第六章 作物生長(zhǎng)模型

農(nóng)業(yè)信息技術(shù)農(nóng)學(xué)園藝學(xué)院譚筱玉

第六章作物模擬模型作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用1虛擬植物模型研究及其應(yīng)用2作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理3EPIC模型應(yīng)用示例4第六章作物模擬模型以作物或植物為對(duì)象的計(jì)算機(jī)模擬模型被稱(chēng)為作物模擬模型(CropSimulationModel)。根據(jù)其研究?jī)?nèi)容和模擬技術(shù)的差別，通?？梢苑譃榛谧魑锷砩鷳B(tài)過(guò)程分析的數(shù)值模擬模型和基于植物形態(tài)結(jié)構(gòu)再現(xiàn)的虛擬植物模型二類(lèi)，前者通常簡(jiǎn)稱(chēng)為作物生長(zhǎng)模型，后者簡(jiǎn)稱(chēng)為虛擬植物模型。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用一、作物生長(zhǎng)模型的概念與特點(diǎn)二、作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)三、作物生長(zhǎng)模擬原理四、作物生長(zhǎng)模型的研制步驟五、作物生長(zhǎng)模型研究進(jìn)展六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介七、作物生長(zhǎng)模型的應(yīng)用領(lǐng)域八、作物生長(zhǎng)模型研究發(fā)展趨勢(shì)第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用一、作物生長(zhǎng)模型的概念與特點(diǎn)（一）作物生長(zhǎng)模型的概念作物生長(zhǎng)模型，其全稱(chēng)為作物生長(zhǎng)模擬模型（CropGrowthSimulationModel），簡(jiǎn)稱(chēng)為作物模型（CropModel），是指能定量地和動(dòng)態(tài)地描述作物生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量形成的過(guò)程及其對(duì)環(huán)境反應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬程序。又被稱(chēng)為機(jī)理模型（functionalmodel）或過(guò)程模型（processmodel）。作物生長(zhǎng)模型的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用過(guò)程，稱(chēng)為作物生長(zhǎng)模擬（CropGrowthModeling）或作物模擬（CropModeling）。

第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用一、作物生長(zhǎng)模型的概念與特點(diǎn)（二）作物生長(zhǎng)模型的特點(diǎn)系統(tǒng)性：能對(duì)作物的生理過(guò)程和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的全面的分析與描述；動(dòng)態(tài)性：逐時(shí)或逐日的描述各種生理生態(tài)過(guò)程和狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化；機(jī)制性：能對(duì)主要的生理過(guò)程進(jìn)行較為真實(shí)的機(jī)制性描述；預(yù)測(cè)性：能在給定條件下對(duì)作物系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行定量描述；通用性：適用于任何地點(diǎn)、時(shí)間和作物品種，不受地區(qū)、時(shí)間、作物品種和栽培技術(shù)

