作物模型與決策支持系統(tǒng)研究進展

1、 作物模型與決策支持系統(tǒng)研究進展作物模型與決策支持系統(tǒng)研究進展匯匯 報報 人：王文佳人：王文佳指導老師：馮指導老師：馮 浩浩匯報內(nèi)容匯報內(nèi)容 作物模型簡介作物模型簡介1決策支持系統(tǒng)簡介決策支持系統(tǒng)簡介2模型優(yōu)化及其發(fā)展趨勢模型優(yōu)化及其發(fā)展趨勢31 作物模型簡介v 1.1 1.1 作物模型的定義作物模型的定義 v 1.2 1.2 作物建模機理作物建模機理v 1.3 1.3 作物模型的起源與發(fā)展作物模型的起源與發(fā)展 1.3.1 模型的起源模型的起源 1.3.2 模型的發(fā)展歷程模型的發(fā)展歷程 1.3.3 模型的發(fā)展現(xiàn)狀模型的發(fā)展現(xiàn)狀v 1.4 1.4 作物模型的評價及應用作物模型的評價及應用v 1.

2、5 1.5 存在的問題存在的問題1.1 1.1 作物模型的定義作物模型的定義作物模型作物模型就是用系統(tǒng)分析方法和計算機模擬技術，對作物生長發(fā)育過就是用系統(tǒng)分析方法和計算機模擬技術，對作物生長發(fā)育過程及其與環(huán)境的動態(tài)關系進行定量描述和預測。程及其與環(huán)境的動態(tài)關系進行定量描述和預測。它具有它具有系統(tǒng)性系統(tǒng)性、動態(tài)性動態(tài)性、機制性機制性與與預測性預測性，更重要的是具有，更重要的是具有通用性通用性，適，適用于任何地點、時間和品種，不受地區(qū)、時間、品種與栽培技術差異的用于任何地點、時間和品種，不受地區(qū)、時間、品種與栽培技術差異的限制。因而，作物生長模型在諸多領域得到了廣泛的應用。限制。因而，作物生長模型

3、在諸多領域得到了廣泛的應用。1.2 1.2 建模機理建模機理作物生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)在任何時刻都能夠作物生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)在任何時刻都能夠定量表達定量表達該狀態(tài)中的各種物理、化學和生理機制的變化可用該狀態(tài)中的各種物理、化學和生理機制的變化可用各種數(shù)學方程描述各種數(shù)學方程描述作物在作物在較短時間間隔較短時間間隔內(nèi)物理、化學和生理過程內(nèi)物理、化學和生理過程不發(fā)生較大的變化不發(fā)生較大的變化 可對一系列的過程（如光合、呼吸、蒸騰、生長等）進行可對一系列的過程（如光合、呼吸、蒸騰、生長等）進行估算估算，并，并逐時累加為逐時累加為日過程日過程，再逐日累加為，再逐日累加為生長季生長季，最后計算出，最后計算出整個生長期

4、整個生長期的干物質(zhì)產(chǎn)量或可收獲的作物產(chǎn)量。的干物質(zhì)產(chǎn)量或可收獲的作物產(chǎn)量。建模假設建模假設模型研制模型研制模型應用模型應用模型優(yōu)化模型優(yōu)化1.3 1.3 作物模型的起源與發(fā)展作物模型的起源與發(fā)展1.3 1.3 作物模型的起源與發(fā)展作物模型的起源與發(fā)展1965年年，de Wit 對葉冠層的光合作用進行了研究，奠定了作物生長動態(tài)對葉冠層的光合作用進行了研究，奠定了作物生長動態(tài)模擬模型基礎。模擬模型基礎。 2020世紀世紀6060年代年代, , 由于已經(jīng)能對植物生理過程（如冠層光能截獲及光合作由于已經(jīng)能對植物生理過程（如冠層光能截獲及光合作用）進行很好的數(shù)學描述，作物生長動態(tài)模擬模型的研究開始起步。

5、用）進行很好的數(shù)學描述，作物生長動態(tài)模擬模型的研究開始起步。同期，大型計算機的出現(xiàn)，推動了模型研究的迅速發(fā)展。同期，大型計算機的出現(xiàn)，推動了模型研究的迅速發(fā)展。另外，聯(lián)合國教科文組織（另外，聯(lián)合國教科文組織（UNESCOUNESCO）的國際生物學計劃）的國際生物學計劃（IBP, 19641974）的實施的實施, , 也極大地促進了作物模型研究工作的開展。也極大地促進了作物模型研究工作的開展。起源起源荷蘭荷蘭ELCROS BACROSPHOTONARID CROPSUCROSWOFOSTMACROSORYZALINTUL美國美國CERESCROPGRODSSATGOSSYMEPICCropSys

