第三章 作物生长的模型模拟-end.ppt

第三章、作物生长的模型模拟 农业信息技术 施万喜 2007.10 课程内容 第一节、作物生长模拟模型的基本概念 第二节、作物生长模拟模型的研究内容和方法 第三节、国内外影响较大的几个应用性作物模 拟模型介绍 第一节、作物生长模拟模型的基本概念 有关概念 模型 模拟 作物生长模型模拟 模型 所谓模型(model)就是客观世界的一个表征和体现,同时又是客观世界的抽象和概括,是以某种形式对一个系统的本质属性的描述,以揭示系统的功能、行为及其变化规律。模型是对客观规律的一般描述，人们通过对模型的认识增强对付复杂的大规模问题的处理能力。 按其形式，模型可以是对象的实体代表，如实物模型、标本等；也可以是对象的概念代表，如网络图、流程图、数学公式等等。 人们认识和研究客观世界一般有三种方法:逻辑推理法、实验法和模型法。其中模型法是我们了解和探索客观世界的最有力、最方便、最有效的方法。 a）建立模型 建立模型就是专家学者探索事物的发展过程中抽象出它们的数学模型，这项工作是创造性的工作需要在费大量精力和敏感思维来得到规律性和相似的数学模型，建立模型后求解。 b) 使用模型 模型是辅肋决策的重要手段，利用辅助决策的实例如下：投入产生模型、层次分析模型、规划类模型 模拟 模拟(Simulation)即仿真，迄今对之尚无统一的定义。Hartmut Bossel认为，模拟就是在一定的时间、周期及一系列假设的外部条件和初始条件下，对模型进行计算。 模拟(simulation)就是利用模型来进行试验、分析和推演，以获得对被研究对象的认识。 作物生长模拟模型的概念 作物生长模拟模型(Crop Growth Simulation Model)是指能定量地和动态地描述作物生长、发育和产量形成的过程及其对环境反应的计算机模拟程序。它是对气候、土壤、作物和管理复杂系统的简化表达形式,是采用系统分析的方法,综合作物生理、生态、农业气象、土壤和农学等学科的知识和研究成果,对作物生育和产量形成的试验结果加以理论概括与数据量化,建立作物生育动态及其环境间关系的动态数学模型,应用计算机数值计算与模拟技术,实现描述和表达作物生产系统的运行状态和结果。 经验模型(empirical model) 经验模型(empirical model)，又叫回归模型、描述性模型，黑箱模型等，是通过对大量数据资料进行统计分析确定得到的研究因子相互之间的关系。此类模型很少反映系统行为的机理。 机理模型(mechanistic model) 机理模型(mechanistic model)，又称动力学模型、解释性模型，过程模型等。它以动力学为原理描述环境因子、栽培管理与作物生长、形态发育和产量形成过程的关系，模型是建立在对作物的生理机制、环境因子、栽培管理技术等相互关系清晰认识和理解的基础之上，并通过数学方程式对其进行准确合理的定量化表达。 机理模型可以是静态型（模型中不含时间变量）或动态型模型（模型中明显含时间变量）。 第二节、作物生长模拟模型的研究内容和方法 1.作物生长模拟模型的产生与发展 作物生产系统是一个由自然（包括作物、土壤、大气和其他生物等）和社会（人、经济、技术和政治制度等）所组成的复合生态系统。作物生产系统中各子系统以及各子系统的要素之间的关系十分错综复杂，如要用数学语言来表述这种关系，则多呈非线性关系，如施氮量与小麦群体生长的关系、温度与生长速率的关系、生育期与分蘖消长的关系等，且其变化过程多为连续的、缓慢的、动态的。 思想萌芽阶段（经验模型阶段） 作物模拟研究思想产生于作物生长分析方法，该方法的要旨是应用数学描述方法（主要用微积分法）研究作物的生长过程。 世纪初，Gregory(1917)和Blackman(1919)提出作物生长分析法，认为既然作物产量都是以干物质重量来衡量，那么作物生长分析就应以植株干物质增长过程为中心进行研究。生长分析法的实际操作就是每隔一定天数进行取样，测定叶面积和各器官干物重。这一方法与光合作用这一生理功能密切结合。Gregory据此建立了作物生长净同化率模型；Blackman则认为作物干物质生产增长率符合“复利法则”模型。1921年Fisher总结两人的思想提出了作物相对生长率模型。 作物生长分析法开始主要用于干物质重、叶面积、净同化率等的计算和冠层光合作用的研究，其后逐渐发展到光合作用的模拟研究。 机理模型阶段 由于相关分析和回归分析方法并不能对有关数量关系从机理上作合理解释，且回归参数的生物意义不甚明确。因此，人们开始广泛而深入的作物生长机理模型研究。所谓机理模型是用水平i-1上的属性来描述水平i上各属性的行为；而经验模型仅在水平i上工作，建立水平i上各属性的相关关系（如图）。 自60年代以来，以美国、荷兰、（前）