的限制。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用一、作物生長(zhǎng)模型的概念與特點(diǎn)（三）作物生長(zhǎng)模型的作用和功能作物生長(zhǎng)模型研究是對(duì)作物生產(chǎn)系統(tǒng)所涉及的氣象、土壤、肥料、生理、栽培、水利、生態(tài)等不同學(xué)科的知識(shí)綜合和關(guān)系量化，能促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育基本規(guī)律和田間管理知識(shí)由傳統(tǒng)定性描述向定量分析轉(zhuǎn)變，深化了作物系統(tǒng)過(guò)程定量化認(rèn)識(shí)和數(shù)字化表達(dá)，并能鑒定作物學(xué)科已有知識(shí)的積累程度和空缺情況，明確學(xué)科新的研究方向。作物生長(zhǎng)模型的主要作用是能夠幫助人們深刻理解和認(rèn)識(shí)作物生產(chǎn)系統(tǒng)的基本規(guī)律和量化關(guān)系，并對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為和最終表現(xiàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而輔助生產(chǎn)者對(duì)作物生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行適時(shí)合理調(diào)控，實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)的高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)、安全的可持續(xù)發(fā)展。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用二、作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型按照模型所描述的作物種類(lèi)，作物生長(zhǎng)模型可分為單作物專(zhuān)用模型和多作物通用模型。單作物專(zhuān)用模型（modelforsinglecropspecie）是根據(jù)某一具體作物的生理生態(tài)特性開(kāi)發(fā)研制而成并專(zhuān)門(mén)用于該作物生長(zhǎng)模擬的模型。多作物通用模型（modelformultiplecropspecies）是根據(jù)各種作物生理生態(tài)過(guò)程的共性研制而成模型的主體框架，再結(jié)合各種作物的生長(zhǎng)參數(shù)和田間管理參數(shù)分別進(jìn)行各種作物的生長(zhǎng)模擬。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用二、作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型作物模型名稱(chēng)作者或發(fā)表者及發(fā)表年份小麥CERES-WheatRitchie（1985）CERES-Wheat（氮素版）Godwin等（1985）TAMWMaas和Arkin（1980）（未定名）Aggarwal等（1989）SIMTAGStapper（1984）WHEATSM馮利平（1997）CROPSIM-WHEATHunt等（1995）AFRCWHEATPorter等（1993）WCSODS高亮之等（1998）WheatGrow曹衛(wèi)星等（1996）已發(fā)表的大田作物生長(zhǎng)模型名錄(單作物專(zhuān)用模型)第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用二、作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型作物模型名稱(chēng)作者或發(fā)表者及發(fā)表年份玉米CERES-MaizeV1Jones和Kiniry（1986）CERES-MaizeV2Ritchie等（1986）CORNFStapper和Arkin（1980）VT-MaizeNewkirk等（1989）GAPSBulttler（1989）CUPIDNorman和Campbell（1983）SIMAIZDuncan（1975）CORNGROChilds等（1977）CORNMODBaker和Horrocks（1976）SIMPAM孫睿等（1997）（未定名）尚宗波等（1999）（未定名）鄭國(guó)清等（2000）第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用二、作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型作物模型名稱(chēng)作者或發(fā)表者及發(fā)表年份水稻CERES-Rice（旱稻）Ritchie等（1986）CERES-RiceGodwin等（1990）IRRIMODAugus和Zardstra（1980）RICEMODMCMennamy等（1983）（未定名）Horre（1988）RCSODS高亮之等（1991）RICAM戚昌翰等（1991）RSM駱世明（1992）RSSM鄒應(yīng)斌等（1993）高梁CERES-SorghumAlagarwamy等（1990）SORGFArkin等（1976）SORKAMRosenthal等（1989）RESCAPMontieth等（1989）第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用二、作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型作物模型名稱(chēng)作者或發(fā)表者及發(fā)表年份谷子CERES-milletRitchie等（1989）大麥CERES-BarleyRitchie等（1989）馬鈴薯POTATONg和Loomis（1984）POTATO（修訂版）Ewing等（1990）SUBSTORHodges等（1989）（未定名）Fishman（1985）大豆SOYGROWilkerson等（1983）SOYGROV5.0Wilkerson等（1985）GLYCIMAcock等（1983）SOYMODCurry等（1975）花生PNUTGROBoote等（1989）甘蔗AUSCANEJones等（1989）第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用二、作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型作物模型名稱(chēng)作者或發(fā)表者及發(fā)表年份棉花GOSSYMBaker等（1983）COTCROPBrown等（1985）COTTAMJackson等（1988）COTGROWilsonCOTGROW潘學(xué)標(biāo)等（1996）OZCOTHearn等（1994）CTSODS馬新明等（1996）苜蓿ALSIMI（level2）Fick（1981）ALFALFADenison和Loomis（1989）SIMEDHolt（1975）第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用二、作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型類(lèi)型模型名稱(chēng)作者或發(fā)表者及發(fā)表年份BACROSC.T.deWit（1978）EPICWilliams等（1984）MACROSPenningdeVries等（1989）CropManTAES-BRC（2003）SUCROSVanKeulen等（1982）WOFOSTvanKeulen等（1986）CropsystStockle等（1991）ALMANACKiniry等（1991）FLEXCROPHalvorson等（1982）CROPRODWoldren（1984）NTRMShaffer等（1987）YIELDHayes等（1982）CenturyParton等（1992）PGROWTH陳家麟等（1994）PERFECTLittleboy等（1989）APSIMAPSRU（2001）SPWS胡克林等（2007）已發(fā)表的大田作物生長(zhǎng)模型名錄(多作物通用模型)第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用二、作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型層次名稱(chēng)模擬模型所包含的生態(tài)因子出現(xiàn)年代溫度輻射水分平衡和水分有效性氮素有效性、氮肥效應(yīng)及與水分和氣候因素的交互作用所有其它因子第一層次模型光溫潛力模擬模型√√1980年以前第二層次模型光溫水潛力模擬模型√√√1980～1985年第三層次模型光溫水氮潛力模擬模型√√√√1985年以后第四層次模型現(xiàn)實(shí)產(chǎn)量模擬模型√√√√√目前尚無(wú)第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用二、作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型第一層次模型關(guān)系圖（PenningdeVries等，1989）（引自潘學(xué)標(biāo)，2003）第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用二、作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型第二層次模型關(guān)系圖（PenningdeVries等，1989）（引自潘學(xué)標(biāo)，2003）第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用二、作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型第三層次模型關(guān)系圖（PenningdeVries等，1989）（引自潘學(xué)標(biāo)，2003）第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用二、作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)（二）作物生長(zhǎng)模型的結(jié)構(gòu)輸入模塊模擬模塊輸出與分析模塊氣候數(shù)據(jù)土壤數(shù)據(jù)作物數(shù)據(jù)栽培管理措施⑦發(fā)育和器官形成模型⑧衰老模型⑨田間管理措施模型①光截獲和光合作用動(dòng)力學(xué)模型②營(yíng)養(yǎng)吸收和根系活動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型③干物質(zhì)分配模型④水分吸收與蒸騰模型⑤生長(zhǎng)和呼吸模型⑥葉面積增長(zhǎng)模型模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)或圖形第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用二、作物生長(zhǎng)模型的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)（二）作物生長(zhǎng)模型的結(jié)構(gòu)作物生長(zhǎng)模型的結(jié)構(gòu)框圖第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用三、作物生長(zhǎng)模擬原理（一）作物生長(zhǎng)模擬原理假設(shè)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)，該狀態(tài)中的各種物理、化學(xué)和生理機(jī)制的變化可以用各種數(shù)學(xué)方程加以描述;還假設(shè)作物在較短時(shí)間間隔（如1h）內(nèi)物理、化學(xué)和生理過(guò)程不發(fā)生較大的變化，則可以對(duì)一系列的過(guò)程（如光合、呼吸、蒸騰、生長(zhǎng)等）進(jìn)行估算，并逐時(shí)累加為日過(guò)程，再逐日累加為生長(zhǎng)季，最后計(jì)算出整個(gè)生長(zhǎng)期的干物質(zhì)產(chǎn)量或可收獲的作物產(chǎn)量;還假設(shè)同一作物的不同植株在田間都是均勻一致的，具有相同生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程。典型作物生長(zhǎng)模型流程圖（曹衛(wèi)星，2005）第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用三、作物生長(zhǎng)模擬原理（二）作物生長(zhǎng)模型的模擬過(guò)程作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量模擬中的難點(diǎn)是對(duì)作物生長(zhǎng)持續(xù)期、生長(zhǎng)速率以及由于水分、營(yíng)養(yǎng)及極端溫度引起的脅迫的模擬。單株生長(zhǎng)發(fā)育模擬（播種→成熟）逐日氣象數(shù)據(jù)階段形態(tài)發(fā)育面積擴(kuò)大體積擴(kuò)大質(zhì)量增長(zhǎng)單位面積上的作物產(chǎn)量單位面積上的植株密度生物學(xué)產(chǎn)量×經(jīng)濟(jì)系數(shù)描述了穗的分化、生長(zhǎng)和籽粒灌漿時(shí)的干物質(zhì)分配等生理過(guò)程，以穗粒數(shù)和單粒重來(lái)計(jì)算經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用三、作物生長(zhǎng)模擬原理（三）作物生長(zhǎng)模型的模擬范圍已開(kāi)發(fā)的絕大多數(shù)模型的模擬范圍屬田間水平（FieldLevel），適用于田間范圍內(nèi)生態(tài)條件相對(duì)一致的情況。對(duì)農(nóng)場(chǎng)或較大范圍的區(qū)域進(jìn)行作物產(chǎn)量模擬時(shí)，則需要按照光、熱、水、土等生態(tài)條件相對(duì)一致性進(jìn)行分區(qū)模擬，然后加權(quán)計(jì)算全區(qū)域作物產(chǎn)量。稱(chēng)為區(qū)域水平（RegionalLevel）的模擬。若將作物模擬模型與地理信息系統(tǒng)（GIS）結(jié)合，可有效地利用（GIS）中的土壤和生態(tài)條件數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域性作物產(chǎn)量模擬，得出全縣、全省和全國(guó)的作物產(chǎn)量第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用三、作物生長(zhǎng)模擬原理（三）作物生長(zhǎng)模型的模擬范圍農(nóng)業(yè)與環(huán)境地理信息系統(tǒng)(AEGIS/WIN)的主要組成（Engel等，1997）（潘學(xué)標(biāo)，2003）第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用四、作物生長(zhǎng)模型的研制步驟（一）模擬系統(tǒng)定義與分析為保證作物生產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)一致性，大多數(shù)模型的空間尺度一般為農(nóng)田尺度。為了合理描述系統(tǒng)變量變化動(dòng)態(tài)，大多數(shù)模型的時(shí)間步長(zhǎng)一般為1天。作物生產(chǎn)系統(tǒng)成分一般包括作物和土壤，而氣象條件、農(nóng)產(chǎn)品輸出等作為系統(tǒng)環(huán)境。作物及其環(huán)境系統(tǒng)通常分為作物階段發(fā)育與物候期、植株形態(tài)發(fā)生與器官建成、植株光能利用與同化物生產(chǎn)、不同器官間干物質(zhì)分配與利用、土壤－作物－大氣水分平衡、土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)與作物利用等6個(gè)亞系統(tǒng)首先，應(yīng)對(duì)作物生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地深入調(diào)查，確定模擬系統(tǒng)邊界和尺度，劃分系統(tǒng)成分和系統(tǒng)環(huán)境，分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用四、作物生長(zhǎng)模型的研制步驟（一）模擬系統(tǒng)定義與分析作物生長(zhǎng)通用概念模型（姜海燕等，2008）第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用四、作物生長(zhǎng)模型的研制步驟（一）模擬系統(tǒng)定義與分析云朵代表系統(tǒng)輸入源小室代表系統(tǒng)狀態(tài)變量開(kāi)關(guān)代表過(guò)程速率變量以實(shí)線代表物質(zhì)流以虛線代表信息流然后，明確模型參數(shù)和系統(tǒng)變量，制定模擬系統(tǒng)目標(biāo)，繪制系統(tǒng)框圖和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)圖。采用分室模型符號(hào)，如第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用四、作物生長(zhǎng)模型的研制步驟（二）數(shù)據(jù)獲取與量化處理試驗(yàn)測(cè)定文獻(xiàn)查閱合作交流土壤－作物系統(tǒng)的詳細(xì)試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)系統(tǒng)參數(shù)狀態(tài)變量的定量表達(dá)式或者算法程序析因法系數(shù)化作物生理生態(tài)品種遺傳性狀逐日氣象要素土壤水分養(yǎng)分運(yùn)轉(zhuǎn)析因法是以系數(shù)形式來(lái)分別建立溫度、光照、水分和養(yǎng)分等環(huán)境因子對(duì)作物生長(zhǎng)的響應(yīng)模型或者效應(yīng)因子模型，再采取最小法和乘積法等數(shù)學(xué)方法定量分析系數(shù)因子間的互作，簡(jiǎn)化處理多因子響應(yīng)模型系數(shù)化是指通常將光溫水氣肥等環(huán)境效應(yīng)因子的特征值設(shè)定在0～1區(qū)間第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用四、作物生長(zhǎng)模型的研制步驟（三）數(shù)學(xué)模型構(gòu)造與程序編寫(xiě)在確定模擬系統(tǒng)概念流程模型后，通過(guò)數(shù)據(jù)分析建立各種數(shù)學(xué)模型。要深刻理解和分析作物生產(chǎn)系統(tǒng)變量、參數(shù)及其生物學(xué)和生態(tài)學(xué)關(guān)系，采用適當(dāng)數(shù)學(xué)方法構(gòu)造適宜的數(shù)學(xué)模型。作物模型編程語(yǔ)言包括模擬算法編程語(yǔ)言和界面編程語(yǔ)言。模擬算法編程語(yǔ)言通常采用VisualFortran和VisualC++。此外，還需要編寫(xiě)模型數(shù)據(jù)輸入和輸出子模型程序，確定適宜的輸入輸出內(nèi)容和形式，便于用戶(hù)操作。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用四、作物生長(zhǎng)模型的研制步驟（四）模型驗(yàn)證、檢驗(yàn)與改進(jìn)實(shí)際上，作物生長(zhǎng)模型的開(kāi)發(fā)工作是一個(gè)不斷補(bǔ)充、修改和擴(kuò)充的完善過(guò)程，需要逐步的進(jìn)行升級(jí)和換代，直至日趨完善和成熟。用途內(nèi)容模型驗(yàn)證（verification）驗(yàn)證模型的可靠性和嚴(yán)格性判斷模型在邏輯上的一致性，通過(guò)檢查輸入輸出數(shù)據(jù)、模型結(jié)構(gòu)圖和流程圖的正確性，防止和糾正程序的邏輯錯(cuò)誤。模型檢驗(yàn)（validation）檢查模型與真實(shí)世界的接近程度，即模型應(yīng)用上的有效性對(duì)模型機(jī)理性、適用性、擬合度、簡(jiǎn)便性等方面做出評(píng)價(jià)；（模擬值和觀測(cè)值的回歸分析、繪制1：1對(duì)比圖和計(jì)算平均誤差等方法）敏感性分析對(duì)模型靈敏度和動(dòng)態(tài)性的測(cè)驗(yàn)人為給模型主要參數(shù)賦予一定的增量和減量，觀察模型輸出結(jié)果響應(yīng)的靈敏度，測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)、過(guò)程、成分和參數(shù)的有效性和合理性第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用五、作物生長(zhǎng)模型研究進(jìn)展作物生長(zhǎng)模型研究是作物學(xué)科和計(jì)算機(jī)學(xué)科新興的交叉研究領(lǐng)域。以美國(guó)和荷蘭開(kāi)始時(shí)間最早，研究力量較強(qiáng)，研究水平也較高。荷蘭的deWit（1965）和美國(guó)的Duncan（1967）率先相繼發(fā)表了對(duì)作物群體光合作用的模擬模型。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用五、作物生長(zhǎng)模型研究進(jìn)展作物初步模擬模型ELCROS（ElementalCropSimulation）（deWit，1969）作物生長(zhǎng)基礎(chǔ)模擬模型BACROS（deWit，1978）水分決定牧草產(chǎn)量模型ARIDCROP（Keulen，1986）簡(jiǎn)單通用作物模擬模型SUCROS（Simpleanduniversalcropgrowthsimulator）（Keulen，1982）一年生作物生長(zhǎng)模擬模型MACROS（PenningdeVries，1989）世界糧食研究模型WOFOST（Boogaard，1998）等。此后，荷蘭相繼研發(fā)了荷蘭的模型研究強(qiáng)調(diào)生物機(jī)理性和作物共性，對(duì)作物的形態(tài)發(fā)育和階段發(fā)育上的差異性描述相對(duì)薄弱。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用五、作物生長(zhǎng)模型研究進(jìn)展美國(guó)先后研發(fā)了30多個(gè)單作物專(zhuān)用模型和數(shù)十種多作物通用模型。第一代棉花模型SIMCOT和第一代玉米模型SIMAIZ（Duncan，1971，1975）作物與環(huán)境資源綜合系統(tǒng)CERES（Crop-EnvironmentResourceSynthesisSystem）系列模型(包括小麥、玉米、水稻、大麥、谷子、高粱等作物)（Ritchie等，1985，1986，1986，1990，1989，1990）棉花生長(zhǎng)模型與棉花生產(chǎn)管理系統(tǒng)GOSSYM/COMAX（Baker，1983）等土壤侵蝕和土地生產(chǎn)力評(píng)價(jià)模型EPIC（Erosion/ProductivityImpactCalculator）（Williams，1984）包含氮素、耕作與殘茬管理的作物模型NTRM（Shaffer，1987）作物系統(tǒng)模型Cropsyst（Stockle，1991）2種植物競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)模型ALMANAC（Kiniry，1991）等第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用五、作物生長(zhǎng)模型研究進(jìn)展包含多種單作物專(zhuān)用模型的農(nóng)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)讓決策支持系統(tǒng)DSSAT（DecisionSupportSystemforAgrotechnologyTransfer）（Tsuji，1994）基于EPIC的作物生產(chǎn)與管理模型CROPMAN（CropProductionandManagementModel）（Gerik等，2003)等美國(guó)還開(kāi)發(fā)了美國(guó)的作物模型研究強(qiáng)調(diào)“氣候－土壤－作物－管理”系統(tǒng)的綜合性與解決問(wèn)題的實(shí)用性。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用五、作物生長(zhǎng)模型研究進(jìn)展棉花模型OZCOT（Hearn，1994）作物生產(chǎn)力、徑流與保護(hù)性耕作技術(shù)評(píng)價(jià)模型PERFECT（Littleboy，1993）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬器APSIM（AgriculturalProductionSimulator）(CSIRO，2001)澳大利亞、加拿大、英國(guó)等國(guó)也已開(kāi)發(fā)出了若干較有影響的作物生長(zhǎng)模型。小麥生長(zhǎng)模型AFRCWHEAT（Porter，1993）等春小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量模擬模型CROPSIM－WHEAT（Hunt，1995）澳大利亞

