作物模型與決策支持系統(tǒng)研究進(jìn)展

1、 作物模型與決策支持系統(tǒng)研究進(jìn)展作物模型與決策支持系統(tǒng)研究進(jìn)展匯匯 報(bào)報(bào) 人：王文佳人：王文佳指導(dǎo)老師：馮指導(dǎo)老師：馮 浩浩匯報(bào)內(nèi)容匯報(bào)內(nèi)容 作物模型簡(jiǎn)介作物模型簡(jiǎn)介1決策支持系統(tǒng)簡(jiǎn)介決策支持系統(tǒng)簡(jiǎn)介2模型優(yōu)化及其發(fā)展趨勢(shì)模型優(yōu)化及其發(fā)展趨勢(shì)31 作物模型簡(jiǎn)介v 1.1 1.1 作物模型的定義作物模型的定義 v 1.2 1.2 作物建模機(jī)理作物建模機(jī)理v 1.3 1.3 作物模型的起源與發(fā)展作物模型的起源與發(fā)展 1.3.1 模型的起源模型的起源 1.3.2 模型的發(fā)展歷程模型的發(fā)展歷程 1.3.3 模型的發(fā)展現(xiàn)狀模型的發(fā)展現(xiàn)狀v 1.4 1.4 作物模型的評(píng)價(jià)及應(yīng)用作物模型的評(píng)價(jià)及應(yīng)用v 1.

2、5 1.5 存在的問(wèn)題存在的問(wèn)題1.1 1.1 作物模型的定義作物模型的定義作物模型作物模型就是用系統(tǒng)分析方法和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)就是用系統(tǒng)分析方法和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程及其與環(huán)境的動(dòng)態(tài)關(guān)系進(jìn)行定量描述和預(yù)測(cè)。程及其與環(huán)境的動(dòng)態(tài)關(guān)系進(jìn)行定量描述和預(yù)測(cè)。它具有它具有系統(tǒng)性系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)性動(dòng)態(tài)性、機(jī)制性機(jī)制性與與預(yù)測(cè)性預(yù)測(cè)性，更重要的是具有，更重要的是具有通用性通用性，適，適用于任何地點(diǎn)、時(shí)間和品種，不受地區(qū)、時(shí)間、品種與栽培技術(shù)差異的用于任何地點(diǎn)、時(shí)間和品種，不受地區(qū)、時(shí)間、品種與栽培技術(shù)差異的限制。因而，作物生長(zhǎng)模型在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。限制。因而，作物生長(zhǎng)模型

3、在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1.2 1.2 建模機(jī)理建模機(jī)理作物生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)在任何時(shí)刻都能夠作物生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)在任何時(shí)刻都能夠定量表達(dá)定量表達(dá)該狀態(tài)中的各種物理、化學(xué)和生理機(jī)制的變化可用該狀態(tài)中的各種物理、化學(xué)和生理機(jī)制的變化可用各種數(shù)學(xué)方程描述各種數(shù)學(xué)方程描述作物在作物在較短時(shí)間間隔較短時(shí)間間隔內(nèi)物理、化學(xué)和生理過(guò)程內(nèi)物理、化學(xué)和生理過(guò)程不發(fā)生較大的變化不發(fā)生較大的變化 可對(duì)一系列的過(guò)程（如光合、呼吸、蒸騰、生長(zhǎng)等）進(jìn)行可對(duì)一系列的過(guò)程（如光合、呼吸、蒸騰、生長(zhǎng)等）進(jìn)行估算估算，并，并逐時(shí)累加為逐時(shí)累加為日過(guò)程日過(guò)程，再逐日累加為，再逐日累加為生長(zhǎng)季生長(zhǎng)季，最后計(jì)算出，最后計(jì)算出整個(gè)生長(zhǎng)期

