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1、第四章第四章 农业模拟模型农业模拟模型第一节第一节 农业模拟模型的概念、特征与农业模拟模型的概念、特征与功能功能 ( (一一) )农业模拟模型的概念和类型农业模拟模型的概念和类型 1.1.模拟模型的概念模拟模型的概念 农业模拟模型以农业系统中的内在规律农业模拟模型以农业系统中的内在规律和相互关系为基础，综合系统内在特征、和相互关系为基础，综合系统内在特征、环境效应、技术调控之间的因果关系，是环境效应、技术调控之间的因果关系，是对系统成分及其相互关系的一种简化的数对系统成分及其相互关系的一种简化的数学表达。学表达。 2 2模拟模型的类型模拟模型的类型 农业模拟模型按不同的功能特征以及建农业模拟模
2、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模的目的和方法大致可以分为以下几种类型。型。 （1 1）经验）经验(Experiential)(Experiential)模型和机理模型和机理( (MechanistialMechanistial) )模型模型 前者建立在数据统计分析的基础上，较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。型的解释性和研究性。（2 2）描述性）描述性(Descriptive)(Descript
3、ive)模型和解释性模型和解释性( (ExplainatoryExplainatory) )模型模型 前者以简单的方式描述一个系统的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，模型较少行为，而对引起行为的机理，模型较少或根本不予以反映或根本不予以反映 。 后者由引起系统行为的机理和过程后者由引起系统行为的机理和过程的定量描述所组成，通过综合整个系统的定量描述所组成，通过综合整个系统的机理和过程描述来建立的。的机理和过程描述来建立的。 （3 3）统计）统计(Statistical)(Statistical)模型和过程模型和过程(Process)(Process)模型模型 前者是主要通
4、过对数据进行多重回前者是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，归来预测系统的表现，其解释性较差，存在较大的局限性，；后者用于定量描存在较大的局限性，；后者用于定量描述生物与非生物的一些基本过程，具有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。环境条件和生产系统。（4 4）应用）应用(Application)(Application)模型和研究模型和研究(Research)(Research)模型模型 前者主要倾向于应用推广，因而具有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单一
5、便于使用、较粗放和应用方向比较单一的特点；后者主要用于科研，对其机理的特点；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、参数性要求较高，因而具有操作复杂、参数较多、灵敏度高的特点。较多、灵敏度高的特点。 （二）、农业模拟模型的特征（二）、农业模拟模型的特征系统性；系统性； 对生物与非生物全过程进行系统、全对生物与非生物全过程进行系统、全面的分析与描述。面的分析与描述。动态性动态性 包括受环境因子和内在特性驱动的各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。程间的动态关系。 机理性机理性 在经验性或描述性的基
6、础上，通过进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。而提供对主要生理过程的理解或解释。预测性预测性 通过正确建立模型的主要驱动变量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。为提供可靠的定量预测。通用性通用性原则上适用于任何地点、时间和品种等条原则上适用于任何地点、时间和品种等条件。件。 便用性便用性可为非专家操作应用，可利用一般的气候、可为非专家操作应用，可
7、利用一般的气候、土壤及品种资料。土壤及品种资料。 灵活性灵活性可容易地进行修改和扩充以及与其它系统可容易地进行修改和扩充以及与其它系统相耦合。相耦合。1 1、与动态分析的比较、与动态分析的比较 模拟模型研究的主要对象是生物与非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而具有规律上的解释性以及连续的时空变化特征。化特征。研究性研究性除了应用性以外，还可用于不同领域的模除了应用性以外，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
8、足。素多、周期长、费用高等的不足。 动态分析的主要研究内容是不同时段系统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。述性和间断性的特点。2 2、与农业统计的比较、与农业统计的比较 （1 1）农业统计一般只对农业生产系统）农业统计一般只对农业生产系统的最终结果（如产量）进行比较，而不揭的最终结果（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关系。而农业模拟模型完全
