞系統(tǒng)：作物生長(zhǎng)模型的基礎(chǔ)成分，研究的重點(diǎn)作物生長(zhǎng)模型的基礎(chǔ)成分，研究的重點(diǎn)。其中溫光條件。其中溫光條件為貫穿于各亞系統(tǒng)的主導(dǎo)因子，直接作用于不同的生理過(guò)程，作物基因型為貫穿于各亞系統(tǒng)的主導(dǎo)因子，直接作用于不同的生理過(guò)程，作物基因型差異則是系統(tǒng)運(yùn)行的內(nèi)在動(dòng)力。差異則是系統(tǒng)運(yùn)行的內(nèi)在動(dòng)力。第二節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型原理2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室21模擬模型的結(jié)構(gòu)成分模擬模型的結(jié)構(gòu)成分第五亞系統(tǒng)：第五亞系統(tǒng)：為土壤植物大氣水分關(guān)系為土壤植物大氣水分關(guān)系。包括土壤水分的移動(dòng)、。包括土壤水分的移動(dòng)、吸收、蒸發(fā)蒸騰、植物組織的

16、水分平衡等。吸收、蒸發(fā)蒸騰、植物組織的水分平衡等。第六亞系統(tǒng)：第六亞系統(tǒng)：為土壤養(yǎng)分為土壤養(yǎng)分( (氮素氮素) )動(dòng)態(tài)與植株利用動(dòng)態(tài)與植株利用。包括主要養(yǎng)分元素。包括主要養(yǎng)分元素在土壤中的轉(zhuǎn)化、根系吸收、體內(nèi)分配和利用等。在土壤中的轉(zhuǎn)化、根系吸收、體內(nèi)分配和利用等。第五第五 六亞系統(tǒng)：六亞系統(tǒng)：受氣候和土壤環(huán)境因子影響較大，且通過(guò)土壤與根系過(guò)受氣候和土壤環(huán)境因子影響較大，且通過(guò)土壤與根系過(guò)程間接地作用于作物的生育過(guò)程，同時(shí)在很大程度上受到技術(shù)措施的調(diào)控，程間接地作用于作物的生育過(guò)程，同時(shí)在很大程度上受到技術(shù)措施的調(diào)控，故需作為并行的亞系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行模擬故需作為并行的亞系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行模擬。第二節(jié) 農(nóng)

17、業(yè)模擬模型原理2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室22模擬模型的構(gòu)成與過(guò)程模擬模型的構(gòu)成與過(guò)程構(gòu)成構(gòu)成第一部分：氣候、土壤、作物數(shù)據(jù)、栽培管理措施輸入模塊第一部分：氣候、土壤、作物數(shù)據(jù)、栽培管理措施輸入模塊第二部分：主要生理生態(tài)過(guò)程的模擬模塊第二部分：主要生理生態(tài)過(guò)程的模擬模塊第三部分：模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)或圖形輸出及分析模塊第三部分：模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)或圖形輸出及分析模塊模擬模塊模擬模塊光截獲和光合作用、營(yíng)養(yǎng)吸收和根系生長(zhǎng)、干物質(zhì)分配、水分吸收光截獲和光合作用、營(yíng)養(yǎng)吸收和根系生長(zhǎng)、干物質(zhì)分配、水分吸收與蒸騰、生長(zhǎng)和呼吸、葉面積增長(zhǎng)、作物發(fā)育和器官形成、衰老模與蒸騰、生長(zhǎng)和呼吸、葉面積增長(zhǎng)、

18、作物發(fā)育和器官形成、衰老模型、田間管理模型。型、田間管理模型。第二節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型原理2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室23模擬模型的構(gòu)成與過(guò)程模擬模型的構(gòu)成與過(guò)程過(guò)程過(guò)程驅(qū)動(dòng)因子驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)行驅(qū)動(dòng)因子驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)行作物自播種開(kāi)始至成熟的生理生態(tài)過(guò)程作物自播種開(kāi)始至成熟的生理生態(tài)過(guò)程得到產(chǎn)量、品質(zhì)、物候、效益等輸出得到產(chǎn)量、品質(zhì)、物候、效益等輸出模型的輸入模型的輸入輸入資料最少、容易獲取、簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，包括氣象、土壤、輸入資料最少、容易獲取、簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，包括氣象、土壤、作物品種、管理四類作物品種、管理四類模型的輸出模型的輸出表格、圖形、圖像、聲音、多媒體產(chǎn)品表格、圖形、圖像、聲音、

