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第五章模型库及其管理系统（模型库子系统）主要内容：1、模型基本概念及功能2、模型构建技术3、模型管理技术第五章模型库及其管理系统21、模型与模型库的基本概念模型法是认识客观世界的三种方法（逻辑推理、实验方法、模型法）之一；客观世界的实际系统极其复杂的建模要抓住本质属性和因素模型比客观时间更简单、更抽象1.1模型的概念第五章模型库及其管理系统3一切客观存在的事物及其运动形态统称为实体。实体是一个复杂的对象、过程或系统。为了理解、研究实体，人们总是把自己对客观实体的观测及认识加以组织，形成概念体系，这种概念体系被称为模型。模型(Model)是以某种形式对一个系统的本质属性的抽象描述，以揭示系统的功能、行为及其变化规律。第五章模型库及其管理系统4在决策活动中，实体就是所要解决的问题及该问题的环境。决策模型就是对问题状态和相应对策方案之间关系的描述。模型是研究复杂实体的一种手段，利用这一手段，可以认识实体的本质和规律，以改造、适应和推动实体的发展。复合模型由多个子模型组成，子模型本身又可分解成几个更小的模型，小到不能再分的模型称为原子模型。第五章模型库及其管理系统5（1）模型比现实世界容易操作（2）容易理解实际问题（3）易于抓住事物的发展规律（4）降低成本（5）可以找出系统的影响因素模型特点：第五章模型库及其管理系统₪数学模型表现形式为：方程、算法和程序。计算机中采用模型程序形式，用数值计算语言编制。₪数据处理模型对数据库中数据的处理，数据处理模型的基本工作为对数据的选择、投影、旋转、排序和运算等。用数据库语言编制。模型库中模型的种类及其表示第五章模型库及其管理系统₪图形、图象模型主要用于人机交互图形模型表示为：向量数据形式或绘图程序形式图象模型表示为：点阵数据形式₪报表模型人机交互的输出形式报表模型表示为：程序形式₪智能模型主要是人工智能的专家系统，通过知识推理达到专家解决问题的能力。第五章模型库及其管理系统8（1）农业模型概念:就是仿各种农业物体或农业过程的一种替代物。如：实物模型（作物或昆虫标本、农机具样品）图形模型（作物、病虫害图片，或作物生长过程中的图片）数学模型、计算机模型。实质是将数据转换成辅助决策信息的工具，人们通过对模型的认识来增加对农业生产过程的理解。建立模型绝不能考虑所有因素和属性，否则，不但不能解决实际问题，反而把问题搞复杂化。1.2农业模型的概念、分类和特点第五章模型库及其管理系统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型：经验(Experiential)模型和机理(Mechanistial)模型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。描述性(Descriptive)模型和解释性(Explainatory)模型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，模型较少或根本不予以反映，描述性模型可以通过测定的试验数据推导出来，其建立相对比较简捷；（2）农业模型的分类第五章模型库及其管理系统图表明真实观察值如何被分析和综合引入解释性模型来模拟系统行为的图示解释性模型系统模拟描述，分析模型化现象真实现象过程过程过程过程过程过程模型构建第五章模型库及其管理系统统计(Statistical)模型和过程(Process)模型前者是一种最常使用的模型，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，并且局限于试验资料所在地特定的大气、土壤条件和品种类型，难以推广到不同的环境条件和品种类型；后者用于定量描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，适用于不同环境条件和生产系统。应用(Application)模型和研究(Research)模型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、参数较多、灵敏度高的特点。第五章模型库及其管理系统但总体上，所有农业模拟模型从更微观的层次看都可认为是经验性模型，而从更宏观的层次看又都是机理性模型。因此，任何一个模拟模型都体现了经验性和机理性的相对平衡和协调。如果按不同的学科领域进行分类，农业模拟模型大概有作物生长模型，动物生长模型，农业气象模型，土壤水肥模型，种植制度模型，农业生产力模型，耕地质量评价模型，病虫害预测模型等不同方面。其中，农作系统模拟模型的研究具有较好的代表性和先进性，目前国际上公认较为优秀且应用广泛的作物生长模拟模型有美国的CERES系列模型和荷兰的SUCROS模型等。第五章模型库及其管理系统13（3）农业模型的特点农业模型的特点：(1)复杂性和多元性；指农业生产的复杂性与影响因素的多样性，建立的模型也是复杂的、多样的。(2)整体性和系统性；既使一个较小规模的农业模型，如作物病虫害的模型，也应完整地考虑与该病害有关的农业生物（子系统）、农业环境（子系统）、农业技术（子系统）和农业社会经济（子系统）。第五章模型库及其管理系统14(3)动态性和阶段性；是指动植物生长发育的过程是随时间而变化的；作物从播种到收获，畜禽从出生到死亡，都会经历必需的阶段。(4)连续性和离散性；农业过程的动态性，决定了农业模型本质上是连续的。但在实际建模时，农业过程驱动因子都是离散地输入（按日或按小时），因此形式上是离散性的。(5)确定性和随机性；农业过程其本质是随机性的，这首先是由于农业气象因子的影响很大，而气象是变化的，是随机性的。但在一定条件下，农业模型可以用确定性的形式来表达。第五章模型库及其管理系统152、模型的构建技术2.1建模方法面临的主要问题：（1）数据难以获取，或不能满足建模的需要；（2）由模型计算出的模拟值与实测值之间的差异有时很大；（3）复杂的、综合性强的作物或生长过程，建模工作十分困难；第五章模型库及其管理系统162.1建模方法面临的主要问题（4）管理人员难于理解大型的复杂模型，因此往往也就不相信这种模型，也就不愿意接受由其产生的建议或方案。