9、可以揭示生物生长与生产过程及其动态关系，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帮助人们更好地理解生物生长和生产的机制与结果。制与结果。（2 2）农业统计一般只能考虑与结果（如）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、肥产量）有关的少数技术措施（如品种、肥料、密度等），无法用农业统计的方法综料、密度等），无法用农业统计的方法综合研究和分析。模拟模型可以对农业生产合研究和分析。模拟模型可以对农业生产系统进行综合。系统进行综合。分析和合成，同时考虑许多因子的作用，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。并可进行大量的
10、计算机模拟试验。 （3 3）农业统计的研究结果具有明显的地）农业统计的研究结果具有明显的地域性和季节性域性和季节性 ；而模拟模型同时受外部环；而模拟模型同时受外部环境和内在特征所驱动，因而具有较强的动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、态性和灵活性，可以应用于不同的地点、时间和生产系统。时间和生产系统。 （三）农业模拟模型的作用与功能（三）农业模拟模型的作用与功能 1 1模拟模型的意义模拟模型的意义 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
11、综合知识和量理性过程及其相互关系，即综合知识和量化关系。化关系。 2 2模拟模型的功能模拟模型的功能 理解、预测、调控。理解、预测、调控。 第二节第二节 农业系统的等级性和水平农业系统的等级性和水平 （一）农业生产系统的等级性（一）农业生产系统的等级性 根据系统分析的原理，农业生产系根据系统分析的原理，农业生产系统一般可分解成区域、农区、农田生态、统一般可分解成区域、农区、农田生态、作物群落、群体、个体、器官、组织、作物群落、群体、个体、器官、组织、细胞等不同层次或等级细胞等不同层次或等级 。 农业模拟研究的一般规则是，对于农业模拟研究的一般规则是，对于一个机理性和经验性兼顾的农业模拟模一个机
12、理性和经验性兼顾的农业模拟模型而言，模拟的层次应低于研究目标的型而言，模拟的层次应低于研究目标的两个级别。两个级别。 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（二）农业生产系统的水平和过程（二）农业生产系统的水平和过程 1 1光温潜力光温潜力 温光条件是任何作物模型的最基本驱动温光条件是任何作物模型的最基本驱动因子或驱动变量。光是驱动变量，使作物因子或驱动变量。光是驱动变量，使作物储存光合同化物，以后用于维持或生长。储存光合同化物，以后用于维持或生长。温度是一外界变量，能改变生长速率和光温度是一外界变量，能改变生长速率和光
13、合作用。合作用。 辐射强度、光能截取和利用效率是研究的辐射强度、光能截取和利用效率是研究的关键因子。关键因子。 2 2水分限制水分限制 作物生长至少在部分生长季节里受到作物生长至少在部分生长季节里受到水分可用性的限制。另外在土壤肥力较好水分可用性的限制。另外在土壤肥力较好及施肥水平较高的条件下，作物生长可能及施肥水平较高的条件下，作物生长可能受到灌溉条件的显著影响。受到灌溉条件的显著影响。 在这一水平，关键因子是土壤水分的蒸发在这一水平，关键因子是土壤水分的蒸发程度和作物利用效率。程度和作物利用效率。 3 3氮素调控氮素调控 氮素是作物生长所必需的元素之一，氮素是作物生长所必需的元素之一，氮素
14、的缺乏与否直接影响着作物的生长氮素的缺乏与否直接影响着作物的生长。4 4磷钾等养分的调控磷钾等养分的调控 作物生长有时还受土壤中磷、钾及其作物生长有时还受土壤中磷、钾及其他矿物元素的制约。这种情况通常发生在他矿物元素的制约。这种情况通常发生在土壤过度利用的农业生产系统或特殊土壤土壤过度利用的农业生产系统或特殊土壤理化性状的地区。理化性状的地区。5 5病虫草害等生物灾害的影响病虫草害等生物灾害的影响第三节第三节 农业系统模拟的原理与技术农业系统模拟的原理与技术（一）系统分析方法（一）系统分析方法 系统研究可分为两个主要领域或阶段，系统研究可分为两个主要领域或阶段，即系统分析和系统合成。系统分析是
15、将一即系统分析和系统合成。系统分析是将一个系统分解成主要成分，研究系统的成分个系统分解成主要成分，研究系统的成分及其关系，提供系统的定量描述（系统模及其关系，提供系统的定量描述（系统模型）来预测系统的行为。系统合成主要研型）来预测系统的行为。系统合成主要研究如何运用从系统分析中获得的知识或系究如何运用从系统分析中获得的知识或系统模型来改良系统（系统控制或系统管理）统模型来改良系统（系统控制或系统管理）或设计新系统（系统设计）。或设计新系统（系统设计）。 机理性或经验性的选择取决于以下四机理性或经验性的选择取决于以下四个因子：一是应用与研究，应用性模型有个因子：一是应用与研究，应用性模型有较强的
16、经验性，研究性模型则注重机理性；较强的经验性，研究性模型则注重机理性；二是资料的可用性，丰富的资料可深化对二是资料的可用性，丰富的资料可深化对机理性过程的认识。三是黑箱模拟的运用，机理性过程的认识。三是黑箱模拟的运用，有助于增强机理性，但要以合理的假设为有助于增强机理性，但要以合理的假设为基础。四是系统的级别，级别低的模型具基础。四是系统的级别，级别低的模型具有较强的机理性。有较强的机理性。 （二）机理性与经验性的关系（二）机理性与经验性的关系 机理性模型的优缺点是：具有内在机理性模型的优缺点是：具有内在的动态反馈机制、较强的解释性和广适的动态反馈机制、较强的解释性和广适性，但难以理解和使用、