加拿大英國(guó)第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用五、作物生長(zhǎng)模型研究進(jìn)展以水稻模型為核心的水稻生長(zhǎng)模型RICEMOD（高亮之等，1989）小麥生長(zhǎng)發(fā)育模擬模型WHEATSM（馮利平等，1997）棉花栽培計(jì)算機(jī)模擬決策系統(tǒng)COTSYS(馮利平等，1999)基于前述模型的作物栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)CCSODS（CropCultivationSimulationOptimizationDecision-makingSystem）系列RCSODS、WCSODS、MCSODS和CTSODS（水稻、小麥、玉米、棉花）（高亮之等，1991，1999；鄭國(guó)清，高亮之等，2001；馮利平，高亮之等，2000）水稻生長(zhǎng)日歷模型RICAM（戚昌瀚等，1991）水稻模擬模型RSM（駱世明等，1992）水稻苗情動(dòng)態(tài)模擬模型RSSM（鄒應(yīng)斌，1993）棉花生長(zhǎng)發(fā)育模擬模型COTGROW（潘學(xué)標(biāo)等，1996）基于CERES模型的小麥－玉米連作智能決策系統(tǒng)（諸葉平等，2001）等我國(guó)的作物生長(zhǎng)模擬模型研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代中期，相繼研制出第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用五、作物生長(zhǎng)模型研究進(jìn)展南京農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)過(guò)對(duì)小麥、油菜、棉花、水稻等作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成機(jī)理的細(xì)致研究和總結(jié)集成，建立了小麥、油菜、棉花和水稻生長(zhǎng)模擬模型（曹衛(wèi)星，1996；嚴(yán)春美，曹衛(wèi)星等，2000，2001；李存東，曹衛(wèi)星等，2001；張立禎，曹衛(wèi)星等，2003）中國(guó)作物模型研究注重將作物生長(zhǎng)模型、栽培優(yōu)化模型或知識(shí)模型與專(zhuān)家知識(shí)相結(jié)合，研制糧棉油等各種栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用五、作物生長(zhǎng)模型研究進(jìn)展據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過(guò)40年的研究開(kāi)發(fā)，全世界已開(kāi)發(fā)出了包括大田作物、園藝作物、森林樹(shù)木和草原牧草在內(nèi)的各種作物模型愈百個(gè)。時(shí)間模型特點(diǎn)階段特色20世紀(jì)70年代中期以前主要是對(duì)作物生長(zhǎng)和環(huán)境因素中的某個(gè)過(guò)程的模擬“制造零件”70年代后期作物生育和產(chǎn)量形成全過(guò)程的模擬模型“組裝機(jī)器”80年代中后期以后逐步深化，層次不斷提高，加強(qiáng)了對(duì)水分、氮磷平衡子模型的研究提高了模型對(duì)作物真實(shí)系統(tǒng)模擬的精度90年代中期以來(lái)模型開(kāi)發(fā)研究逐漸轉(zhuǎn)向模型應(yīng)用研究，側(cè)重于作物模型修訂升級(jí)和整合集成以及與專(zhuān)家系統(tǒng)和3S技術(shù)結(jié)合，研制基于Windows操作系統(tǒng)的用戶(hù)界面友好的作物生產(chǎn)管理綜合系統(tǒng)模型實(shí)用性和綜合性不斷增強(qiáng)第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用五、作物生長(zhǎng)模型研究進(jìn)展國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家作物生長(zhǎng)模擬技術(shù)已歷經(jīng)了40多年的理論研究和實(shí)踐探索，初步形成了較為有效的研究理論和方法體系。我國(guó)經(jīng)過(guò)20多年對(duì)作物模擬模型技術(shù)的學(xué)習(xí)和引進(jìn)、研究和應(yīng)用，初步建立了一支作物模擬研究的人才隊(duì)伍，在作物模型研究和應(yīng)用的理論和技術(shù)方面也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，取得了一定的成績(jī)，但和發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍然有較大差距。我國(guó)作物模擬研究隊(duì)伍人員數(shù)量少、力量分散、合作研究少，研究項(xiàng)目少，研究經(jīng)費(fèi)不足。和世界著名作物模型相比，我國(guó)研究的作物模型在科學(xué)性、實(shí)用性、通用性上仍有明顯差距，有待于進(jìn)一步提高。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（一）DSSAT模型DSSAT（DecisionSupportSystemforAgro-technologyTransfer）模型是在1983－1993年美國(guó)IBSNAT（國(guó)際農(nóng)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)化基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)）計(jì)劃資助下、在1994－至今的ICASA（國(guó)際農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用協(xié)會(huì)）組織下，相繼由夏威夷州立大學(xué)、佛羅里達(dá)大學(xué)和喬治亞州立大學(xué)等多家研究機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期協(xié)作，將已開(kāi)發(fā)的CERES、CROPGRO、SUBSTOR、CROPSIM、CANEGRO等系列26種單作物專(zhuān)用模型與CENTURY模型中土壤碳素和氮素模擬模型集成，組裝成具有共同用戶(hù)界面的通用作物系統(tǒng)模型CSM（CroppingSystemModel）。2000年以前發(fā)布的DSSAT2.1、3.0和3.5版本是DOS版，2000年以后發(fā)布的DSSAT4.0和4.5版本是Windows版。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（一）DSSAT模型DSSAT4.0模型結(jié)構(gòu)第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（二）EPIC模型侵蝕和生產(chǎn)力影響計(jì)算模型EPIC（Erosion-ProductivityImpactCalculator），現(xiàn)在改稱(chēng)為環(huán)境政策綜合氣候模型（EnvironmentalPolicyIntegratedClimate）是一種綜合性多作物通用型土壤－作物系統(tǒng)過(guò)程模擬模型，是美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局草地土壤和水分研究所、德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)J.R.Williams等研制的定量評(píng)價(jià)“氣候－土壤－作物－管理”綜合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型（Williams，etal.,1989,1990）。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（二）EPIC模型EPIC模型自1984年首次發(fā)布以來(lái)，經(jīng)過(guò)了連續(xù)多年不斷修訂和廣泛驗(yàn)證。能夠逐日定量模擬氣候變化、徑流與蒸散、水蝕與風(fēng)蝕、養(yǎng)分循環(huán)、農(nóng)藥遷移、植物生長(zhǎng)、土壤管理、經(jīng)濟(jì)效益分析等過(guò)程與環(huán)節(jié)，能夠輸出逐日作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量、逐日分層土壤水分和養(yǎng)分模擬結(jié)果。特別適合于土壤－作物系統(tǒng)過(guò)程綜合模擬和分析，分析和預(yù)測(cè)水土資源利用和作物生產(chǎn)力長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)管理策略和水土資源環(huán)境效應(yīng)。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（二）EPIC模型EPIC模型結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行過(guò)程第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（三）APSIM模型APSIM（AgriculturalProductionSystemsSimulator）是由澳大利亞聯(lián)邦科工組織CSIRO、昆士蘭州政府、昆士蘭大學(xué)等機(jī)構(gòu)聯(lián)合組建的APSRU（AgriculturalProductionSystemsResearchUnit）開(kāi)發(fā)研制的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬模型，其最新版本為2009年11月發(fā)布的APSIM7.1。APSIM模型由生物物理模塊（biophysicalmodule）、管理模塊（managementmodule）、數(shù)據(jù)輸入和輸出模塊（datainputandoutputmodule）、模擬引擎(simulationengine)等4部分組成。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（三）APSIM模型APSIM模型結(jié)構(gòu)（馮利平，2009）第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（三）APSIM模型APSIM模型采用“插－拔”式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括多種作物、草原和樹(shù)木、土壤水分平衡、氮磷運(yùn)轉(zhuǎn)、土壤pH、土壤侵蝕和管理控制等多種模塊，構(gòu)建了高度獨(dú)立的作物生長(zhǎng)、土壤水分和土壤氮素模塊方便進(jìn)行輪作、間作等種植方式和各種管理措施的模擬能夠模擬作物生長(zhǎng)、地表殘茬、土壤水分、土壤養(yǎng)分、土壤侵蝕等不同土壤－作物系統(tǒng)組合狀態(tài)用來(lái)評(píng)價(jià)氣候、基因型、土壤、管理等因素對(duì)作物生產(chǎn)的長(zhǎng)期影響，適用于農(nóng)場(chǎng)管理決策、農(nóng)作系統(tǒng)生產(chǎn)決策和資源管理、季節(jié)性氣候預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)、農(nóng)業(yè)關(guān)鍵問(wèn)題分析、廢棄物管理方針制定、政策風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、科研和教育活動(dòng)等。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（四）WOFOST模型WOFOST（WorldFoodStudies）模型是由世界糧食研究中心（CWFS）和荷蘭瓦根寧根大學(xué)理論生產(chǎn)生態(tài)學(xué)系（WAU-TPE）與農(nóng)業(yè)生物研究中心(DLO)共同合作研制的一年生作物生產(chǎn)潛力模型。是瓦格寧根大學(xué)C.T.deWit學(xué)院開(kāi)發(fā)的作物生長(zhǎng)模型家族成員之一（SUCROS、AridCrop、Springwheat、MACROS和ORYZA1等）。WOFOST6.0以前的版本為DOS版，WOFOST7.1則改為Windows版。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（四）WOFOST模型