6、tALMANACCENTURY澳大利亞澳大利亞APSIM中國中國水稻水稻（RCSODS）小麥小麥（WCSODS）玉米玉米（MCSODS）棉花棉花（CCSODS）油菜油菜（OCSODS）大豆大豆（SCSODS）模型介紹模型介紹1.3.1 1.3.1 荷蘭作物模型系列荷蘭作物模型系列階段階段模型簡稱模型簡稱模型全稱模型全稱特點特點探索探索階段階段1965-1980ELCROSELementary CROp Simulationde Wit第一個模型第一個模型BACROSBasic CROp growth Simulation首次將呼吸作用引入模型首次將呼吸作用引入模型PHOTONSimulatio

7、n of PHOTOsynthesis and transpiratioN精細考慮了氣孔行為精細考慮了氣孔行為時間步長為秒時間步長為秒Arid CropArid Crop水分平衡模型水分平衡模型面向?qū)嵜嫦驅(qū)嶋H應用際應用階段階段1980-1990SUCROSSimple and Universal CROp growth Simulationde Wit第一個概要模型第一個概要模型WOFOSTWOrld FOod STudies 最早面向應用的模型之一最早面向應用的模型之一MACROSModules of an Annual CROp Simulator 為半濕潤熱帶作物開發(fā)為半濕潤熱帶作物開發(fā)

8、ORYZAoryza成功的水稻模型系列成功的水稻模型系列實際操實際操作階段作階段LINTULLight INTerception and UtiLization空間尺度擴大時的簡化模型空間尺度擴大時的簡化模型uDSSAT：模型中的貴族模型中的貴族 CERES：作物作物環(huán)境環(huán)境資源綜合系統(tǒng)；資源綜合系統(tǒng)；CROPGRO：主要模擬豆類作物的生長、發(fā)育和產(chǎn)量形成過程；主要模擬豆類作物的生長、發(fā)育和產(chǎn)量形成過程；CANEGRO等。等。uCropSyst：參數(shù)較少，更容易校準參數(shù)較少，更容易校準；uALMANAC:在在EPIC的基礎上增加了作物生長成分研制而成；的基礎上增加了作物生長成分研制而成；uCE

9、NTURY：評價農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳演變最有效的工具；評價農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳演變最有效的工具；uGOSSYM/COMAX：美國棉花專家管理計算機模擬系統(tǒng)；美國棉花專家管理計算機模擬系統(tǒng)；uAquaCrop：FAO最新推出模型，對土壤水分較為敏感。最新推出模型，對土壤水分較為敏感。1.3.21.3.2 美國作物模型系列美國作物模型系列APSIM（Agricultural Production System sIMulator）是澳大利亞系列作物是澳大利亞系列作物模型的總稱模型的總稱，是由APSRU小組在過去10多年內(nèi)開發(fā)的。模擬核心突出的是土壤土壤。土壤特征變量的連續(xù)變化。土壤特征變量的連

10、續(xù)變化被作為模擬的中心。目前對施肥施肥、灌溉灌溉、土壤侵蝕土壤侵蝕、土壤氮素土壤氮素和磷素平衡磷素平衡、土壤溫度土壤溫度、土壤水分土壤水分平衡平衡、溶質(zhì)運移溶質(zhì)運移、殘茬分解殘茬分解等過程均有相應模塊均有相應模塊?？梢允褂脩暨x擇模塊配置一個自己的作物模型配置一個自己的作物模型，模塊之間的邏輯聯(lián)系可以簡單的通過模塊的模塊的“拔插拔插”來規(guī)定。用戶友好的界面用戶友好的界面使非建模者在使用APSIM時非常容易。1.3.3 1.3.3 澳大利亞作物模型系列澳大利亞作物模型系列1.3.41.3.4 我國作物模型系列我國作物模型系列u 20世紀80年代初引進荷蘭和美國的模型；u 1988年高亮之的水稻鐘模