4、整個(gè)生長(zhǎng)期的干物質(zhì)產(chǎn)量或可收獲的作物產(chǎn)量。的干物質(zhì)產(chǎn)量或可收獲的作物產(chǎn)量。建模假設(shè)建模假設(shè)模型研制模型研制模型應(yīng)用模型應(yīng)用模型優(yōu)化模型優(yōu)化1.3 1.3 作物模型的起源與發(fā)展作物模型的起源與發(fā)展1.3 1.3 作物模型的起源與發(fā)展作物模型的起源與發(fā)展1965年年，de Wit 對(duì)葉冠層的光合作用進(jìn)行了研究，奠定了作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)對(duì)葉冠層的光合作用進(jìn)行了研究，奠定了作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)模擬模型基礎(chǔ)。模擬模型基礎(chǔ)。 2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代年代, , 由于已經(jīng)能對(duì)植物生理過(guò)程（如冠層光能截獲及光合作由于已經(jīng)能對(duì)植物生理過(guò)程（如冠層光能截獲及光合作用）進(jìn)行很好的數(shù)學(xué)描述，作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)模擬模型的研究開(kāi)始起步。

5、用）進(jìn)行很好的數(shù)學(xué)描述，作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)模擬模型的研究開(kāi)始起步。同期，大型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，推動(dòng)了模型研究的迅速發(fā)展。同期，大型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，推動(dòng)了模型研究的迅速發(fā)展。另外，聯(lián)合國(guó)教科文組織（另外，聯(lián)合國(guó)教科文組織（UNESCOUNESCO）的國(guó)際生物學(xué)計(jì)劃）的國(guó)際生物學(xué)計(jì)劃（IBP, 19641974）的實(shí)施的實(shí)施, , 也極大地促進(jìn)了作物模型研究工作的開(kāi)展。也極大地促進(jìn)了作物模型研究工作的開(kāi)展。起源起源荷蘭荷蘭ELCROS BACROSPHOTONARID CROPSUCROSWOFOSTMACROSORYZALINTUL美國(guó)美國(guó)CERESCROPGRODSSATGOSSYMEPICCropSys

6、tALMANACCENTURY澳大利亞澳大利亞APSIM中國(guó)中國(guó)水稻水稻（RCSODS）小麥小麥（WCSODS）玉米玉米（MCSODS）棉花棉花（CCSODS）油菜油菜（OCSODS）大豆大豆（SCSODS）模型介紹模型介紹1.3.1 1.3.1 荷蘭作物模型系列荷蘭作物模型系列階段階段模型簡(jiǎn)稱(chēng)模型簡(jiǎn)稱(chēng)模型全稱(chēng)模型全稱(chēng)特點(diǎn)特點(diǎn)探索探索階段階段1965-1980ELCROSELementary CROp Simulationde Wit第一個(gè)模型第一個(gè)模型BACROSBasic CROp growth Simulation首次將呼吸作用引入模型首次將呼吸作用引入模型PHOTONSimulatio

7、n of PHOTOsynthesis and transpiratioN精細(xì)考慮了氣孔行為精細(xì)考慮了氣孔行為時(shí)間步長(zhǎng)為秒時(shí)間步長(zhǎng)為秒Arid CropArid Crop水分平衡模型水分平衡模型面向?qū)嵜嫦驅(qū)嶋H應(yīng)用際應(yīng)用階段階段1980-1990SUCROSSimple and Universal CROp growth Simulationde Wit第一個(gè)概要模型第一個(gè)概要模型WOFOSTWOrld FOod STudies 最早面向應(yīng)用的模型之一最早面向應(yīng)用的模型之一MACROSModules of an Annual CROp Simulator 為半濕潤(rùn)熱帶作物開(kāi)發(fā)為半濕潤(rùn)熱帶作物開(kāi)發(fā)

8、ORYZAoryza成功的水稻模型系列成功的水稻模型系列實(shí)際操實(shí)際操作階段作階段LINTULLight INTerception and UtiLization空間尺度擴(kuò)大時(shí)的簡(jiǎn)化模型空間尺度擴(kuò)大時(shí)的簡(jiǎn)化模型uDSSAT：模型中的貴族模型中的貴族 CERES：作物作物環(huán)境環(huán)境資源綜合系統(tǒng)；資源綜合系統(tǒng)；CROPGRO：主要模擬豆類(lèi)作物的生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量形成過(guò)程；主要模擬豆類(lèi)作物的生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量形成過(guò)程；CANEGRO等。等。uCropSyst：參數(shù)較少，更容易校準(zhǔn)參數(shù)較少，更容易校準(zhǔn)；uALMANAC:在在EPIC的基礎(chǔ)上增加了作物生長(zhǎng)成分研制而成；的基礎(chǔ)上增加了作物生長(zhǎng)成分研制而成；uCE