WOFOST模型模擬的作物生長(zhǎng)過(guò)程第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（四）WOFOST模型WOFOST模型早期用于評(píng)價(jià)熱帶地區(qū)一年生作物的潛在產(chǎn)量，能對(duì)水稻、玉米、小麥、大麥、馬鈴薯、甜菜、大豆、蠶豆、油菜、向日葵等多種作物進(jìn)行光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力和光溫水肥生產(chǎn)潛力等3種層次產(chǎn)量評(píng)估。近十年來(lái)，WOFOST則主要用于分析作物產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)和產(chǎn)量年際變化、不同土壤類(lèi)型、水文條件、品種類(lèi)型、作物生活要素、播種策略、氣候變化、農(nóng)業(yè)機(jī)械使用關(guān)鍵期等不同條件下作物產(chǎn)量變異性，定量評(píng)價(jià)區(qū)域最大作物產(chǎn)量潛力水平，估算灌溉和施肥最大收益，模擬和監(jiān)測(cè)季節(jié)中不利生長(zhǎng)狀況，預(yù)測(cè)區(qū)域作物產(chǎn)量，模擬森林生長(zhǎng)和草地管理等。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（五）GOSSYM/COMAXGOSSYM/COMAX(Cotton-GossypiumSimulationModel/CottonManagementExpert）棉花生長(zhǎng)模型和棉花栽培管理專(zhuān)家系統(tǒng)是美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局Baker等于1985年開(kāi)發(fā)研制成功的棉花生產(chǎn)管理決策支持系統(tǒng)。由GOSSYM、COMAX、工具箱和圖形用戶(hù)界面GUI（GraphicalUserInterface）組成。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（五）GOSSYM/COMAXGOSSYM/COMAX的總體結(jié)構(gòu)框圖(Mckinion等，1989)（潘學(xué)標(biāo)，2003）第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（五）GOSSYM/COMAXGOSSYM模型是一個(gè)以土壤物理學(xué)性質(zhì)、土壤養(yǎng)分和水分等為初始條件，以逐日太陽(yáng)輻射、逐日最高和最低溫度為驅(qū)動(dòng)變量，以關(guān)鍵農(nóng)藝措施如施氮、灌水、噴脫葉劑等為控制變量的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。GOSSYM模型包括了水分平衡、氮素平衡、碳平衡、光合產(chǎn)物合成與分配、植株形態(tài)建成等子模型。GOSSYM模型能逐日動(dòng)態(tài)模擬特定氣候和土壤條件下土壤水分和氮素吸收和利用動(dòng)態(tài)、干物質(zhì)平衡、棉花生長(zhǎng)和棉花產(chǎn)量等。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（五）GOSSYM/COMAXGOSSYM結(jié)構(gòu)框圖(Mckinion等，1989)（潘學(xué)標(biāo)，2003）第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（五）GOSSYM/COMAXGOSSYM模型還能夠與GCMs和WGEN氣候模型鏈接，評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)棉花生產(chǎn)的影響。COMAX是一個(gè)基于規(guī)則的專(zhuān)家系統(tǒng)，它可以調(diào)用GOSSYM模型，能對(duì)灌溉日期和灌溉量、施氮日期和施氮量、化學(xué)生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑使用日期和用量、棉花收獲期預(yù)測(cè)與調(diào)控等不同農(nóng)藝措施進(jìn)行優(yōu)化決策。工具箱包括情景分析(scenarioanalysis)和風(fēng)險(xiǎn)分析(riskanalysis)，能把天氣和化學(xué)生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑組合起來(lái)進(jìn)行分析，根據(jù)未來(lái)可能的天氣條件推薦最佳施氮方案。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（六）中國(guó)作物模型以江蘇省農(nóng)科院和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等為代表的中國(guó)作物模型研究工作，注重將作物生長(zhǎng)模型、栽培優(yōu)化模型或知識(shí)模型與專(zhuān)家知識(shí)相結(jié)合，所開(kāi)發(fā)的水稻（RCSODS）、小麥（WCSODS）、玉米（MCSODS）、棉花（CCSODS）、油菜（OCSODS）、大豆（SCSODS）栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)等，具備作物生長(zhǎng)模擬與栽培方案優(yōu)化決策相結(jié)合的功能。模型參數(shù)調(diào)整反映不同品種、地點(diǎn)和氣象條件差異常年決策播種、灌溉、施肥、群體動(dòng)態(tài)等作物栽培優(yōu)化方案當(dāng)年決策預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)及調(diào)控手段數(shù)字化、目標(biāo)化、動(dòng)態(tài)化及優(yōu)化管理突出特征第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（六）中國(guó)作物模型中國(guó)作物模型系列的原理、結(jié)構(gòu)與功能（曹宏鑫，2006）第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長(zhǎng)模型簡(jiǎn)介（六）中國(guó)作物模型在土壤水分、病蟲(chóng)草害模擬及其預(yù)測(cè)與決策方面，中國(guó)作物模型仍以知識(shí)型為主；在土壤養(yǎng)分利用方面,只采用了作物平衡施肥決策模型；在模型軟件系統(tǒng)容錯(cuò)性、用戶(hù)界面美觀性、操作自動(dòng)幫助等方面,仍需進(jìn)一步完善和提高。第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用七、作物生長(zhǎng)模型的應(yīng)用領(lǐng)域教學(xué)與技術(shù)培訓(xùn)