19、多媒體產(chǎn)品。第二節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型原理2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室24農(nóng)業(yè)模擬模型研究的尺度農(nóng)業(yè)模擬模型研究的尺度模擬尺度具有三維的特性：時(shí)間性、空間性、復(fù)雜性。模擬尺度具有三維的特性：時(shí)間性、空間性、復(fù)雜性。1 1、模擬的時(shí)空尺度決定了適宜模型的選擇及模擬方法的采用、模擬的時(shí)空尺度決定了適宜模型的選擇及模擬方法的采用大尺度模型：大尺度模型：注重宏觀的經(jīng)驗(yàn)性和描述性；注重宏觀的經(jīng)驗(yàn)性和描述性；小尺度模型：小尺度模型：注重微觀的機(jī)理性和解釋性。注重微觀的機(jī)理性和解釋性。2 2、作物生長(zhǎng)模擬研究時(shí)間步長(zhǎng)取決于作物生長(zhǎng)狀態(tài)變化的速率、作物生長(zhǎng)模擬研究時(shí)間步長(zhǎng)取決于作物生長(zhǎng)狀態(tài)變化的

20、速率生長(zhǎng)相對(duì)快的時(shí)期：生長(zhǎng)相對(duì)快的時(shí)期：步長(zhǎng)宜短一些；步長(zhǎng)宜短一些；生長(zhǎng)相對(duì)慢的時(shí)期：生長(zhǎng)相對(duì)慢的時(shí)期：步長(zhǎng)可選大一些。步長(zhǎng)可選大一些。作物生長(zhǎng)模擬模型步長(zhǎng)通常為作物生長(zhǎng)模擬模型步長(zhǎng)通常為1 1天：天： 環(huán)境資料多為逐日資料、溫度等環(huán)境資料多為逐日資料、溫度等環(huán)境的環(huán)境的1天內(nèi)變化在作物耐受范圍內(nèi)、土壤養(yǎng)分、水分等天內(nèi)變化在作物耐受范圍內(nèi)、土壤養(yǎng)分、水分等1天更準(zhǔn)確。天更準(zhǔn)確。第三節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室25第三節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用建模的方法和步驟建模的方法和步驟系統(tǒng)分析數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)模擬 數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析 生物學(xué)機(jī)

21、理生物學(xué)機(jī)理 確立數(shù)學(xué)表達(dá)式確立數(shù)學(xué)表達(dá)式 計(jì)算機(jī)程序編制計(jì)算機(jī)程序編制 程序調(diào)制、修改程序調(diào)制、修改檢驗(yàn)和驗(yàn)證檢驗(yàn)和驗(yàn)證 模型檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋z驗(yàn) 模型靈敏度分析模型靈敏度分析 模型驗(yàn)證模型驗(yàn)證 確定目標(biāo)、定義系統(tǒng)確定目標(biāo)、定義系統(tǒng) 調(diào)查研究、定性分析調(diào)查研究、定性分析 系統(tǒng)模式框圖系統(tǒng)模式框圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)圖2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室26第三節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用建立模型的方法建立模型的方法p線性選配技術(shù)線性選配技術(shù)n根據(jù)模擬對(duì)象的動(dòng)態(tài)變化曲線或響應(yīng)曲線，選配適宜的函數(shù)根據(jù)模擬對(duì)象的動(dòng)態(tài)變化曲線或響應(yīng)曲線，選配適宜的函數(shù)nLogistic（生長(zhǎng)）、理查德函

22、數(shù)、指數(shù)函數(shù)（生長(zhǎng)）、理查德函數(shù)、指數(shù)函數(shù)n分段函數(shù)、函數(shù)微分方程分段函數(shù)、函數(shù)微分方程p復(fù)雜模型復(fù)雜模型n各子模型的建立和模型裝配各子模型的建立和模型裝配n子模型相互獨(dú)立，相互制約和影響子模型相互獨(dú)立，相互制約和影響2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室27系數(shù)化技術(shù)與模型參數(shù)確定系數(shù)化技術(shù)與模型參數(shù)確定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程由多個(gè)環(huán)境因子所控制，定量這些因子的互作主要是通過(guò)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程由多個(gè)環(huán)境因子所控制，定量這些因子的互作主要是通過(guò)單個(gè)因子的系數(shù)互作而非復(fù)合因子的多元回歸。單個(gè)因子的系數(shù)互作而非復(fù)合因子的多元回歸。1 1、析因法與系數(shù)化、析因法與系數(shù)化系數(shù)化將效應(yīng)因子的特征值系數(shù)化將效應(yīng)