9、NTURY：評(píng)價(jià)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳演變最有效的工具；評(píng)價(jià)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳演變最有效的工具；uGOSSYM/COMAX：美國(guó)棉花專(zhuān)家管理計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)；美國(guó)棉花專(zhuān)家管理計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)；uAquaCrop：FAO最新推出模型，對(duì)土壤水分較為敏感。最新推出模型，對(duì)土壤水分較為敏感。1.3.21.3.2 美國(guó)作物模型系列美國(guó)作物模型系列APSIM（Agricultural Production System sIMulator）是澳大利亞系列作物是澳大利亞系列作物模型的總稱(chēng)模型的總稱(chēng)，是由APSRU小組在過(guò)去10多年內(nèi)開(kāi)發(fā)的。模擬核心突出的是土壤土壤。土壤特征變量的連續(xù)變化。土壤特征變量的連

10、續(xù)變化被作為模擬的中心。目前對(duì)施肥施肥、灌溉灌溉、土壤侵蝕土壤侵蝕、土壤氮素土壤氮素和磷素平衡磷素平衡、土壤溫度土壤溫度、土壤水分土壤水分平衡平衡、溶質(zhì)運(yùn)移溶質(zhì)運(yùn)移、殘茬分解殘茬分解等過(guò)程均有相應(yīng)模塊均有相應(yīng)模塊?？梢允褂脩?hù)選擇模塊配置一個(gè)自己的作物模型配置一個(gè)自己的作物模型，模塊之間的邏輯聯(lián)系可以簡(jiǎn)單的通過(guò)模塊的模塊的“拔插拔插”來(lái)規(guī)定。用戶(hù)友好的界面用戶(hù)友好的界面使非建模者在使用APSIM時(shí)非常容易。1.3.3 1.3.3 澳大利亞作物模型系列澳大利亞作物模型系列1.3.41.3.4 我國(guó)作物模型系列我國(guó)作物模型系列u 20世紀(jì)80年代初引進(jìn)荷蘭和美國(guó)的模型；u 1988年高亮之的水稻鐘模

11、型水稻鐘模型RICEMOD是國(guó)內(nèi)自己推出的首個(gè)作物模型；u 中國(guó)將作物生長(zhǎng)模型、栽培優(yōu)化模型或知識(shí)模型與專(zhuān)家系統(tǒng)作物生長(zhǎng)模型、栽培優(yōu)化模型或知識(shí)模型與專(zhuān)家系統(tǒng)相結(jié)合，形成了CCSODS系列模型系列模型作物計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)。RCSODSCCSODSWCSODSMCSODSOCSODSSCSODSCCSODS系列模型系列模型1.4 1.4 作物模型的評(píng)價(jià)與應(yīng)用作物模型的評(píng)價(jià)與應(yīng)用數(shù)值比較法數(shù)值比較法u描述性統(tǒng)計(jì)：平均值、中值、極值、變異系數(shù)等。描述性統(tǒng)計(jì)：平均值、中值、極值、變異系數(shù)等。u均方根誤差方法均方根誤差方法RMSE：度量模型值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)差異程度。：度量模型值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)差異程

12、度。u配對(duì)配對(duì)t t檢驗(yàn)檢驗(yàn)u一致性指數(shù)一致性指數(shù)d ( (the index of agreement) )：檢驗(yàn)?zāi)M值和實(shí)測(cè)值的吻合度。：檢驗(yàn)?zāi)M值和實(shí)測(cè)值的吻合度。u相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)r圖形法圖形法u令令X X為實(shí)測(cè)值，為實(shí)測(cè)值，Y Y為模擬值，使用無(wú)截距直線擬合實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值，直線的斜為模擬值，使用無(wú)截距直線擬合實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值，直線的斜率作為判斷一致性的指標(biāo)。率作為判斷一致性的指標(biāo)。uMEIMEI特性曲線特性曲線1.4 1.4 作物模型的評(píng)價(jià)與應(yīng)用作物模型的評(píng)價(jià)與應(yīng)用3 3、氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響、氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響溫度、降水、溫度、降水、COCO2 2濃度濃度對(duì)作物布局和產(chǎn)量水

