作物模型与决策支持系统研究进展

1、 作物模型与决策支持系统研究进展作物模型与决策支持系统研究进展汇汇 报报 人：王文佳人：王文佳指导老师：冯指导老师：冯 浩浩汇报内容汇报内容 作物模型简介作物模型简介1决策支持系统简介决策支持系统简介2模型优化及其发展趋势模型优化及其发展趋势31 作物模型简介v 1.1 1.1 作物模型的定义作物模型的定义 v 1.2 1.2 作物建模机理作物建模机理v 1.3 1.3 作物模型的起源与发展作物模型的起源与发展 1.3.1 模型的起源模型的起源 1.3.2 模型的发展历程模型的发展历程 1.3.3 模型的发展现状模型的发展现状v 1.4 1.4 作物模型的评价及应用作物模型的评价及应用v 1.

2、5 1.5 存在的问题存在的问题1.1 1.1 作物模型的定义作物模型的定义作物模型作物模型就是用系统分析方法和计算机模拟技术，对作物生长发育过就是用系统分析方法和计算机模拟技术，对作物生长发育过程及其与环境的动态关系进行定量描述和预测。程及其与环境的动态关系进行定量描述和预测。它具有它具有系统性系统性、动态性动态性、机制性机制性与与预测性预测性，更重要的是具有，更重要的是具有通用性通用性，适，适用于任何地点、时间和品种，不受地区、时间、品种与栽培技术差异的用于任何地点、时间和品种，不受地区、时间、品种与栽培技术差异的限制。因而，作物生长模型在诸多领域得到了广泛的应用。限制。因而，作物生长模型

3、在诸多领域得到了广泛的应用。1.2 1.2 建模机理建模机理作物生产系统的状态在任何时刻都能够作物生产系统的状态在任何时刻都能够定量表达定量表达该状态中的各种物理、化学和生理机制的变化可用该状态中的各种物理、化学和生理机制的变化可用各种数学方程描述各种数学方程描述作物在作物在较短时间间隔较短时间间隔内物理、化学和生理过程内物理、化学和生理过程不发生较大的变化不发生较大的变化 可对一系列的过程（如光合、呼吸、蒸腾、生长等）进行可对一系列的过程（如光合、呼吸、蒸腾、生长等）进行估算估算，并，并逐时累加为逐时累加为日过程日过程，再逐日累加为，再逐日累加为生长季生长季，最后计算出，最后计算出整个生长期

4、整个生长期的干物质产量或可收获的作物产量。的干物质产量或可收获的作物产量。建模假设建模假设模型研制模型研制模型应用模型应用模型优化模型优化1.3 1.3 作物模型的起源与发展作物模型的起源与发展1.3 1.3 作物模型的起源与发展作物模型的起源与发展1965年年，de Wit 对叶冠层的光合作用进行了研究，奠定了作物生长动态对叶冠层的光合作用进行了研究，奠定了作物生长动态模拟模型基础。模拟模型基础。 2020世纪世纪6060年代年代, , 由于已经能对植物生理过程（如冠层光能截获及光合作由于已经能对植物生理过程（如冠层光能截获及光合作用）进行很好的数学描述，作物生长动态模拟模型的研究开始起步。

5、用）进行很好的数学描述，作物生长动态模拟模型的研究开始起步。同期，大型计算机的出现，推动了模型研究的迅速发展。同期，大型计算机的出现，推动了模型研究的迅速发展。另外，联合国教科文组织（另外，联合国教科文组织（UNESCOUNESCO）的国际生物学计划）的国际生物学计划（IBP, 19641974）的实施的实施, , 也极大地促进了作物模型研究工作的开展。也极大地促进了作物模型研究工作的开展。起源起源荷兰荷兰ELCROS BACROSPHOTONARID CROPSUCROSWOFOSTMACROSORYZALINTUL美国美国CERESCROPGRODSSATGOSSYMEPICCropSys

6、tALMANACCENTURY澳大利亚澳大利亚APSIM中国中国水稻水稻（RCSODS）小麦小麦（WCSODS）玉米玉米（MCSODS）棉花棉花（CCSODS）油菜油菜（OCSODS）大豆大豆（SCSODS）模型介绍模型介绍1.3.1 1.3.1 荷兰作物模型系列荷兰作物模型系列阶段阶段模型简称模型简称模型全称模型全称特点特点探索探索阶段阶段1965-1980ELCROSELementary CROp Simulationde Wit第一个模型第一个模型BACROSBasic CROp growth Simulation首次将呼吸作用引入模型首次将呼吸作用引入模型PHOTONSimulatio