（5）简单的模型可以模拟复杂的问题，但增加了决策者的决策难度，模型并没有起多大作用。（6）传统建模方法没有与决策过程充分交互。总之，传统的建模过程只能给决策提供有限的帮助，并不能使决策者满意。第五章模型库及其管理系统172.2模型的建立农业模拟模型研制的步骤：1.模型选择与系统定义2.资料获取与算法构建3.模块设计与模型实现4.模型检验与改进工作的重点和难点是在深入解析和科学把握系统内涵与特征的基础上，研究和建立农业模拟模型的算法结构。第五章模型库及其管理系统182.2模型的建立首先要弄清模拟研究的目的、水平及对象，以明确模拟研究的范围和成分。通过这项工作，可以先建立一个描述系统结构与关系的概念模式或概念模型。如果建模的主要目的是为了研究和机理解释，那么模拟的系统水平和层次就应该低一些，模拟的对象可能包括器官及亚器官对于一个应用性较强或注重宏观预测的模型而言，研究的系统水平就可以高一些，系统的成分简单一些。（1）模型选择与系统定义RadiationTemperatureLeachingImmobilizationMineralizationC&NUptakeFertilizationVolatisationConceptualmodelofcrop-soilsystemTranspirationIrrigationRainEvaporationDrainageCapillaryriseUptakeH2OModularstructureofcerealcropmodelWeather,soil,variety,managementdataPhotosynthesisAssimilatepoolBiomassLeavesStemsEarsRootsLAIPartitioningPhysiologicaldevelopmenttimeDevelopmentrateGrowthrespirationMaintenancerespirationSoilwaterbalanceWaterstressfactorSoilN,P,KbalanceNutritionstressfactorPhasicstages第五章模型库及其管理系统（2）资料获取与算法构建自己已有的工作积累或文献资料，其中文献资料主要包括国内外在相关领域所取得的科研成果、出版的专著与教材、科技期刊及学术会议上发表的论文等，以及各地的土壤志、品种志、气象资料等。1)资料获取:大概有3个方面的来源：第五章模型库及其管理系统通过补充试验或支持研究，围绕某个方面获得全新的资料。第五章模型库及其管理系统2)算法构建120020012002GDDGDDcbGDDaGDDSLAPLAIdevelopment6.1LAINEFFWlvSLALAIpi第五章模型库及其管理系统（3）模块设计与模型实现首先要选择恰当的编程语言来组织系统，包括模拟算法编程语言和界面编程语言。目前应用比较广泛的模拟算法编程语言主要有VisualBasic和VisualC++。第五章模型库及其管理系统（4）模型检验与改进模型的检验包括对模型的敏感性分析、校正、核实、测验等四个主要过程；模型的改进则是在检验模型的过程中，对模型进行必要的改进与完善。敏感性分析敏感性分析是对模型灵敏度和动态性的测验，分析模型对主要参数和变量反应的灵敏度，测验模型的结构与过程以及系统的成分。结果通常以±值来表示模型的反应程度，如表4-1所示小麦阶段发育的敏感性分析。第五章模型库及其管理系统小麦发育阶段对环境温度和日长及品种春化要求和光周期敏感性的反应——————————————————————————————————发育阶段——————————————————二棱期顶小穗形成期抽穗期——————————————————————————————————参数变幅*（天数）——————————————————————————————————温度(°C)-2+25+10+10+2-14-15-11日长（h）-2+10+6+4+2-7-5-4春化要求-10-9-3-2+10+8+3+1光周期敏感性-0.002-9-5-4+0.002+9+5+3——————————————————————————————————*以小麦在南京种植为模拟对照，春化要求天数为20天，光周期敏感性为0.004第五章模型库及其管理系统校正校正是调整模型的参数和关系，使得模型符合模拟者特定的环境和资料参数,主要检验模型系统的综合表现及对综合变量的反应。核实核实是指决定模型是否适用于模型研制以外的完全独立的资料，是多年、多点、多试验观测值与模拟值的比较。可采用如下方法：一是将模拟结果与实际结果进行回归分析；二是将实际结果与模拟结果按同一时间坐标绘1:1图进行比较；三是检验模拟与实际值的平均误差。其中模拟值与实际值的平均误差可以通过以下一些统计方法计算得到：第五章模型库及其管理系统28模型模拟值与观察值之间的1:1作图9011013015017019090110130150170190观测值模拟值第五章模型库及其管理系统（1）平均离差（MeanDeviation，MD）即预测值与实际值之差总和的平均值。MD＝（ΣERRi）/nERRi＝Yi－Xi其中，n为为样本数；Yi和Xi为第i次的模拟值和实测值。（2）平均预测误差（MeanPredictionError，MPE）即预测值与实际值之差绝对值总和的平均值，反映模型的精度。MPE=(Σ|DERi|)/n（3）预测均方法（MeanSquareErrorofPrediction，MSEP）即预测值与实际值之差平方总和的平均值，是比较模型间精确度较好的指标。MSEP=（ΣERRi）²/n（4）均方差根（RootMeanSquareError，RMSE）即预测均方差的开平方，能更直观地反映模拟值与实测值的误差。第五章模型库及其管理系统30测验是比较各种环境