作物生產(chǎn)潛力研究

作物栽培方案優(yōu)化研究

農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究

氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長(zhǎng)遠(yuǎn)影響研究

農(nóng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)管理決策制定

農(nóng)業(yè)資源規(guī)劃管理研究

深化作物科學(xué)研究

第一節(jié)作物生長(zhǎng)模型研究及其應(yīng)用八、作物生長(zhǎng)模型研究發(fā)展趨勢(shì)深化對(duì)作物系統(tǒng)機(jī)理過(guò)程研究與描述作物生長(zhǎng)模型與虛擬植物模型相結(jié)合作物生長(zhǎng)模型與農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)結(jié)合作物生長(zhǎng)模型與3S技術(shù)結(jié)合作物生長(zhǎng)模型與大氣環(huán)流模型GCM相結(jié)合作物生長(zhǎng)模型與因特網(wǎng)（Internet）結(jié)合第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實(shí)與虛擬農(nóng)業(yè)二、虛擬植物模型研究簡(jiǎn)介三、虛擬植物研究方法與模型軟件四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀五、虛擬植物研究發(fā)展趨勢(shì)第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實(shí)與虛擬農(nóng)業(yè)（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR）是利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，以仿真的方式生成三維逼真的虛擬環(huán)境，使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，或利用鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，便可以進(jìn)入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，感知和操作虛擬世界中的各種對(duì)象，從而獲得身臨其境的感受和體會(huì)。虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)圖（陳沈斌，孫九林）第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實(shí)與虛擬農(nóng)業(yè)（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特征（3I）關(guān)鍵部分關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用沉浸感Immersion交互性Interaction想象力Imagination傳感器交互式控制系統(tǒng)虛擬環(huán)境計(jì)算機(jī)圖形學(xué)多媒體技術(shù)圖像處理與模式識(shí)別智能接口技術(shù)傳感器技術(shù)高度并行實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)人工智能人工機(jī)器學(xué)語(yǔ)音處理與音響技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人的行為研究及心理學(xué)在醫(yī)學(xué)、建筑、藝術(shù)、交易、教育、工程、娛樂(lè)、軍事、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都已有研究如虛擬診斷、虛擬解剖、虛擬住宅、虛擬城市、虛擬藝術(shù)作品展、虛擬證券交易、虛擬教室、虛擬圖書(shū)館、虛擬大學(xué)等第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實(shí)與虛擬農(nóng)業(yè)（二）虛擬農(nóng)業(yè)概述1．虛擬農(nóng)業(yè)的概念虛擬農(nóng)業(yè)(VirturalAgriculture，VA)是以農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究對(duì)象(農(nóng)作物、畜、禽、魚(yú)、農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)、資源高效利用等)為核心，采用先進(jìn)信息技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)的研究對(duì)象與環(huán)境因子交互作用，以品種改良、環(huán)境改造、環(huán)境適應(yīng)、增產(chǎn)等為目的技術(shù)系統(tǒng)，其成果應(yīng)接受實(shí)踐的檢驗(yàn)。陳沈斌和孫九林第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實(shí)與虛擬農(nóng)業(yè)（二）虛擬農(nóng)業(yè)概述1．虛擬農(nóng)業(yè)的概念虛擬農(nóng)業(yè)是應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和可視化技術(shù)，在計(jì)算機(jī)和Internet的支持下，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研、教學(xué)（包括農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣）、加工、銷(xiāo)售等各個(gè)環(huán)節(jié)在計(jì)算機(jī)上的模擬和再現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效益和可持續(xù)發(fā)展為目的的技術(shù)系統(tǒng)。楊國(guó)才第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實(shí)與虛擬農(nóng)業(yè)（二）虛擬農(nóng)業(yè)概述2．虛擬農(nóng)業(yè)的類(lèi)型虛擬植物虛擬動(dòng)物虛擬細(xì)胞虛擬儀器虛擬農(nóng)田虛擬農(nóng)場(chǎng)（VirtualPlant）也叫計(jì)算機(jī)植物可視化模型（ComputerVisualizationModelofPlant），就是利用計(jì)算機(jī)模擬植物在三維空間的生長(zhǎng)發(fā)育狀況。其主要特征是以植物個(gè)體為中心，以植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)為研究重點(diǎn)，所建立的模型是三維的，以可視化的方式反應(yīng)植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)規(guī)律。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實(shí)與虛擬農(nóng)業(yè)（二）虛擬農(nóng)業(yè)概述2．虛擬農(nóng)業(yè)的類(lèi)型虛擬植物虛擬動(dòng)物虛擬細(xì)胞虛擬儀器虛擬農(nóng)田虛擬農(nóng)場(chǎng)虛擬動(dòng)物是指用計(jì)算機(jī)可視化地模擬動(dòng)物在各種營(yíng)養(yǎng)脅迫條件下的生長(zhǎng)過(guò)程，用戶(hù)操作計(jì)算機(jī)不但可以了解動(dòng)物生長(zhǎng)全過(guò)程中鮮、干物質(zhì)累積的形狀，而且還可以從不同視覺(jué)了解動(dòng)物的逼真形態(tài)。虛擬動(dòng)物可在幾分鐘內(nèi)模擬完成一種試驗(yàn)動(dòng)物的整個(gè)生育期，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)畜牧獸醫(yī)長(zhǎng)周期觀察實(shí)驗(yàn)，大大加速實(shí)驗(yàn)速度，減少實(shí)驗(yàn)投入，還可完成在自然條件下難以得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實(shí)與虛擬農(nóng)業(yè)（二）虛擬農(nóng)業(yè)概述2．虛擬農(nóng)業(yè)的類(lèi)型虛擬植物虛擬動(dòng)物虛擬細(xì)胞虛擬儀器虛擬農(nóng)田虛擬農(nóng)場(chǎng)虛擬細(xì)胞是指應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)的原理和技術(shù)，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算和分析，對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析、整合，可以將整個(gè)細(xì)胞系統(tǒng)在分子水平上建立模型，并通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬細(xì)胞的生長(zhǎng)代謝過(guò)程，以系統(tǒng)性、模擬性、直觀性研究細(xì)胞和生命現(xiàn)象。如日本于1997年建立了原核細(xì)胞模型E-cell。虛擬細(xì)胞可應(yīng)用于科學(xué)研究、疾病診斷和防治、社會(huì)公共衛(wèi)生等領(lǐng)域。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實(shí)與虛擬農(nóng)業(yè)（二）虛擬農(nóng)業(yè)概述2．虛擬農(nóng)業(yè)的類(lèi)型虛擬植物虛擬動(dòng)物虛擬細(xì)胞虛擬儀器虛擬農(nóng)田虛擬農(nóng)場(chǎng)虛擬儀器（VirtualInstrumental，簡(jiǎn)稱(chēng)VI）是計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用所形成的一種新型的儀器種類(lèi)，是具有虛擬儀器面板的的個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器，由通用個(gè)人計(jì)算機(jī)、模塊化功能硬件和控制軟件所組成，操作人員通過(guò)友好的圖形界面以及圖形化編程語(yǔ)言來(lái)控制儀器的運(yùn)行，以完成對(duì)被測(cè)試量的采集、分析、判斷、顯示、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)生成。虛擬儀器可以用于農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)檢測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品等級(jí)分選、農(nóng)場(chǎng)的自動(dòng)化監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集、種子、秧苗或細(xì)胞生物特性的研究等方面。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實(shí)與虛擬農(nóng)業(yè)（二）虛擬農(nóng)業(yè)概述2．虛擬農(nóng)業(yè)的類(lèi)型虛擬植物虛擬動(dòng)物虛擬細(xì)胞虛擬儀器虛擬農(nóng)田虛擬農(nóng)場(chǎng)虛擬農(nóng)場(chǎng)是利用虛擬植物、虛擬農(nóng)田等模型建立虛擬農(nóng)場(chǎng)，可以在計(jì)算機(jī)上種植虛擬作物并進(jìn)行虛擬農(nóng)場(chǎng)管理。人們可以從任意角度甚至在作物冠層內(nèi)漫游，觀察作物生長(zhǎng)狀況的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，還可以通過(guò)改變環(huán)境條件和栽培措施，直觀的觀察作物生長(zhǎng)過(guò)程及其結(jié)果。利用虛擬儀器，如自動(dòng)化秧苗分析系統(tǒng)、自動(dòng)化施肥系統(tǒng)或自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)等，對(duì)農(nóng)場(chǎng)實(shí)行全天時(shí)、全天候地自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和管理。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用二、虛擬植物模型研究簡(jiǎn)介（一）虛擬植物模型研究的意義明確植物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律選擇優(yōu)化樹(shù)型（虛擬剪枝）超高產(chǎn)作物品種育種優(yōu)選理想株型選擇施藥方法和提高施藥效（農(nóng)藥植株分布與病蟲(chóng)害位置關(guān)系）