7、n of PHOTOsynthesis and transpiratioN精细考虑了气孔行为精细考虑了气孔行为时间步长为秒时间步长为秒Arid CropArid Crop水分平衡模型水分平衡模型面向实面向实际应用际应用阶段阶段1980-1990SUCROSSimple and Universal CROp growth Simulationde Wit第一个概要模型第一个概要模型WOFOSTWOrld FOod STudies 最早面向应用的模型之一最早面向应用的模型之一MACROSModules of an Annual CROp Simulator 为半湿润热带作物开发为半湿润热带作物开发

8、ORYZAoryza成功的水稻模型系列成功的水稻模型系列实际操实际操作阶段作阶段LINTULLight INTerception and UtiLization空间尺度扩大时的简化模型空间尺度扩大时的简化模型uDSSAT：模型中的贵族模型中的贵族 CERES：作物作物环境环境资源综合系统；资源综合系统；CROPGRO：主要模拟豆类作物的生长、发育和产量形成过程；主要模拟豆类作物的生长、发育和产量形成过程；CANEGRO等。等。uCropSyst：参数较少，更容易校准参数较少，更容易校准；uALMANAC:在在EPIC的基础上增加了作物生长成分研制而成；的基础上增加了作物生长成分研制而成；uCE

9、NTURY：评价农田生态系统土壤有机碳演变最有效的工具；评价农田生态系统土壤有机碳演变最有效的工具；uGOSSYM/COMAX：美国棉花专家管理计算机模拟系统；美国棉花专家管理计算机模拟系统；uAquaCrop：FAO最新推出模型，对土壤水分较为敏感。最新推出模型，对土壤水分较为敏感。1.3.21.3.2 美国作物模型系列美国作物模型系列APSIM（Agricultural Production System sIMulator）是澳大利亚系列作物是澳大利亚系列作物模型的总称模型的总称，是由APSRU小组在过去10多年内开发的。模拟核心突出的是土壤土壤。土壤特征变量的连续变化。土壤特征变量的连

10、续变化被作为模拟的中心。目前对施肥施肥、灌溉灌溉、土壤侵蚀土壤侵蚀、土壤氮素土壤氮素和磷素平衡磷素平衡、土壤温度土壤温度、土壤水分土壤水分平衡平衡、溶质运移溶质运移、残茬分解残茬分解等过程均有相应模块均有相应模块。可以使用户选择模块配置一个自己的作物模型配置一个自己的作物模型，模块之间的逻辑联系可以简单的通过模块的模块的“拔插拔插”来规定。用户友好的界面用户友好的界面使非建模者在使用APSIM时非常容易。1.3.3 1.3.3 澳大利亚作物模型系列澳大利亚作物模型系列1.3.41.3.4 我国作物模型系列我国作物模型系列u 20世纪80年代初引进荷兰和美国的模型；u 1988年高亮之的水稻钟模

11、型水稻钟模型RICEMOD是国内自己推出的首个作物模型；u 中国将作物生长模型、栽培优化模型或知识模型与专家系统作物生长模型、栽培优化模型或知识模型与专家系统相结合，形成了CCSODS系列模型系列模型作物计算机模拟优化决策系统。RCSODSCCSODSWCSODSMCSODSOCSODSSCSODSCCSODS系列模型系列模型1.4 1.4 作物模型的评价与应用作物模型的评价与应用数值比较法数值比较法u描述性统计：平均值、中值、极值、变异系数等。描述性统计：平均值、中值、极值、变异系数等。u均方根误差方法均方根误差方法RMSE：度量模型值与实测值的相对差异程度。：度量模型值与实测值的相对差异程

12、度。u配对配对t t检验检验u一致性指数一致性指数d ( (the index of agreement) )：检验模拟值和实测值的吻合度。：检验模拟值和实测值的吻合度。u相关系数相关系数r图形法图形法u令令X X为实测值，为实测值，Y Y为模拟值，使用无截距直线拟合实测值和预测值，直线的斜为模拟值，使用无截距直线拟合实测值和预测值，直线的斜率作为判断一致性的指标。率作为判断一致性的指标。uMEIMEI特性曲线特性曲线1.4 1.4 作物模型的评价与应用作物模型的评价与应用3 3、气候变化对农业生产的影响、气候变化对农业生产的影响温度、降水、温度、降水、COCO2 2浓度浓度对作物布局和产量水

13、平的影响对作物布局和产量水平的影响预测气候对人类粮食供应的影响预测气候对人类粮食供应的影响1 1、田间作物生产管理、田间作物生产管理播种时间播种时间播种密度播种密度灌溉时间与次数灌溉时间与次数肥料施用量肥料施用量4 4、农场经营管理和农业政策制定、农场经营管理和农业政策制定农场主制定最佳田间管理策略农场主制定最佳田间管理策略评价气候与市场风险对产量及利润评价气候与市场风险对产量及利润的影响的影响评价水土流失和污染情况评价水土流失和污染情况制定农业政策和资源规划的依据制定农业政策和资源规划的依据2 2、基于模型的专家系统开发基于模型的专家系统开发作物生长模型与专家系统结合作物生长模型与专家系统结