23、因子的特征值一般設(shè)定在一般設(shè)定在0 01 1之間之間第三節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室28系數(shù)化技術(shù)與模型參數(shù)確定系數(shù)化技術(shù)與模型參數(shù)確定2 2、系數(shù)互作的計(jì)算方法、系數(shù)互作的計(jì)算方法 最小法和乘積法最小法和乘積法最小法：最小法：依據(jù)最小因子法則，認(rèn)為系統(tǒng)的表現(xiàn)主要受最小系數(shù)的限制。依據(jù)最小因子法則，認(rèn)為系統(tǒng)的表現(xiàn)主要受最小系數(shù)的限制。乘積法：乘積法：依據(jù)不同因子的相互作用原則，認(rèn)為系統(tǒng)的表現(xiàn)同時(shí)受多因依據(jù)不同因子的相互作用原則，認(rèn)為系統(tǒng)的表現(xiàn)同時(shí)受多因子的影響，而并非與最小因子的水平呈線性關(guān)系。子的影響，而并非與最小因子的水平呈線性關(guān)系。一般情況

24、下：一般情況下：當(dāng)系統(tǒng)的因子水平較低時(shí)或表現(xiàn)限制因子作用時(shí)：當(dāng)系統(tǒng)的因子水平較低時(shí)或表現(xiàn)限制因子作用時(shí)：最小法可能更合適。最小法可能更合適。當(dāng)因子水平較高時(shí)或表現(xiàn)報(bào)酬遞減作用時(shí)：當(dāng)因子水平較高時(shí)或表現(xiàn)報(bào)酬遞減作用時(shí)：乘積法在理論和實(shí)踐上都乘積法在理論和實(shí)踐上都更合適。更合適。第三節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室293 3、遺傳參數(shù)、遺傳參數(shù) 遺傳參數(shù)概念遺傳參數(shù)概念 指描述非逆境下種或品種基本遺傳性狀的一組特征值。一個(gè)品種的遺傳系指描述非逆境下種或品種基本遺傳性狀的一組特征值。一個(gè)品種的遺傳系數(shù)一般以數(shù)一般以10101515個(gè)左右為最適，最多不超過(guò)個(gè)

25、左右為最適，最多不超過(guò)2020個(gè)。個(gè)。遺傳參數(shù)的要求遺傳參數(shù)的要求既要符合作物既要符合作物( (動(dòng)物動(dòng)物) )生理學(xué)的認(rèn)識(shí)和規(guī)律，又要為作物生理學(xué)的認(rèn)識(shí)和規(guī)律，又要為作物( (動(dòng)物動(dòng)物) )育種學(xué)家所育種學(xué)家所理解和接受，主要是量化品種間最基本的遺傳性狀差異。理解和接受，主要是量化品種間最基本的遺傳性狀差異。例如：例如：在小麥發(fā)育模型中，一般包括生理春化時(shí)間、光周期敏感性因子、在小麥發(fā)育模型中，一般包括生理春化時(shí)間、光周期敏感性因子、灌漿持續(xù)期因子、基本早熟性因子灌漿持續(xù)期因子、基本早熟性因子4 4個(gè)品種遺傳參數(shù)，分別體現(xiàn)了不同品個(gè)品種遺傳參數(shù)，分別體現(xiàn)了不同品種小麥在春化作用、光周期反應(yīng)及灌

26、漿期長(zhǎng)短、熱效應(yīng)方面的遺傳特性。種小麥在春化作用、光周期反應(yīng)及灌漿期長(zhǎng)短、熱效應(yīng)方面的遺傳特性。遺傳參數(shù)一般依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)試錯(cuò)法、最小二乘法等決定。遺傳參數(shù)一般依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)試錯(cuò)法、最小二乘法等決定。第三節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室30第三節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用系數(shù)化技術(shù)與模型參數(shù)確定系數(shù)化技術(shù)與模型參數(shù)確定p模型參數(shù)確定方法模型參數(shù)確定方法n求解法和試錯(cuò)法求解法和試錯(cuò)法p求解法求解法n依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立擬合方程，對(duì)擬合方程進(jìn)行轉(zhuǎn)換，確定初值依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立擬合方程，對(duì)擬合方程進(jìn)行轉(zhuǎn)換，確定初值n利用多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模型參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)

27、確性（最小二乘法）利用多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模型參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性（最小二乘法）p試錯(cuò)法試錯(cuò)法n根據(jù)模擬過(guò)程的合理變化趨勢(shì)，確定模型參數(shù)初值根據(jù)模擬過(guò)程的合理變化趨勢(shì)，確定模型參數(shù)初值n確定模型參數(shù)的增量和減量，觀察不同參數(shù)設(shè)置下模型誤差的變確定模型參數(shù)的增量和減量，觀察不同參數(shù)設(shè)置下模型誤差的變化趨勢(shì)，直到趨勢(shì)一致，誤差逐漸減小，并取得最小誤差為止化趨勢(shì)，直到趨勢(shì)一致，誤差逐漸減小，并取得最小誤差為止2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室31模型驗(yàn)證與檢驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證與檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臋z驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臋z驗(yàn)包括對(duì)模型的敏感性分析、校正、核實(shí)、測(cè)驗(yàn)等四個(gè)主要過(guò)程包括對(duì)模型的敏感性分析、校正、核實(shí)、測(cè)驗(yàn)等四個(gè)