11、型水稻鐘模型RICEMOD是國內(nèi)自己推出的首個作物模型；u 中國將作物生長模型、栽培優(yōu)化模型或知識模型與專家系統(tǒng)作物生長模型、栽培優(yōu)化模型或知識模型與專家系統(tǒng)相結(jié)合，形成了CCSODS系列模型系列模型作物計算機模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)。RCSODSCCSODSWCSODSMCSODSOCSODSSCSODSCCSODS系列模型系列模型1.4 1.4 作物模型的評價與應用作物模型的評價與應用數(shù)值比較法數(shù)值比較法u描述性統(tǒng)計：平均值、中值、極值、變異系數(shù)等。描述性統(tǒng)計：平均值、中值、極值、變異系數(shù)等。u均方根誤差方法均方根誤差方法RMSE：度量模型值與實測值的相對差異程度。：度量模型值與實測值的相對差異程

12、度。u配對配對t t檢驗檢驗u一致性指數(shù)一致性指數(shù)d ( (the index of agreement) )：檢驗模擬值和實測值的吻合度。：檢驗模擬值和實測值的吻合度。u相關系數(shù)相關系數(shù)r圖形法圖形法u令令X X為實測值，為實測值，Y Y為模擬值，使用無截距直線擬合實測值和預測值，直線的斜為模擬值，使用無截距直線擬合實測值和預測值，直線的斜率作為判斷一致性的指標。率作為判斷一致性的指標。uMEIMEI特性曲線特性曲線1.4 1.4 作物模型的評價與應用作物模型的評價與應用3 3、氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響、氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響溫度、降水、溫度、降水、COCO2 2濃度濃度對作物布局和產(chǎn)量水

13、平的影響對作物布局和產(chǎn)量水平的影響預測氣候?qū)θ祟惣Z食供應的影響預測氣候?qū)θ祟惣Z食供應的影響1 1、田間作物生產(chǎn)管理、田間作物生產(chǎn)管理播種時間播種時間播種密度播種密度灌溉時間與次數(shù)灌溉時間與次數(shù)肥料施用量肥料施用量4 4、農(nóng)場經(jīng)營管理和農(nóng)業(yè)政策制定、農(nóng)場經(jīng)營管理和農(nóng)業(yè)政策制定農(nóng)場主制定最佳田間管理策略農(nóng)場主制定最佳田間管理策略評價氣候與市場風險對產(chǎn)量及利潤評價氣候與市場風險對產(chǎn)量及利潤的影響的影響評價水土流失和污染情況評價水土流失和污染情況制定農(nóng)業(yè)政策和資源規(guī)劃的依據(jù)制定農(nóng)業(yè)政策和資源規(guī)劃的依據(jù)2 2、基于模型的專家系統(tǒng)開發(fā)基于模型的專家系統(tǒng)開發(fā)作物生長模型與專家系統(tǒng)結(jié)合作物生長模型與專家系統(tǒng)結(jié)

14、合準確性高準確性高應用范圍廣應用范圍廣農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)中的重要途經(jīng)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)中的重要途經(jīng)5 5、其他、其他作物育種作物育種教學、技術培訓教學、技術培訓科學研究等科學研究等1.5 1.5 作物模型存在的問題作物模型存在的問題u作物生理生態(tài)機理仍有待研究；作物生理生態(tài)機理仍有待研究；l冠層結(jié)構和光能利用率冠層結(jié)構和光能利用率 l水分和養(yǎng)分的脅迫機制及定量模擬水分和養(yǎng)分的脅迫機制及定量模擬l作物生長作物生長- -土壤水土壤水- -地下水耦合關系地下水耦合關系u模型的開發(fā)缺乏統(tǒng)一的方法和標準，模型通用性差；模型的開發(fā)缺乏統(tǒng)一的方法和標準，模型通用性差； u空間問題處理能力有待加強；空間問題處理能

15、力有待加強；u模型的可靠性和有效性檢驗存在困難；模型的可靠性和有效性檢驗存在困難；u模型應用時，參數(shù)的獲取、計算與估算方法仍很不完善。模型應用時，參數(shù)的獲取、計算與估算方法仍很不完善。u模型本土化仍存在諸多問題，應用效果不佳。模型本土化仍存在諸多問題，應用效果不佳。2 決策支持系統(tǒng)簡介決策支持系統(tǒng)簡介v DSS的定義的定義 v DSS的起源與發(fā)展的起源與發(fā)展 DSS的起源的起源 DSS的發(fā)展歷程的發(fā)展歷程 DSS的發(fā)展趨勢的發(fā)展趨勢v DSS的系統(tǒng)結(jié)構圖的系統(tǒng)結(jié)構圖v DSS在我國的應用在我國的應用2.1 DSS的定義的定義決策支持系統(tǒng)決策支持系統(tǒng)DSSDSS（Decision Support

