第五讲 农业模型 计算机农林应用课件

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1、第五讲 农业模型主要内容 数字农业与农业模型 农业模型研究发展过程 农业模型的基本方法 作物模拟模型 农业模型应用与发展趋势主要内容n数字农业n模型与模型化n模型的类型n数学模型n农业模型及其特点n农业模型学第一部分 数字农业与农业模型1.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20世纪末 ，国际上形成了“数字农业”的概念。它预示着21世纪的农业将呈现 出一个以数字化为特征的崭新局面。参照“数字地球”、“数字战争”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： （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、 林业等）的各个要素与过程（生物的、

2、环境的、经济的）全面实现数 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（ 0，1）以及由二进制数字建成的数学模型或计算机模型来表达。 （2）数字农业要求各种农业信息技术最广泛地应用于农业。 （3）数字农业要求在农业的各个部门（生产、科研、教育、行政、流通 、服务等）全面地实施数字化与网络化的管理。一、数字农业2.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 建立，应该说是“数字农业”的前提。n 各种农业要素的数字化n 各种农业基本过程的数字化-农业数学模型n 各种农业的决策过程的数字化-农业计算机模型3.农业模型是农业信息技术的基础1.农业模

3、型与遥感技术2.农业模型与GIS3.农业模型与精确农业4.农业模型与数据库技术5.农业模型与因特网模型是模仿客观事物的一种物体。对客观事物构建模型的过程就成为“模型化”（Modeling）,也称为“模拟”（Simulation）。二、模型与模型化 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。 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 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：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。 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 的内在结构与性能。

4、如：机器结构图、工程设计图、电路图等。 数学模型 计算机模型三、模型的类型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： 1）现实性 2）抽象性 3）逻辑性 4）目的性 5）广泛性四、数学模型n建立一个数学模型一般需要以下步骤：1）建模准备2）模型假设3）模型构建4）模型检验5）模型应用n数学模型的类型 1）按数学方法来分类A.初等数学模型B.微分法模型C.微分方程模型D.变分法模型E.图论模型 2）按模型中事物发生机率分 G.确定性模型 H.随机性模型 3）按模型中事物运动状态分类 I.连续性模型 J.离散性模型四、农业模型农业模型是应用数学模型方法和计算机技术，分析影响农业生

5、产的主要因素气候、土壤、作物、社会、经济等,从而对农业生产进行定量研究。通过模型研究，可以在较短时间内，用较少的人力、物力和财力，得到可靠而优化的结果。模型并不与客观事物一一对应，它只是客观 事物的一种简化形式，然而它比客观事物更易于确定和更易于处理。农业数学模型和农业计算机模型1.概念2.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型：1、经验(Experiential)模型和机理(Mechanistial)模型前者建立在数据统计分析的基础上，较少涉及机理性，偏重于模型的预测性和应用性；后者对内在机理有较好的阐释，强调模型的解释 性和研究性。 2、描述性(Des

6、criptive)模型和解释性(Explainatory)模型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1）；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 行分析，并分别对它的过程和机理进行定量化表达（图2）。 图1 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 真实现象 描述性模型 计算 描述 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

7、拟系 统行为的图示 解释性模型系统 模拟 描述， 分析 模型化现象真实现象过程 过程 过程 过程 过程 过程 模型构建3、统计(Statistical)模型和过程(Process)模型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； 后者用于定量描述生物与非生物的一些基本过程，具有较好的机理性和解释性，适用于不同的环境条件和生产系统。 4、应用(Application)模型和研究(Research)模型 前者主要倾向于应用推广，因而具有便于使用、较粗放和应用方向比较

8、单一的特点；后者主要用于科研，对其机理性要求较高，因而 具有操作复杂、参数较多、灵敏度高的特点。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性模型，而从更宏观的层次看又都是机理性模型。因此，任何一个模拟模型都体现了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。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CERES系列模型和荷兰的SUCROS模型等。q 农业模型的

9、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8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。 1、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。2、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及不同生育过程间的动态关系。 3、机理性在经验性或描述性的基础上，通过进行深入的支持研究，模拟较为全面的系统等级水平，并将其进行有机结合，从而提供对主要生理过程的理解或解释。4、预测性通过正确建立模型的主要驱动变量及其与状态变量的动态关系，对系统行为提供可靠的定量预测。5、通用性原则上适用于任何地点、时间和品种等条件。6、便用性可为非专家操作应用，可利

10、用一般的气候、土壤及品种资料。7、灵活性可容易地进行修改和扩充以及与其它系统相耦合。8、研究性除了应用性以外，还可用于不同领域的模拟研究工作，从而避免实物研究中干扰因素多、周期长、费用高等的不足。 与动态分析的比较 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。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

11、动态曲线（图3）。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。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 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 与统计模型的比较 1、农业统计一般只对农业生产

12、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，帮助人们更好地理解生物生长和生产的机制与结果。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（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，并可进行大量的计算机模拟试验。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。而模拟模型同时受外部环

13、境和内在特征所驱动，因而具有较强的动态性和灵活性，可以应用于不同的地点、时间和生产系统。 q 农业模型的作用与功能 模拟模型的意义农业模拟模型最重要的意义是对整个农业生产系统的知识进行综合，并量化机理性过程及其相互关系，即综合知识和量化关系。模拟模型是利用计算机强大的信息处理和计算功能，对不同的生物与非生物过程进行系统分析和合成，其实质上相当于所研究系统的最新知识的积累和综合。同时，模拟研究在理解生物与非生物过程及其变量间关系的基础上，进行量化分析和数理模拟，从而促进了对生物与非生物规律由定性描述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。 模拟模型的功能成功的农业模拟

14、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：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、高效、生态、安全的可持续发展。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的研究进展的科学。五、农业模型学第二部分 农业模型研究的发展过程n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n作物模拟模型的研究进展 国际上：30年代开始；主要内容涉及人口增长、资源利用、作物生产

15、、畜禽饲养、病虫预测和环境控制。 中国发展情况 80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。一、农业生产模型的研究进展农业生物的模拟（60年代中后期开始） 这是农业系统模拟发展最快，成绩最显著的领域。农业环境的模拟 主要包括气象因子的生成（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。 二、农业系统各组分的模拟研究现状农业技术的模拟 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

16、。农业经济因素的模拟 包括农业再生产的投入与产出关系。SAaLb1Cb2Kb3Tb4 其中，b1至b4为弹性系数（即边际产量与平均产量的比值）；A为耕地面积；a为常数；C为流动性生产资料、K为固定生产资料对产投比的贡献；T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n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。n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。其中美国和荷兰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、块根类、棉花、牧草等十几种作物。 三、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五个阶段： n第一：思想萌芽阶段（1940年前）。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 。n第二：经验模型阶段（19411960）。伴随着农业气象学和统计学的发展，作物生长模拟