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

農(nóng)業(yè)信息技術(shù)導(dǎo)論李文峰liwf83@126.com云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室2第二章農(nóng)業(yè)模擬模型技術(shù)第一節(jié)：農(nóng)業(yè)模擬模型概述第二節(jié)：農(nóng)業(yè)模擬模型原理第三節(jié)：農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用第四節(jié)：農(nóng)業(yè)模擬模型的案例及發(fā)展2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室3第一節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型概述農(nóng)業(yè)模擬模型的概念切入：模擬用一種特定的形式模仿某一個客觀存在的事物系統(tǒng)模擬對一個復(fù)雜的系統(tǒng)進行全過程的動態(tài)模擬，系統(tǒng)模型是對系統(tǒng)成分及其相互關(guān)系的一種簡化的數(shù)學(xué)表達。復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和關(guān)系。模型模擬的體現(xiàn)形式模擬優(yōu)勢研究對象復(fù)雜、大范圍、長時間、交互、動態(tài)2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室4第一節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型概述農(nóng)業(yè)模擬模型的概念定義：模擬模型利用計算機技術(shù)和數(shù)學(xué)方法——模型求解——了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理變量（狀態(tài)變量、速率變量、驅(qū)動變量、輔助變量）+參數(shù)+常量作物模擬對象——原理——科學(xué)——內(nèi)容——方法——實現(xiàn)現(xiàn)實世界的抽象化抽象世界的模型化程序化研究解析和調(diào)試2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室5第一節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型概述農(nóng)業(yè)模擬模型的類型國內(nèi)外知名農(nóng)業(yè)模擬模型CERES、MAIZE、RICE、COTGRO……農(nóng)業(yè)模型的分類統(tǒng)計（經(jīng)驗）模型——機理模型描述性模型——解釋性模型預(yù)測模型——過程模型專用模型——通用模型2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室6第一節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型概述農(nóng)業(yè)模擬模型的作用在農(nóng)業(yè)科研中的作用表現(xiàn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中涉及的眾多因子（系統(tǒng)性）反映農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的時態(tài)變化和空間變化（動態(tài)性）超越時間和地點的限制（機理性）平行學(xué)科間的交叉融合農(nóng)業(yè)模擬模型在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用預(yù)測決策（適宜環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，確定限制因子，區(qū)劃，處方）2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室7第一節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型概述農(nóng)業(yè)模擬模型存在的問題系統(tǒng)機理的熟悉、多學(xué)科研究背景受數(shù)據(jù)和試驗條件限制，模型可靠性和精確性不能保證環(huán)境的復(fù)雜性模型的檢驗和驗證往往不足2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室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

區(qū)域

“世界”

農(nóng)區(qū)

農(nóng)田生態(tài)

植株個體

植株組成成分

(根、莖、葉等)

微觀組成成分

（氣孔、細胞、生化通道等）

管

理

\

研

究

（一）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的等級性根據(jù)系統(tǒng)分析原理，分為：區(qū)域、農(nóng)區(qū)、農(nóng)田生態(tài)、作物群落、群體、個體、器官、組織、細胞等不同層次或等級。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)容的計算機模擬模型。2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室9（二）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的水平和過程