16、 System）是輔助決策者通過數(shù)據(jù)、是輔助決策者通過數(shù)據(jù)、模型和知識，以人機交互方式進行半結(jié)構化或非結(jié)構化決策的計算機應用系模型和知識，以人機交互方式進行半結(jié)構化或非結(jié)構化決策的計算機應用系統(tǒng)統(tǒng)。DSS是是管理信息系統(tǒng)管理信息系統(tǒng)MIS 向更高一級發(fā)展而形成的。向更高一級發(fā)展而形成的。DSS為決策者為決策者提供分析問題、建立模型、模擬決策過程和方案的環(huán)境提供分析問題、建立模型、模擬決策過程和方案的環(huán)境，通，通過調(diào)用各種信息資源和分析工具，幫助決策者提高決策水平和質(zhì)量。過調(diào)用各種信息資源和分析工具，幫助決策者提高決策水平和質(zhì)量。2.2 DSS的起源與發(fā)展的起源與發(fā)展19711971年，年，Go

17、rry. G.A和和Scott. Morton首先提出決策支持系統(tǒng)的概念，為信息首先提出決策支持系統(tǒng)的概念，為信息科學和管理工作者提供了一個工具?？茖W和管理工作者提供了一個工具。 2020世紀世紀7070年代，年代，DSSDSS起步。主要標志是將起步。主要標志是將交互式技術交互式技術應用于管理任務；應用于管理任務； 7070年代后期，年代后期，DSSDSS實現(xiàn)支持管理者做出判斷。強調(diào)實現(xiàn)支持管理者做出判斷。強調(diào)“支持過程支持過程”； 7070年代末年代末8080年代初，年代初，DSSDSS開始流行。注重決策的開始流行。注重決策的“有效性有效性”； 8080年代中后期，實用年代中后期，實用DSS

18、DSS相繼涌現(xiàn)。注重系統(tǒng)相繼涌現(xiàn)。注重系統(tǒng)“柔性柔性”； 近年來，近年來，DSSDSS注重各種注重各種技術的綜合運用技術的綜合運用。2.2 DSS的起源與發(fā)展的起源與發(fā)展新一代新一代DSSDSS主要向以下幾個方向發(fā)展：主要向以下幾個方向發(fā)展：u群決策支持系統(tǒng)群決策支持系統(tǒng) GDSSu分布式?jīng)Q策支持系統(tǒng)分布式?jīng)Q策支持系統(tǒng) DDSSu智能決策支持系統(tǒng)智能決策支持系統(tǒng) IDSSu決策與支持中心決策與支持中心 DSCu綜合決策支持系統(tǒng)綜合決策支持系統(tǒng) SDSS發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢2.3 DSS的系統(tǒng)結(jié)構圖的系統(tǒng)結(jié)構圖2.4 DSS在我國的應用在我國的應用u 企業(yè)生產(chǎn)運作管理的決策企業(yè)生產(chǎn)運作管理的決策u

19、水資源調(diào)配與防洪預警系統(tǒng)水資源調(diào)配與防洪預警系統(tǒng)u 政府宏觀經(jīng)濟和公共管理政府宏觀經(jīng)濟和公共管理u 產(chǎn)業(yè)規(guī)劃與管理、資源開發(fā)與利用決策產(chǎn)業(yè)規(guī)劃與管理、資源開發(fā)與利用決策u 生態(tài)和環(huán)境控制系統(tǒng)以及自然災害的預防系統(tǒng)生態(tài)和環(huán)境控制系統(tǒng)以及自然災害的預防系統(tǒng)u 金融系統(tǒng)的投資決策與風險分析與管理金融系統(tǒng)的投資決策與風險分析與管理3 模型優(yōu)化及其發(fā)展趨勢模型優(yōu)化及其發(fā)展趨勢作物模型作物模型能預測作物生長發(fā)育過程及能預測作物生長發(fā)育過程及其與環(huán)境和技術的影響其與環(huán)境和技術的影響具有系統(tǒng)綜合和預測的功能具有系統(tǒng)綜合和預測的功能農(nóng)業(yè)信息技術農(nóng)業(yè)信息技術決策支持系統(tǒng)決策支持系統(tǒng)利用領域?qū)＜业慕?jīng)驗知識利用領域?qū)＜业慕?jīng)驗知識進行推理決策進行推理決策具有直接的管理決策功能具有直接的管理決策功能 難以直接進行生產(chǎn)系統(tǒng)決策難以直接進行生產(chǎn)系統(tǒng)決策 地域性和經(jīng)驗型較強地域性和經(jīng)驗型較強