提高對(duì)植物生長(zhǎng)狀況遙感判讀精度（遙感影像與植物形態(tài)結(jié)構(gòu)關(guān)系）部分替代在現(xiàn)實(shí)世界中難以進(jìn)行或費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、昂貴的試驗(yàn)輔助教學(xué)學(xué)習(xí)作物生長(zhǎng)過(guò)程和農(nóng)田管理知識(shí)獲得作物生長(zhǎng)過(guò)程中的各參數(shù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，為精確農(nóng)業(yè)提供依據(jù)第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用二、虛擬植物模型研究簡(jiǎn)介（二）虛擬植物研究方法1．虛擬植物建模方法虛擬植物模型是基于對(duì)現(xiàn)實(shí)世界植物的研究而建立的，首先要對(duì)自然界生長(zhǎng)的真實(shí)植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確定量化研究，并總結(jié)出植物的生長(zhǎng)規(guī)則，然后再用適當(dāng)方法對(duì)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)規(guī)則進(jìn)行表達(dá)。虛擬植物的一般結(jié)構(gòu)如圖虛擬作物模型的一般結(jié)構(gòu)（陳沈斌，孫九林）第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用二、虛擬植物模型研究簡(jiǎn)介（二）虛擬植物研究方法1．虛擬植物建模方法步驟對(duì)不同生長(zhǎng)條件、不同生育階段的植物進(jìn)行定性觀察，判別其生長(zhǎng)模式，確定描述其形態(tài)結(jié)構(gòu)的總體框架定量化測(cè)定植物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何特征、機(jī)械性質(zhì)等將測(cè)定數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模式識(shí)別等方法，提取植物形態(tài)結(jié)構(gòu)規(guī)則模型依據(jù)植物生長(zhǎng)規(guī)則模擬植物生長(zhǎng)，應(yīng)用可視化技術(shù)在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)虛擬植物第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用二、虛擬植物模型研究簡(jiǎn)介（二）虛擬植物研究方法2．虛擬植物的關(guān)鍵技術(shù)（1）三維數(shù)字化技術(shù)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)研究中數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要在植物上選取一些能夠描述其形態(tài)結(jié)構(gòu)的特征點(diǎn)，獲取其在三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置，就可計(jì)算分枝的傾角與方位角以及葉片的幾何形狀。應(yīng)用基于聲學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、激光、微型雷達(dá)等原理和技術(shù)開(kāi)發(fā)的三維數(shù)字化儀，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)過(guò)程中形態(tài)結(jié)構(gòu)的連續(xù)、精確的監(jiān)測(cè)，確定其生長(zhǎng)規(guī)律。威力手三維數(shù)字化儀第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用二、虛擬植物模型研究簡(jiǎn)介（二）虛擬植物研究方法2．虛擬植物的關(guān)鍵技術(shù)（2）植物可視化技術(shù)植物可視化技術(shù)是指植物形態(tài)結(jié)構(gòu)特征在計(jì)算機(jī)上的顯示與虛擬表達(dá)，可以用二維或三維圖形形象地顯示植物的生長(zhǎng)過(guò)程。植物的可視化研究包括幾何、光照、紋理、渲染等內(nèi)容，也包括枝條的彎曲、植物的向光性、由季節(jié)更替和光照強(qiáng)弱等引起的植物各組織器官的尺寸、形狀以及顏色等的變化。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用二、虛擬植物模型研究簡(jiǎn)介（二）虛擬植物研究方法2．虛擬植物的關(guān)鍵技術(shù)（2）植物可視化技術(shù)開(kāi)發(fā)植物可視化系統(tǒng)，通常需要OpenGL三維圖形庫(kù)支持。OpenGL是三維圖形應(yīng)用程序設(shè)計(jì)界面，包含100多個(gè)圖形函數(shù)，可繪制三維景物模型和實(shí)現(xiàn)三維實(shí)時(shí)交互。其主要功能是三維模型繪制、三維模型觀察、顏色模式指定、光照應(yīng)用管理、圖像效果增強(qiáng)、表面紋理映射、實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)生成、人機(jī)交互接口等。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用二、虛擬植物模型研究簡(jiǎn)介（二）虛擬植物研究方法3．虛擬植物模型的類(lèi)型（1）靜態(tài)模型此類(lèi)模型能夠精確地再現(xiàn)植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，可用來(lái)分析植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的定性和定量特征，研究與植物結(jié)構(gòu)有關(guān)的生理生態(tài)、生物物理過(guò)程，如進(jìn)行植物冠層光分布的分析、農(nóng)田作物蒸騰的研究、作物形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)遙感監(jiān)測(cè)精度的影響等。其缺點(diǎn)是在于直接調(diào)用大量的測(cè)定數(shù)據(jù)，而且不適合反映植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)規(guī)律。虛擬的玉米群體(郭焱等)應(yīng)用三維數(shù)字化方法等測(cè)定植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)后，直接應(yīng)用這些數(shù)據(jù)可建立虛擬植物靜態(tài)模型。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用二、虛擬植物模型研究簡(jiǎn)介（二）虛擬植物研究方法3．虛擬植物模型的類(lèi)型（2）動(dòng)態(tài)模型虛擬植物的動(dòng)態(tài)模型是基于對(duì)植物生長(zhǎng)過(guò)程中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演變和幾何形態(tài)變化規(guī)律的研究，提取植物的生長(zhǎng)規(guī)則而建立的模型，用以反映植物生長(zhǎng)過(guò)程的規(guī)律，是虛擬植物模型的主要發(fā)展方向。較著名的虛擬植物通用模型有L-系統(tǒng)和AMAP系統(tǒng)。虛擬的樹(shù)木生長(zhǎng)過(guò)程（Bao-GangHu，2003）第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡(jiǎn)介1．L系統(tǒng)1968年美國(guó)生物學(xué)家Lindenmayer提出了以其姓氏首字母命名的L系統(tǒng)（L-system），作為植物形態(tài)建模的一般框架。L系統(tǒng)的本質(zhì)是一種字符重寫(xiě)(rewriting)系統(tǒng)或形式化語(yǔ)言方法，通過(guò)對(duì)植物對(duì)象生長(zhǎng)過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)式概括和抽象，構(gòu)造公理(axiom，可以理解為初始狀態(tài))與產(chǎn)生式集(setofproductions，可以理解為描述規(guī)則)，生成字符發(fā)展序列(developmentalsequencesofwords)，作為描述植物幾何特征的形式化語(yǔ)言，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，以可視化方式表現(xiàn)植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡(jiǎn)介1．L系統(tǒng)