13、平的影響對(duì)作物布局和產(chǎn)量水平的影響預(yù)測(cè)氣候?qū)θ祟?lèi)糧食供應(yīng)的影響預(yù)測(cè)氣候?qū)θ祟?lèi)糧食供應(yīng)的影響1 1、田間作物生產(chǎn)管理、田間作物生產(chǎn)管理播種時(shí)間播種時(shí)間播種密度播種密度灌溉時(shí)間與次數(shù)灌溉時(shí)間與次數(shù)肥料施用量肥料施用量4 4、農(nóng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)管理和農(nóng)業(yè)政策制定、農(nóng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)管理和農(nóng)業(yè)政策制定農(nóng)場(chǎng)主制定最佳田間管理策略農(nóng)場(chǎng)主制定最佳田間管理策略評(píng)價(jià)氣候與市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)產(chǎn)量及利潤(rùn)評(píng)價(jià)氣候與市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)產(chǎn)量及利潤(rùn)的影響的影響評(píng)價(jià)水土流失和污染情況評(píng)價(jià)水土流失和污染情況制定農(nóng)業(yè)政策和資源規(guī)劃的依據(jù)制定農(nóng)業(yè)政策和資源規(guī)劃的依據(jù)2 2、基于模型的專(zhuān)家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于模型的專(zhuān)家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)作物生長(zhǎng)模型與專(zhuān)家系統(tǒng)結(jié)合作物生長(zhǎng)模型與專(zhuān)家系統(tǒng)結(jié)

14、合準(zhǔn)確性高準(zhǔn)確性高應(yīng)用范圍廣應(yīng)用范圍廣農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的重要途經(jīng)農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的重要途經(jīng)5 5、其他、其他作物育種作物育種教學(xué)、技術(shù)培訓(xùn)教學(xué)、技術(shù)培訓(xùn)科學(xué)研究等科學(xué)研究等1.5 1.5 作物模型存在的問(wèn)題作物模型存在的問(wèn)題u作物生理生態(tài)機(jī)理仍有待研究；作物生理生態(tài)機(jī)理仍有待研究；l冠層結(jié)構(gòu)和光能利用率冠層結(jié)構(gòu)和光能利用率 l水分和養(yǎng)分的脅迫機(jī)制及定量模擬水分和養(yǎng)分的脅迫機(jī)制及定量模擬l作物生長(zhǎng)作物生長(zhǎng)- -土壤水土壤水- -地下水耦合關(guān)系地下水耦合關(guān)系u模型的開(kāi)發(fā)缺乏統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)，模型通用性差；模型的開(kāi)發(fā)缺乏統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)，模型通用性差； u空間問(wèn)題處理能力有待加強(qiáng)；空間問(wèn)題處理能

15、力有待加強(qiáng)；u模型的可靠性和有效性檢驗(yàn)存在困難；模型的可靠性和有效性檢驗(yàn)存在困難；u模型應(yīng)用時(shí)，參數(shù)的獲取、計(jì)算與估算方法仍很不完善。模型應(yīng)用時(shí)，參數(shù)的獲取、計(jì)算與估算方法仍很不完善。u模型本土化仍存在諸多問(wèn)題，應(yīng)用效果不佳。模型本土化仍存在諸多問(wèn)題，應(yīng)用效果不佳。2 決策支持系統(tǒng)簡(jiǎn)介決策支持系統(tǒng)簡(jiǎn)介v DSS的定義的定義 v DSS的起源與發(fā)展的起源與發(fā)展 DSS的起源的起源 DSS的發(fā)展歷程的發(fā)展歷程 DSS的發(fā)展趨勢(shì)的發(fā)展趨勢(shì)v DSS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖v DSS在我國(guó)的應(yīng)用在我國(guó)的應(yīng)用2.1 DSS的定義的定義決策支持系統(tǒng)決策支持系統(tǒng)DSSDSS（Decision Support

16、 System）是輔助決策者通過(guò)數(shù)據(jù)、是輔助決策者通過(guò)數(shù)據(jù)、模型和知識(shí)，以人機(jī)交互方式進(jìn)行半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化決策的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系模型和知識(shí)，以人機(jī)交互方式進(jìn)行半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化決策的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)統(tǒng)。DSS是是管理信息系統(tǒng)管理信息系統(tǒng)MIS 向更高一級(jí)發(fā)展而形成的。向更高一級(jí)發(fā)展而形成的。DSS為決策者為決策者提供分析問(wèn)題、建立模型、模擬決策過(guò)程和方案的環(huán)境提供分析問(wèn)題、建立模型、模擬決策過(guò)程和方案的環(huán)境，通，通過(guò)調(diào)用各種信息資源和分析工具，幫助決策者提高決策水平和質(zhì)量。過(guò)調(diào)用各種信息資源和分析工具，幫助決策者提高決策水平和質(zhì)量。2.2 DSS的起源與發(fā)展的起源與發(fā)展19711971年，年，Go