28、主要過(guò)程（1 1）敏感性分析）敏感性分析 是對(duì)模型靈敏度和動(dòng)態(tài)性的測(cè)驗(yàn)，分析模型對(duì)主要參數(shù)和變量反應(yīng)的是對(duì)模型靈敏度和動(dòng)態(tài)性的測(cè)驗(yàn)，分析模型對(duì)主要參數(shù)和變量反應(yīng)的靈敏度，測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)與過(guò)程以及系統(tǒng)的成分。它可以看成是某種形式靈敏度，測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)與過(guò)程以及系統(tǒng)的成分。它可以看成是某種形式的假設(shè)模擬試驗(yàn)。結(jié)果通常以值來(lái)表示模型的反應(yīng)程度。的假設(shè)模擬試驗(yàn)。結(jié)果通常以值來(lái)表示模型的反應(yīng)程度。第三節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室32模型驗(yàn)證與檢驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證與檢驗(yàn)如下表所示小麥階段發(fā)育的敏感性分析。 發(fā)發(fā) 育育 階階 段段 二棱期二棱期 頂小穗形成期頂小穗形成

29、期 抽穗期抽穗期 參數(shù)參數(shù) 變幅變幅* * （天數(shù)）（天數(shù)） 溫度（溫度（o oC C） - -2 2 +25+25 +10+10 +10+10 +2+2 - -1414 - -1515 - -1111 日長(zhǎng)（日長(zhǎng)（h h） - -2 2 +10+10 +6+6 +4+4 +2+2 - -7 7 - -5 5 - -4 4 春化要求春化要求 - -1010 - -9 9 - -3 3 - -2 2 +10+10 +8+8 +3+3 +1+1 光周期敏感性光周期敏感性 - -0.0020.002 - -9 9 - -5 5 - -4 4 +0.002+0.002 +9+9 +5+5 +3+3 *

30、 *以小麥在南京種植為模擬對(duì)照，春化要求天數(shù)為以小麥在南京種植為模擬對(duì)照，春化要求天數(shù)為 2020 天，光周期敏感性為天，光周期敏感性為 0.0040.004 。 第三節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室33（2）校正是調(diào)整模型的參數(shù)和關(guān)系，使模型符合模擬者特定的環(huán)境和資料參是調(diào)整模型的參數(shù)和關(guān)系，使模型符合模擬者特定的環(huán)境和資料參數(shù)，主要檢驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)的綜合表現(xiàn)及對(duì)綜合變量的反應(yīng)。數(shù)，主要檢驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)的綜合表現(xiàn)及對(duì)綜合變量的反應(yīng)。（3）核實(shí)核實(shí)是指模型是否適用于模型研制以外的完全獨(dú)立的資料，是多年、核實(shí)是指模型是否適用于模型研制以外的完全獨(dú)立的資料，是多

31、年、多點(diǎn)、多試驗(yàn)觀測(cè)值與模擬值的比較。多點(diǎn)、多試驗(yàn)觀測(cè)值與模擬值的比較。采用如下方法：采用如下方法：一是：一是：將模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行回歸分析將模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行回歸分析，但模擬值與觀測(cè)，但模擬值與觀測(cè)值的顯著相關(guān)不足以證明模型的可靠性和預(yù)測(cè)性，因?yàn)楫?dāng)模型的模值的顯著相關(guān)不足以證明模型的可靠性和預(yù)測(cè)性，因?yàn)楫?dāng)模型的模擬結(jié)果與觀測(cè)值都顯著相關(guān)時(shí)，二者之間的差異有可能變化很大。擬結(jié)果與觀測(cè)值都顯著相關(guān)時(shí)，二者之間的差異有可能變化很大。二是：二是：將實(shí)際結(jié)果與模擬結(jié)果按同一時(shí)間坐標(biāo)繪將實(shí)際結(jié)果與模擬結(jié)果按同一時(shí)間坐標(biāo)繪1:11:1圖進(jìn)行比較圖進(jìn)行比較（見(jiàn)下圖）。（見(jiàn)下圖）。第三節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型