L-系統(tǒng)字符與圖形轉(zhuǎn)換（Bao-GangHu，2003）第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡(jiǎn)介1．L系統(tǒng)L-系統(tǒng)模擬的植物生長(zhǎng)過(guò)程（Bao-GangHu，2003）運(yùn)用L系統(tǒng)虛擬植物是一個(gè)信息膨脹的過(guò)程（字符串的不斷繁殖）第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡(jiǎn)介1．L系統(tǒng)已從初始只能模擬理想條件下植物生長(zhǎng)的D0L系統(tǒng)、隨機(jī)L系統(tǒng)、參數(shù)化L系統(tǒng)、D1L系統(tǒng)，發(fā)展到能模擬處在復(fù)雜環(huán)境條件影響下植物生長(zhǎng)的OPENL系統(tǒng)、時(shí)變L系統(tǒng)、微分L系統(tǒng)(dL-system)，采用動(dòng)畫(huà)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)的動(dòng)畫(huà)模擬。為建立完整有效的植物模型，L系統(tǒng)得到不斷的發(fā)展和完善，使其功能不斷得到擴(kuò)展。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡(jiǎn)介2．分形（fractal）方法實(shí)現(xiàn)分形幾何建模的方法分形方法是根據(jù)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，利用了描述具有自相似性（self-similarity）的數(shù)學(xué)功能來(lái)表現(xiàn)植物的拓?fù)浼靶螒B(tài)結(jié)構(gòu)。迭代函數(shù)系統(tǒng)(iteratedfunctionsystem，IFS)分枝矩陣(ramificationmatrix)粒子系統(tǒng)(partialsystem)正規(guī)文法方法A系統(tǒng)(A-system)Oppenheimer提出的特定的分形方法第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡(jiǎn)介3．參考軸技術(shù)(referenceaxistechnique)參考軸技術(shù)是由法國(guó)國(guó)際農(nóng)業(yè)研究發(fā)展中心（CIRAD）的deReffye等提出的基于有限自動(dòng)機(jī)(finiteautomation)的模擬植物形態(tài)發(fā)生的典型隨機(jī)過(guò)程方法。它通過(guò)馬爾可夫鏈理論及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖(statetransitiongraph)方式描述植物發(fā)育、生長(zhǎng)、休眠、死亡等過(guò)程。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡(jiǎn)介3．參考軸技術(shù)(referenceaxistechnique)Godin等在此基礎(chǔ)上提出了多尺度意義下的植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型(MTG)，能夠以不同時(shí)間尺度描述植物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種建模方法物理意義明確、數(shù)據(jù)輸入簡(jiǎn)單、過(guò)程分析直觀。趙星等基于馬爾可夫鏈進(jìn)一步發(fā)展了雙尺度自動(dòng)機(jī)模型(dual-scaleautomation)，該方法從植物學(xué)的角度出發(fā)，提出了微狀態(tài)和宏?duì)顟B(tài)的雙尺度概念，考慮了植物的生長(zhǎng)機(jī)理，根據(jù)植物的生理年齡來(lái)組合植物的生長(zhǎng)參數(shù)，參數(shù)物理意義明確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔有條理，形象直觀，易于理解和編程實(shí)現(xiàn)。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡(jiǎn)介3．參考軸技術(shù)(referenceaxistechnique)法國(guó)植物學(xué)家Halle等依據(jù)植物分枝特征，提出了23種植物結(jié)構(gòu)基本模型，可以描述幾乎所有類(lèi)型的植物結(jié)構(gòu)，分別用著名植物學(xué)家名字命名，如Corner模型（單軸主干，無(wú)分枝）Leeuwenberg模型（合軸分枝，傘形花序）Rauh模型（單軸節(jié)律分枝，直生分層）Aubreville模型（有直生和斜生分枝）Massart模型（單軸節(jié)律分枝，主莖直生，分枝斜生）Roux模型（連續(xù)分枝）Troll模型部分植物結(jié)構(gòu)基本模型第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡(jiǎn)介4．植物三維重建法該種方法是利用儀器采集植物的空間數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上編寫(xiě)程序調(diào)用獲得的空間數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)植物的三維模擬。這是一種對(duì)現(xiàn)實(shí)植物的模擬方法，它的模擬效果與測(cè)量植物空間數(shù)據(jù)儀器的精度有密切的關(guān)系。隨著儀器的精度不斷提高，模擬出來(lái)的植物的真實(shí)性也會(huì)越來(lái)越高。三維重建的玉米器官和個(gè)體效果圖（郭新宇等，2007）第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（二）虛擬植物模型軟件國(guó)家研究機(jī)構(gòu)或公司軟件名稱(chēng)研究方法主要內(nèi)容網(wǎng)站域名美國(guó)USDAForestServiceSVS基于圖形學(xué)方法應(yīng)用少量植物學(xué)知識(shí)植物群叢模擬http://forsys.cfr./svs.htmlOnyxComputingInc.TreeCyberstoreTreeProfessionalTreePainterTreeClassic基于圖形學(xué)方法應(yīng)用少量植物學(xué)知識(shí)制作植物圖形庫(kù)用于快速生成植物圖形/AnimatekInternationalInc.WorldBuilder基于圖形學(xué)方法制作各種自然景觀用于景觀設(shè)計(jì)胡包鋼等統(tǒng)計(jì)第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（二）虛擬植物模型軟件國(guó)家研究機(jī)構(gòu)或公司軟件名稱(chēng)研究方法主要內(nèi)容網(wǎng)站域名澳大利亞CentreforPlantArchitectureInformatics,theUniversityofQueenslandVirtualPlants基于L-系統(tǒng)建模方法模擬棉花、大豆、玉米等農(nóng)作物以及植物根系的生長(zhǎng)病蟲(chóng)害對(duì)植物生長(zhǎng)的影響.au/法國(guó)CIRADAMAP系列軟件自動(dòng)機(jī)模型基于植物學(xué)建模方法植物生長(zhǎng)過(guò)程測(cè)量、建模3D植物圖形庫(kù)景觀設(shè)計(jì)、園林規(guī)劃http://amap.cirad.fr/UniversitiesofClermont-FerrandECOSIM圖像分割、遺傳算法、Multi-agent生長(zhǎng)環(huán)境的模擬森林生長(zhǎng)模擬http://www.isima.fr/ecosim/Welcome.html胡包鋼等統(tǒng)計(jì)第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（二）虛擬植物模型軟件胡包鋼等統(tǒng)計(jì)國(guó)家研究機(jī)構(gòu)或公司軟件名稱(chēng)研究方法主要內(nèi)容網(wǎng)站域名加拿大UnivesityofCalgaryCPFGL-studio基于L－系統(tǒng)建模方法應(yīng)用少量植物學(xué)只是L－系統(tǒng)與植物形態(tài)關(guān)系計(jì)算機(jī)輔助景觀設(shè)計(jì)植物學(xué)教學(xué)再現(xiàn)滅絕的樹(shù)種/DaylonGraphicsLtd.Leveller基于圖形學(xué)方法基于GIS數(shù)據(jù)的植被地貌恢復(fù)日本巖手大學(xué)VitualGargeningVirtualBONSAIDigitalLandscapes建立對(duì)環(huán)境敏感的植物生長(zhǎng)模型根與土壤相互作用模型植物生長(zhǎng)特性,如自我修剪、光照對(duì)植物的影響、植物根系生長(zhǎng)等景觀模擬第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（二）虛擬植物模型軟件胡包鋼等統(tǒng)計(jì)國(guó)家研究機(jī)構(gòu)或公司軟件名稱(chēng)研究方法主要內(nèi)容網(wǎng)站域名德國(guó)KurtzFernhoutLtd.GardenwithInsightPlantStudio基于圖形學(xué)方法應(yīng)用少量植物學(xué)知識(shí)花園模擬生成植物圖片UniversityofKarsrubeXfrog基于圖形學(xué)方法用交互作用方法快速建造各種植物圖像http://www.greenworks.de中國(guó)中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所中法聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室Greenlab在植物結(jié)構(gòu)－功能模型間建立迭代關(guān)系，并行模擬植物結(jié)構(gòu)-功能過(guò)程在定量模擬生物量生產(chǎn)與器官分配基礎(chǔ)上，采用雙尺度自動(dòng)機(jī)模擬植物結(jié)構(gòu)第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀（一）地上部模型對(duì)于虛擬植物模型的研究和應(yīng)用方面，加拿大Calgary大學(xué)的Prusinkiewicz等人和法國(guó)農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)國(guó)際研究中心（CIRAD）的deReffye等人做出了重要貢獻(xiàn)，建立了虛擬植物的通用模型。加拿大Calgary大學(xué)的Prusinkiewicz等以L系統(tǒng)為植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的描述框架，在SGI工作站上開(kāi)發(fā)了基于Unix系統(tǒng)的虛擬植物實(shí)驗(yàn)室VirtualLaboratory(Vlab)和植物與分形發(fā)生器CPFG(plantandfractalgeneratorwithcontinuousparameters)，以及基于Windows的L-Studio系統(tǒng)第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀（一）地上部模型能夠?qū)崿F(xiàn)不同類(lèi)型植物的模擬，形式語(yǔ)言方法具有堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。其缺陷是在模擬一些較高大的植物時(shí)不夠理想，原因是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的植物其L系統(tǒng)規(guī)則難以提取。L-studio系統(tǒng)界面第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀（一）地上部模型法國(guó)農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)國(guó)際研究中心（CIRAD）的deReffye等人利用參考軸技術(shù)研制了AMAP(AdvancedModelingofArchitectureof