14、合准确性高准确性高应用范围广应用范围广农业专家系统开发中的重要途经农业专家系统开发中的重要途经5 5、其他、其他作物育种作物育种教学、技术培训教学、技术培训科学研究等科学研究等1.5 1.5 作物模型存在的问题作物模型存在的问题u作物生理生态机理仍有待研究；作物生理生态机理仍有待研究；l冠层结构和光能利用率冠层结构和光能利用率 l水分和养分的胁迫机制及定量模拟水分和养分的胁迫机制及定量模拟l作物生长作物生长- -土壤水土壤水- -地下水耦合关系地下水耦合关系u模型的开发缺乏统一的方法和标准，模型通用性差；模型的开发缺乏统一的方法和标准，模型通用性差； u空间问题处理能力有待加强；空间问题处理能

15、力有待加强；u模型的可靠性和有效性检验存在困难；模型的可靠性和有效性检验存在困难；u模型应用时，参数的获取、计算与估算方法仍很不完善。模型应用时，参数的获取、计算与估算方法仍很不完善。u模型本土化仍存在诸多问题，应用效果不佳。模型本土化仍存在诸多问题，应用效果不佳。2 决策支持系统简介决策支持系统简介v DSS的定义的定义 v DSS的起源与发展的起源与发展 DSS的起源的起源 DSS的发展历程的发展历程 DSS的发展趋势的发展趋势v DSS的系统结构图的系统结构图v DSS在我国的应用在我国的应用2.1 DSS的定义的定义决策支持系统决策支持系统DSSDSS（Decision Support

16、 System）是辅助决策者通过数据、是辅助决策者通过数据、模型和知识，以人机交互方式进行半结构化或非结构化决策的计算机应用系模型和知识，以人机交互方式进行半结构化或非结构化决策的计算机应用系统统。DSS是是管理信息系统管理信息系统MIS 向更高一级发展而形成的。向更高一级发展而形成的。DSS为决策者为决策者提供分析问题、建立模型、模拟决策过程和方案的环境提供分析问题、建立模型、模拟决策过程和方案的环境，通，通过调用各种信息资源和分析工具，帮助决策者提高决策水平和质量。过调用各种信息资源和分析工具，帮助决策者提高决策水平和质量。2.2 DSS的起源与发展的起源与发展19711971年，年，Go

17、rry. G.A和和Scott. Morton首先提出决策支持系统的概念，为信息首先提出决策支持系统的概念，为信息科学和管理工作者提供了一个工具。科学和管理工作者提供了一个工具。 2020世纪世纪7070年代，年代，DSSDSS起步。主要标志是将起步。主要标志是将交互式技术交互式技术应用于管理任务；应用于管理任务； 7070年代后期，年代后期，DSSDSS实现支持管理者做出判断。强调实现支持管理者做出判断。强调“支持过程支持过程”； 7070年代末年代末8080年代初，年代初，DSSDSS开始流行。注重决策的开始流行。注重决策的“有效性有效性”； 8080年代中后期，实用年代中后期，实用DSS

18、DSS相继涌现。注重系统相继涌现。注重系统“柔性柔性”； 近年来，近年来，DSSDSS注重各种注重各种技术的综合运用技术的综合运用。2.2 DSS的起源与发展的起源与发展新一代新一代DSSDSS主要向以下几个方向发展：主要向以下几个方向发展：u群决策支持系统群决策支持系统 GDSSu分布式决策支持系统分布式决策支持系统 DDSSu智能决策支持系统智能决策支持系统 IDSSu决策与支持中心决策与支持中心 DSCu综合决策支持系统综合决策支持系统 SDSS发展趋势发展趋势2.3 DSS的系统结构图的系统结构图2.4 DSS在我国的应用在我国的应用u 企业生产运作管理的决策企业生产运作管理的决策u

19、水资源调配与防洪预警系统水资源调配与防洪预警系统u 政府宏观经济和公共管理政府宏观经济和公共管理u 产业规划与管理、资源开发与利用决策产业规划与管理、资源开发与利用决策u 生态和环境控制系统以及自然灾害的预防系统生态和环境控制系统以及自然灾害的预防系统u 金融系统的投资决策与风险分析与管理金融系统的投资决策与风险分析与管理3 模型优化及其发展趋势模型优化及其发展趋势作物模型作物模型能预测作物生长发育过程及能预测作物生长发育过程及其与环境和技术的影响其与环境和技术的影响具有系统综合和预测的功能具有系统综合和预测的功能农业信息技术农业信息技术决策支持系统决策支持系统利用领域专家的经验知识利用领域专家的经验知识进行推理决策进行推理决策具有直接的管理决策功能具有直接的管理决策功能 难以直接进行生产系统决策难以直接进行生产系统决策 地域性和经验型较强地域性和经验型较强