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。以作物生產(chǎn)系統(tǒng)為例：根據(jù)生態(tài)限制因子對作物生理過程和生產(chǎn)系統(tǒng)的影響進行分類，按照產(chǎn)量遞減的順序，可以把作物生產(chǎn)系統(tǒng)分為五個水平：光溫潛力、水分限制、氮素調(diào)控、磷鉀等養(yǎng)分的調(diào)控、病蟲草害等生物災(zāi)害的影響第二節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型原理2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室10作物生產(chǎn)的等級水平1.潛在生產(chǎn)(potentialproduction)只受光、溫條件影響的作物生產(chǎn)2.水分限制生產(chǎn)(waterlimitedproduction)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)(nutrientlimitedproduction)只受光、溫、(水分和)養(yǎng)分條件影響的作物生產(chǎn)4.實際生產(chǎn)(actualproduction)——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attainableproduction.第二節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型原理2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室11CO2太陽輻射溫度作物特性潛在產(chǎn)量可獲得產(chǎn)量實際產(chǎn)量水分營養(yǎng)（氮、磷、鉀）雜草病害蟲害污染限制因子減產(chǎn)因子決定因子保護措施生產(chǎn)水平不同生產(chǎn)水平下與生長確定因子、限制因子、降低因子的關(guān)系圖第二節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型原理2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室12第一生產(chǎn)水平-光溫潛力輻射強度、光能截取和利用效率是研究生長速率的關(guān)鍵因子光溫：驅(qū)動變量光合效率：常數(shù)矩形：狀態(tài)變量閥符號：速率變量圓形：輔助變量下劃線：驅(qū)動變量和外界變量實線：表示物質(zhì)流虛線：表示信息流第二節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型原理2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室13

第二生產(chǎn)水平的系統(tǒng)關(guān)系圖第二節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型原理2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室14

第三生產(chǎn)水平的系統(tǒng)關(guān)系圖第二節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型原理2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室15