32、的研發(fā)與應(yīng)用2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室34三是：三是：檢驗(yàn)?zāi)M與檢驗(yàn)?zāi)M與實(shí)際值的平均誤差實(shí)際值的平均誤差。其。其中模擬值與實(shí)際值的平中模擬值與實(shí)際值的平均誤差可以通過(guò)以下一均誤差可以通過(guò)以下一些統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算得到：些統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算得到： 9 9 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 3 3 0 0 1 1 5 5 0 0 1 1 7 7 0 0 1 1 9 9 0 0 9 9 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 3 3 0 0 1 1 5 5 0 0 1 1 7 7 0 0 1 1 9 9 0 0 觀測(cè)值觀測(cè)值 模擬值模擬值 第三節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2021-

33、8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室351 1）平均離差）平均離差（Mean Deviation，MD） MD（ERRi）/n ERRiYiXi其中，其中，n n為為樣本數(shù)；為為樣本數(shù)；YiYi和和XiXi為第為第i i次的模擬值和實(shí)測(cè)值。次的模擬值和實(shí)測(cè)值。2 2）平均預(yù)測(cè)誤差）平均預(yù)測(cè)誤差（Mean Prediction Error，MPE） MPE=(|DERi|)/n ERRiYiXi3 3）預(yù)測(cè)均方法）預(yù)測(cè)均方法（Mean Square Error of Prediction，MSEP） 。 MSEP=（ERRi）/n ERRiYiXi4 4）均方差根）均方差根（Root Mean

34、 Square Error，RMSE） 第三節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2M1jjj)X-(YM1RMSE2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室365）擬合指數(shù)）擬合指數(shù)（Agreeement Index，AI） 1減去預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之差的絕對(duì)值除以實(shí)際值，反映模擬符合程度，減去預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之差的絕對(duì)值除以實(shí)際值，反映模擬符合程度，AIl時(shí)誤差最小。時(shí)誤差最小。 AIl|YiXi|/Xi6）偏斜度）偏斜度（Bias） 模擬值與實(shí)際值無(wú)截距回歸方程斜率與模擬值與實(shí)際值無(wú)截距回歸方程斜率與1的偏差，表示通過(guò)原點(diǎn)的擬合直的偏差，表示通過(guò)原點(diǎn)的擬合直線與線與1：1線的偏斜程度（）。線的偏斜

35、程度（）。 BIAS100（b0-1）式中式中b0為模擬值與實(shí)際值之間的為模擬值與實(shí)際值之間的0截距直線回歸方程（截距截距直線回歸方程（截距0）的斜率。）的斜率。7）直接比較單個(gè)模擬值的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差）直接比較單個(gè)模擬值的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差 絕對(duì)誤差：絕對(duì)誤差：ERRiYiXi 相對(duì)誤差：相對(duì)誤差：REERRi/Xi第三節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室37（4 4）測(cè)驗(yàn)）測(cè)驗(yàn) 測(cè)驗(yàn)是比較各種環(huán)境下的模擬值與預(yù)測(cè)值，可看作是一個(gè)持續(xù)的模型測(cè)驗(yàn)是比較各種環(huán)境下的模擬值與預(yù)測(cè)值，可看作是一個(gè)持續(xù)的模型核實(shí)過(guò)程。如果在測(cè)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)明顯的偏差，可能還得重

36、復(fù)上述模型校核實(shí)過(guò)程。如果在測(cè)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)明顯的偏差，可能還得重復(fù)上述模型校正和核實(shí)的整個(gè)過(guò)程，并對(duì)模型算法進(jìn)行必要的修訂和改進(jìn)。正和核實(shí)的整個(gè)過(guò)程，并對(duì)模型算法進(jìn)行必要的修訂和改進(jìn)。2 2、模型的改進(jìn)、模型的改進(jìn)模型的改進(jìn)則是在檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪^(guò)程中，對(duì)模型進(jìn)行必要的改進(jìn)與完善。模型的改進(jìn)則是在檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪^(guò)程中，對(duì)模型進(jìn)行必要的改進(jìn)與完善。 第三節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室38典型作物模擬模型介紹pAPSIMp澳大利亞澳大利亞p多作物多作物p模塊通用性（環(huán)境、光合、土壤水分、養(yǎng)分）模塊通用性（環(huán)境、光合、土壤水分、養(yǎng)分）pCOTSYSp中國(guó)中國(guó)p棉花棉花p智能決策與模擬模型結(jié)合在（播種、最佳葉面積、施肥決智能決策與模擬模型結(jié)合在（播種、最佳葉面積、施肥決策）策）2021-8-7云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室39第四節(jié) 農(nóng)業(yè)模擬模