Plant)模型。AMAP模型適用于模擬高大植物，已成功地在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造了從熱帶到溫帶不同氣候帶生長(zhǎng)的多個(gè)種類(lèi)的植物。利用AMAP模型虛擬的樹(shù)木第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀（一）地上部模型國(guó)紅等利用Greenlab模型模擬了1、3和5年生油松幼樹(shù)形態(tài)。伍艷蓮等基于OpenGL圖形平臺(tái)，繪制了小麥器官的三維形態(tài)，實(shí)現(xiàn)了小麥從器官-個(gè)體-群體三個(gè)層次的形態(tài)可視化。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀（二）根系模型由于根系環(huán)境的不可見(jiàn)性和復(fù)雜性，以及測(cè)量技術(shù)和理論方法的局限性，根系模型無(wú)論是在模擬效果上還是在功能上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于地上部分模型。20世紀(jì)80年代后期，Diggle建立了第一個(gè)模擬根系結(jié)構(gòu)的三維模型，可模擬根系的年齡、位置、根段取向以及根系伸長(zhǎng)速率和分枝強(qiáng)度，但未考慮根系半徑的變化。Pages等人開(kāi)發(fā)了基于根系結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特征的玉米根系結(jié)構(gòu)模型。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀（二）根系模型Lynch等人建立了SimRoot根系模型，能模擬根系直徑變化，研究者應(yīng)用該模型模擬了大豆根系結(jié)構(gòu)與根系周?chē)寥懒孜盏年P(guān)系，評(píng)估了不同根系形態(tài)結(jié)構(gòu)的資源利用效率。但該模型還不能反映土壤的局部狀況的影響、相鄰根系的相互作用與競(jìng)爭(zhēng)等。虛擬的大豆根系第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀（二）根系模型鐘南等利用微分L系統(tǒng)模擬了大豆根系生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)。微分L-系統(tǒng)模擬的大豆根系渲染圖第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀（二）根系模型張吳平等通過(guò)盆栽試驗(yàn)測(cè)定，采用從單根到根系進(jìn)行描述、整合的方式，實(shí)現(xiàn)了根系三維空間伸展與分布的重建與模擬以及三維動(dòng)態(tài)分布的可視化表達(dá)。玉米根系三維空間分布重建與模擬第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用五、虛擬植物研究發(fā)展趨勢(shì)雖然虛擬植物研究已經(jīng)有40多年，也取得到了一定成就，但總體上尚處于發(fā)展初期，研究手段較為落后，手工數(shù)據(jù)采集工作量大，模型生理和生態(tài)機(jī)理性不強(qiáng)，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜植物表現(xiàn)能力弱，虛擬植物外觀真實(shí)性不強(qiáng)，尚不能表達(dá)植物完整形態(tài)，模型適用性和可用性有待于提高。（1）研究方法的發(fā)展與完善（2）模型結(jié)構(gòu)與功能的完善簡(jiǎn)易性可理解性普適性定量化建模方法的從植株整體水平上構(gòu)建虛擬植物模型根系模擬虛擬植物模型與具體植物的生態(tài)生理模型有機(jī)結(jié)合第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理——以EPIC模型為例一、EPIC模型模擬作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量的機(jī)理二、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬三、環(huán)境脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理一、EPIC模型模擬作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量的機(jī)理EPIC模型作物產(chǎn)量計(jì)算流程圖（吳錦，2009）在逐日氣候要素驅(qū)動(dòng)下，首先模擬計(jì)算太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為干物質(zhì)的數(shù)量，主要通過(guò)最大葉面積系數(shù)、葉面積變化的S形曲線形態(tài)參數(shù)、葉面積下降速率等作物生長(zhǎng)參數(shù)來(lái)確定。

其次，通過(guò)作物生長(zhǎng)的最適溫度、最低溫度與作物生育進(jìn)程計(jì)算溫度對(duì)葉面積增長(zhǎng)的影響效應(yīng)，通過(guò)計(jì)算根系分布層次土壤水分和養(yǎng)分狀況，估計(jì)水分和養(yǎng)分脅迫對(duì)葉面積增長(zhǎng)的影響效應(yīng)。

第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理一、EPIC模型模擬作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量的機(jī)理EPIC模型作物產(chǎn)量計(jì)算流程圖（吳錦，2009）再次，估算作物生長(zhǎng)期生物量增長(zhǎng)的水分脅迫因子、氮素脅迫因子、磷素脅迫因子和溫度脅迫因子，估算干物質(zhì)的合成數(shù)量。最后，通過(guò)作物水分和養(yǎng)分臨界期水分、養(yǎng)分虧缺狀況估算實(shí)際收獲指數(shù)，最后通過(guò)地上部生物量和收獲指數(shù)計(jì)算可供收獲的作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理一、EPIC模型模擬作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量的機(jī)理作物生長(zhǎng)與土壤水熱氮運(yùn)移耦合模型（胡克林等，2007）在EPIC模型中，作物生長(zhǎng)模型與土壤熱量、水分、氮素和磷素等因素之間的耦合關(guān)系，類(lèi)似于胡克林等提出的作物生長(zhǎng)與土壤水熱氮運(yùn)移之間的耦合模型。第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理一、EPIC模型模擬作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量的機(jī)理與單作物專(zhuān)用模型相比，EPIC模型對(duì)作物生理過(guò)程和形態(tài)特征的細(xì)節(jié)描述仍然較為簡(jiǎn)單，只注重作物生長(zhǎng)發(fā)育的共性特征，未能涉及不同作物的產(chǎn)量構(gòu)成因素和作物品種之間的差異性。EPIC模型尚不能模擬作物根系生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)及其在土層空間分布形態(tài)、植株高度增長(zhǎng)動(dòng)態(tài)及群體葉片分布結(jié)構(gòu)；對(duì)多年生牧草和樹(shù)木生產(chǎn)力S型曲線動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和樹(shù)木的經(jīng)濟(jì)性狀缺乏描述；也不能模擬多種作物間作、套種組成的不均勻型田間作物群體結(jié)構(gòu)。第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理一、EPIC模型模擬作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量的機(jī)理因此，EPIC模型模擬作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成過(guò)程的細(xì)致性和精確性尚不能令人十分滿(mǎn)意，模型有關(guān)結(jié)構(gòu)仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)和提高。但是，作物生長(zhǎng)模型是對(duì)真實(shí)復(fù)雜作物生產(chǎn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化表達(dá)形式，任何作物模型都必然存在誤差。在通常的長(zhǎng)周期作物生產(chǎn)力與大范圍土地資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)研究中，EPIC模型的模擬精度也足以達(dá)到研究目的所需的精確性要求。第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬（一）物候發(fā)育以逐日熱量單元累積為基礎(chǔ)第k天熱量單元值第k天最高溫度（℃）第k天最低溫度（℃）作物j的基點(diǎn)溫度（℃）（播種時(shí)為0至生理成熟為1）第i天熱量單元系數(shù)作物j成熟所需的最大熱量單元第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬（二）潛在生物量增長(zhǎng)第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬（三）葉面積變化第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬（四）株高增長(zhǎng)j作物的最大高度作物高度（m）第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬（五）根系生長(zhǎng)

RDj≤RZ

第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬（六）水分利用第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬（七）養(yǎng)分吸收1．氮第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬（七）養(yǎng)分吸收2．磷第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬（八）作物產(chǎn)量第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（一）環(huán)境脅迫對(duì)生物量生長(zhǎng)的制約當(dāng)水分、溫度、氮素、磷素和通氣等5種環(huán)境脅迫因子中任意一個(gè)小于1時(shí)實(shí)際生物量增長(zhǎng)量逐日的生物量潛在增長(zhǎng)量（t/hm2）作物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子（最小脅迫因子）第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（一）環(huán)境脅迫對(duì)生物量生長(zhǎng)的制約1．水分脅迫水分脅迫因子土層l中的水分利用量第i天潛在植株水分利用量第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（一）環(huán)境脅迫對(duì)生物量生長(zhǎng)的制約2．溫度脅迫植株溫度脅迫因子平均逐日地表溫度（℃）j作物的基點(diǎn)溫度j作物的最適溫度（℃）第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（一）環(huán)境脅迫對(duì)生物量生長(zhǎng)的制約3．養(yǎng)分脅迫N脅迫因子的縮放比例因子N脅迫因子第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（一）環(huán)境脅迫對(duì)生物量生長(zhǎng)的制約4．通氣脅迫第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（二）環(huán)境脅迫對(duì)根系生長(zhǎng)的制約1．土壤強(qiáng)度脅迫第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（二）環(huán)境脅迫對(duì)根系生長(zhǎng)的制約2．鋁毒性脅迫第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（二）環(huán)境脅迫對(duì)根系生長(zhǎng)的制約3．對(duì)水分利用的制約第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（三）環(huán)境脅迫對(duì)產(chǎn)量形成的制約第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（四）越冬期對(duì)地上部生物量的影響1．日長(zhǎng)制約第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（四）越冬期對(duì)地上部生物量的影響2．霜凍制約第三節(jié)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（四）越冬期對(duì)地上部生物量的影響3．生物量降低第四節(jié)EPIC模型應(yīng)用示例一、EPIC模型數(shù)據(jù)庫(kù)組建二、EPIC模型模擬精度驗(yàn)證三、黃土高原旱地冬小麥水分生產(chǎn)力模擬第四節(jié)EPIC模型應(yīng)用示例一、EPIC模型數(shù)據(jù)庫(kù)組建（一）逐日氣象資料數(shù)據(jù)庫(kù)組建EPIC模型是在逐日氣象要素變量的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行逐日作物生理生