第四生產(chǎn)水平的系統(tǒng)關(guān)系圖第二節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型原理2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室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)建思想與原理構(gòu)建思想概念模型系統(tǒng)分析和數(shù)學(xué)表達綜合分析和程序化構(gòu)建原理三個假設(shè)數(shù)學(xué)表達式：E=f(xi,yi)一個農(nóng)業(yè)模型包含：組成要素、參量、變量、函數(shù)關(guān)系、約束條件、目標(biāo)函數(shù)。2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室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)建思想與原理與其他學(xué)科間的關(guān)系農(nóng)業(yè)科學(xué)與理論是基礎(chǔ)生物學(xué)、農(nóng)學(xué)等研究成果是內(nèi)涵和主線數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)提供方法和工具建立模型的基本方法實驗方法統(tǒng)計方法解析方法模糊數(shù)學(xué)方法2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室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)成分與過程作物系統(tǒng)的界定系統(tǒng)界面源庫關(guān)系參數(shù)和狀態(tài)變量作物模型的結(jié)構(gòu)成分根據(jù)研發(fā)過程分解為若干過程，通常系統(tǒng)可以劃分為六個相互關(guān)聯(lián)的亞系統(tǒng)2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室19模擬模型的結(jié)構(gòu)成分——第一亞系統(tǒng)：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)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?！诙喯到y(tǒng)：為作物植株的形態(tài)發(fā)生與器官建成過程。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)量等?！谌齺喯到y(tǒng)：為植株的光能利用與同化物生產(chǎn)。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算等。第二節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型原理2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室20模擬模型的結(jié)構(gòu)成分——第四亞系統(tǒng)：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)或分配指數(shù)和分配量的實時變化、器官的生長和大小、產(chǎn)量和品質(zhì)的決定等。第一~四亞系統(tǒng)：作物生長模型的基礎(chǔ)成分，研究的重點。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程，作物基因型差異則是系統(tǒng)運行的內(nèi)在動力。第二節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型原理2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室21模擬模型的結(jié)構(gòu)成分——第五亞系統(tǒng)：為土壤－植物－大氣水分關(guān)系。包括土壤水分的移動、吸收、蒸發(fā)蒸騰、植物組織的水分平衡等。——第六亞系統(tǒng)：為土壤養(yǎng)分(氮素)動態(tài)與植株利用。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。第五~六亞系統(tǒng)：受氣候和土壤環(huán)境因子影響較大，且通過土壤與根系過程間接地作用于作物的生育過程，同時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)單獨進行模擬。第二節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型原理2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室22模擬模型的構(gòu)成與過程構(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二部分：主要生理生態(tài)過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模擬模塊光截獲和光合作用、營養(yǎng)吸收和根系生長、干物質(zhì)分配、水分吸收與蒸騰、生長和呼吸、葉面積增長、作物發(fā)育和器官形成、衰老模型、田間管理模型。第二節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型原理2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室23模擬模型的構(gòu)成與過程過程驅(qū)動因子驅(qū)動模型運行作物自播種開始至成熟的生理生態(tài)過程得到產(chǎn)量、品質(zhì)、物候、效益等輸出模型的輸入輸入資料最少、容易獲取、簡化模擬過程，包括氣象、土壤、作物品種、管理四類模型的輸出表格、圖形、圖像、聲音、多媒體產(chǎn)品。第二節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型原理2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室24農(nóng)業(yè)模擬模型研究的尺度模擬尺度具有三維的特性：時間性、空間性、復(fù)雜性。1、模擬的時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：注重宏觀的經(jīng)驗性和描述性；——小尺度模型：注重微觀的機理性和解釋性。2、作物生長模擬研究時間步長取決于作物生長狀態(tài)變化的速率——生長相對快的時期：步長宜短一些；——生長相對慢的時期：步長可選大一些。作物生長模擬模型步長通常為1天：環(huán)境資料多為逐日資料、溫度等環(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1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2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室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系統(tǒng)分析數(shù)學(xué)模型計算機模擬數(shù)據(jù)分析生物學(xué)機理確立數(shù)學(xué)表達式計算機程序編制程序調(diào)制、修改檢驗和驗證模型檢驗?zāi)Ｐ挽`敏度分析模型驗證確定目標(biāo)、定義系統(tǒng)調(diào)查研究、定性分析系統(tǒng)模式框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動態(tài)圖2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室26第三節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用建立模型的方法線性選配技術(shù)根據(jù)模擬對象的動態(tài)變化曲線或響應(yīng)曲線，選配適宜的函數(shù)Logistic（生長）、理查德函數(shù)、指數(shù)函數(shù)分段函數(shù)、函數(shù)微分方程復(fù)雜模型各子模型的建立和模型裝配子模型相互獨立，相互制約和影響2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室27系數(shù)化技術(shù)與模型參數(shù)確定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程由多個環(huán)境因子所控制，定量這些因子的互作主要是通過單個因子的系數(shù)互作而非復(fù)合因子的多元回歸。1、析因法與系數(shù)化系數(shù)化將效應(yīng)因子的特征值一般設(shè)定在0－1之間第三節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室28系數(shù)化技術(shù)與模型參數(shù)確定2、系數(shù)互作的計算方法最小法和乘積法——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?！朔e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)同時受多因子的影響，而并非與最小因子的水平呈線性關(guān)系。一般情況下：——當(dāng)系統(tǒng)的因子水平較低時或表現(xiàn)限制因子作用時：最小法可能更合適?！?dāng)因子水平較高時或表現(xiàn)報酬遞減作用時：乘積法在理論和實踐上都更合適。第三節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室293、遺傳參數(shù)

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。一個品種的遺傳系數(shù)一般以10－15個左右為最適，最多不超過20個。遺傳參數(shù)的要求既要符合作物(動物)生理學(xué)的認(rèn)識和規(guī)律，又要為作物(動物)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。例如：在小麥發(fā)育模型中，一般包括生理春化時間、光周期敏感性因子、灌漿持續(xù)期因子、基本早熟性因子4個品種遺傳參數(shù)，分別體現(xiàn)了不同品種小麥在春化作用、光周期反應(yīng)及灌漿期長短、熱效應(yīng)方面的遺傳特性。遺傳參數(shù)一般依據(jù)試驗數(shù)據(jù)通過試錯法、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2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室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)確定模型參數(shù)確定方法求解法和試錯法求解法依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，建立擬合方程，對擬合方程進行轉(zhuǎn)換，確定初值利用多組試驗數(shù)據(jù)，驗證模型參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性（最小二乘法）試錯法根據(jù)模擬過程的合理變化趨勢，確定模型參數(shù)初值確定模型參數(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，直到趨勢一致，誤差逐漸減小，并取得最小誤差為止2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室31模型驗證與檢驗?zāi)Ｐ偷臋z驗包括對模型的敏感性分析、校正、核實、測驗等四個主要過程（1）敏感性分析是對模型靈敏度和動態(tài)性的測驗，分析模型對主要參數(shù)和變量反應(yīng)的靈敏度，測驗?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)與過程以及系統(tǒng)的成分。它可以看成是某種形式的假設(shè)模擬試驗。結(jié)果通常以±值來表示模型的反應(yīng)程度。第三節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室32模型驗證與檢驗如下表所示小麥階段發(fā)育的敏感性分析。