17、输入多而输出性，但难以理解和使用、输入多而输出欠稳定。欠稳定。 经验性模型的优缺点主要表现为：容经验性模型的优缺点主要表现为：容易理解和使用、输入变量和资料少，但模易理解和使用、输入变量和资料少，但模型的解释性和广适性差。型的解释性和广适性差。 （三）模拟研究的尺度（三）模拟研究的尺度 农业模拟的尺度具有三维的特性：农业模拟的尺度具有三维的特性：时间性、空间性、复杂性。时间性、空间性、复杂性。模拟的时空模拟的时空尺度决定了适宜模型的选择及模拟方法尺度决定了适宜模型的选择及模拟方法的采用。大尺度模型往往注重宏观的经的采用。大尺度模型往往注重宏观的经验性和描述性，而小尺度模型则注重微验性和描述性，
18、而小尺度模型则注重微观的机理性和解释性。观的机理性和解释性。（四）支持研究（四）支持研究 一般认为，需要从事的农业模拟支持一般认为，需要从事的农业模拟支持研究主要有两个方面：一是已知因果关研究主要有两个方面：一是已知因果关系或基本模式，但缺乏特定的数量表达系或基本模式，但缺乏特定的数量表达或算法程序；二是相对不了解而有待探或算法程序；二是相对不了解而有待探索的某些过程，称为黑箱。索的某些过程，称为黑箱。（五）析因方法与系数化（五）析因方法与系数化 析因法的主要特征是以系数的形式来析因法的主要特征是以系数的形式来分别建立不同单因子的响应模型或效应因分别建立不同单因子的响应模型或效应因子模型，然后
19、以一定的数学方法来定量这子模型，然后以一定的数学方法来定量这些系数间的互作，即将多因子响应模式进些系数间的互作，即将多因子响应模式进行简化处理。行简化处理。系数化将效应因子的特征值系数化将效应因子的特征值一般设定在一般设定在0 01 1之间。之间。 系数互作的计算方法主要有最小法和系数互作的计算方法主要有最小法和乘积法。乘积法。最小法依据于最小因子法则，认最小法依据于最小因子法则，认为系统的表现主要受最小系数的限制。乘为系统的表现主要受最小系数的限制。乘积法则依据于不同因子的相互作用原则，积法则依据于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，而认为系统的表现同时受多因子的影响，
20、而并非与最小因子的水平呈线性关系。并非与最小因子的水平呈线性关系。 （六）遗传参数（六）遗传参数 遗传参数是指描述非逆境下品种基本遗传参数是指描述非逆境下品种基本遗传性状的一组特征值。一个品种的遗传遗传性状的一组特征值。一个品种的遗传系数一般以系数一般以10101515个左右为最适，最多不个左右为最适，最多不超过超过2020个。个。 例如在小麦作物的发育模型中，一般例如在小麦作物的发育模型中，一般包括生理春化时间、光周期敏感性因子、包括生理春化时间、光周期敏感性因子、灌浆持续期因子、基本早熟性因子灌浆持续期因子、基本早熟性因子4 4个品个品种遗传参数。种遗传参数。 （七）模型开发环境与工具（七
21、）模型开发环境与工具（八）构件化程序设计（八）构件化程序设计1 1构件化程序设计的特点构件化程序设计的特点（1 1）构件具有重用性；（）构件具有重用性；（2 2）构件的重用）构件的重用是黑箱重用，无须知道源代码；（是黑箱重用，无须知道源代码；（3 3）构）构件的重用不受开发环境的制约；（件的重用不受开发环境的制约；（4 4）即）即插即用，便于修改和维护。插即用，便于修改和维护。 构件的接口必须严格地标准化，这是构件的接口必须严格地标准化，这是构件技术成熟的标志之一。目前主要的构构件技术成熟的标志之一。目前主要的构件技术标准有件技术标准有MicrosoftMicrosoft公司的公司的COM/D
22、COMCOM/DCOM、OMGOMG组织的组织的CORBACORBA、Java Java 的的JavaBeans JavaBeans 和和EJBEJB等。等。 2 2软构件的基本标准软构件的基本标准（九）农业生长系统的表示方法（九）农业生长系统的表示方法 1 1系统的界定系统的界定 系统可用系统的成分、系统的界面和系统可用系统的成分、系统的界面和系统的环境来简化描述。系统的环境来简化描述。 系统成分主要指系统内部的组分，系系统成分主要指系统内部的组分，系统环境指系统的外部因素或驱动因子，统环境指系统的外部因素或驱动因子，系统界面是系统的内在成分与系统环境系统界面是系统的内在成分与系统环境之间的
23、抽象的分界线。之间的抽象的分界线。 系统边界温度、降水，太阳辐射作物土壤输出输入系统成分 图：作物系统的主要成分、系统的界面和系统的环境 2 2农业模拟模型的结构成分农业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第一亚系统为作物的阶段发育与物候期 ；第二亚系统为作物植株的形态发生与器官建第二亚系统为作物植株的形态发生与器官建成过程成过程 ；第三亚系统为植株的光能利用与同化物生产第三亚系统为植株的光能利用与同化物生产 ；第四亚系统为不同器官间的物质分配与利用第四亚系统为不同器官间的物质分配与利用 ；3 3、输入输出资料、输入输出资料 模型的输入资料以最少为原则，既可模型的输入资料以最少为原则，既可容易获得，又可简化模拟运算。容易获得，又可简化模拟运算。 模型的输出要求动态、完整、易于理模型的输出要求动态、完整、易于理解，具有先进的可视化及多媒体特点。解，具有先进的可视化及多媒体特点。 第五亚系统为土壤植物大气水分关系第五亚系统为土壤植物大气水分关系 ；第六亚系统为土壤养分第六亚系统为土壤养分( (氮素氮素) )动态与植株动态与植株利用利用