17、rry. G.A和和Scott. Morton首先提出決策支持系統(tǒng)的概念，為信息首先提出決策支持系統(tǒng)的概念，為信息科學(xué)和管理工作者提供了一個(gè)工具。科學(xué)和管理工作者提供了一個(gè)工具。 2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代，年代，DSSDSS起步。主要標(biāo)志是將起步。主要標(biāo)志是將交互式技術(shù)交互式技術(shù)應(yīng)用于管理任務(wù)；應(yīng)用于管理任務(wù)； 7070年代后期，年代后期，DSSDSS實(shí)現(xiàn)支持管理者做出判斷。強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)支持管理者做出判斷。強(qiáng)調(diào)“支持過(guò)程支持過(guò)程”； 7070年代末年代末8080年代初，年代初，DSSDSS開(kāi)始流行。注重決策的開(kāi)始流行。注重決策的“有效性有效性”； 8080年代中后期，實(shí)用年代中后期，實(shí)用DSS

18、DSS相繼涌現(xiàn)。注重系統(tǒng)相繼涌現(xiàn)。注重系統(tǒng)“柔性柔性”； 近年來(lái)，近年來(lái)，DSSDSS注重各種注重各種技術(shù)的綜合運(yùn)用技術(shù)的綜合運(yùn)用。2.2 DSS的起源與發(fā)展的起源與發(fā)展新一代新一代DSSDSS主要向以下幾個(gè)方向發(fā)展：主要向以下幾個(gè)方向發(fā)展：u群決策支持系統(tǒng)群決策支持系統(tǒng) GDSSu分布式?jīng)Q策支持系統(tǒng)分布式?jīng)Q策支持系統(tǒng) DDSSu智能決策支持系統(tǒng)智能決策支持系統(tǒng) IDSSu決策與支持中心決策與支持中心 DSCu綜合決策支持系統(tǒng)綜合決策支持系統(tǒng) SDSS發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì)2.3 DSS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.4 DSS在我國(guó)的應(yīng)用在我國(guó)的應(yīng)用u 企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作管理的決策企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作管理的決策u

19、水資源調(diào)配與防洪預(yù)警系統(tǒng)水資源調(diào)配與防洪預(yù)警系統(tǒng)u 政府宏觀經(jīng)濟(jì)和公共管理政府宏觀經(jīng)濟(jì)和公共管理u 產(chǎn)業(yè)規(guī)劃與管理、資源開(kāi)發(fā)與利用決策產(chǎn)業(yè)規(guī)劃與管理、資源開(kāi)發(fā)與利用決策u 生態(tài)和環(huán)境控制系統(tǒng)以及自然災(zāi)害的預(yù)防系統(tǒng)生態(tài)和環(huán)境控制系統(tǒng)以及自然災(zāi)害的預(yù)防系統(tǒng)u 金融系統(tǒng)的投資決策與風(fēng)險(xiǎn)分析與管理金融系統(tǒng)的投資決策與風(fēng)險(xiǎn)分析與管理3 模型優(yōu)化及其發(fā)展趨勢(shì)模型優(yōu)化及其發(fā)展趨勢(shì)作物模型作物模型能預(yù)測(cè)作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程及能預(yù)測(cè)作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程及其與環(huán)境和技術(shù)的影響其與環(huán)境和技術(shù)的影響具有系統(tǒng)綜合和預(yù)測(cè)的功能具有系統(tǒng)綜合和預(yù)測(cè)的功能農(nóng)業(yè)信息技術(shù)農(nóng)業(yè)信息技術(shù)決策支持系統(tǒng)決策支持系統(tǒng)利用領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)利用領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行推理決策進(jìn)行推理決策具有直接的管理決策功能具有直接的管理決策功能 難以直接進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)決策難以直接進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)決策 地域性和經(jīng)驗(yàn)型較強(qiáng)地域性和經(jīng)驗(yàn)型較強(qiáng)