———————————————————————————————————

發(fā)

育

階

段

——————————————————

二棱期

頂小穗形成期

抽穗期

——————————————————————————————————————————

參數(shù)

變幅*

（天數(shù)）

——————————————————————————————————————————

溫度（oC）

-2

+25

+10

+10

+2

-14

-15

-11

日長（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

————————————————————————————————————

*以小麥在南京種植為模擬對照，春化要求天數(shù)為20天，光周期敏感性為0.004。

第三節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室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)境和資料參數(shù)，主要檢驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)的綜合表現(xiàn)及對綜合變量的反應(yīng)。（3）核實核實是指模型是否適用于模型研制以外的完全獨立的資料，是多年、多點、多試驗觀測值與模擬值的比較。采用如下方法：——一是：將模擬結(jié)果與實際結(jié)果進行回歸分析，但模擬值與觀測值的顯著相關(guān)不足以證明模型的可靠性和預(yù)測性，因為當(dāng)模型的模擬結(jié)果與觀測值都顯著相關(guān)時，二者之間的差異有可能變化很大。——二是：將實際結(jié)果與模擬結(jié)果按同一時間坐標(biāo)繪1:1圖進行比較（見下圖）。第三節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室34——三是：檢驗?zāi)M與實際值的平均誤差。其中模擬值與實際值的平均誤差可以通過以下一些統(tǒng)計方法計算得到：

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

觀測值

模擬值

第三節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室351）平均離差（MeanDeviation，MD）

MD＝（ΣERRi）/nERRi＝Y(jié)i－Xi其中，n為為樣本數(shù)；Yi和Xi為第i次的模擬值和實測值。2）平均預(yù)測誤差（MeanPredictionError，MPE）

MPE=(Σ|DERi|)/nERRi＝Y(jié)i－Xi3）預(yù)測均方法（MeanSquareErrorofPrediction，MSEP）。

MSEP=（ΣERRi）2/n

ERRi＝Y(jié)i－Xi4）均方差根（RootMeanSquareError，RMSE）

第三節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室365）擬合指數(shù)（AgreeementIndex，AI）1減去預(yù)測值與實際值之差的絕對值除以實際值，反映模擬符合程度，AI＝l時誤差最小。AI＝l－|Yi－Xi|/Xi6）偏斜度（Bias）模擬值與實際值無截距回歸方程斜率與1的偏差，表示通過原點的擬合直線與1：1線的偏斜程度（％）。BIAS＝100·（b0-1）式中b0為模擬值與實際值之間的0截距直線回歸方程（截距α＝0）的斜率。7）直接比較單個模擬值的絕對誤差和相對誤差絕對誤差：ERRi＝Y(jié)i－Xi相對誤差：RE＝ERRi/Xi第三節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室37（4）測驗測驗是比較各種環(huán)境下的模擬值與預(yù)測值，可看作是一個持續(xù)的模型核實過程。如果在測驗過程中發(fā)現(xiàn)明顯的偏差，可能還得重復(fù)上述模型校正和核實的整個過程，并對模型算法進行必要的修訂和改進。2、模型的改進模型的改進則是在檢驗?zāi)Ｐ偷倪^程中，對模型進行必要的改進與完善。

第三節(jié)農(nóng)業(yè)模擬模型的研發(fā)與應(yīng)用2024/6/4云南省高校農(nóng)業(yè)信息