番茄群体冠层形态结构三维模拟——基于实测数据

为了提供较精确的作物冠层几何模型进行作物冠层光分布计算研究,首先实际测量番茄器官、个体及群体的形态特征参数,进而基于实测数据对番茄器官、个体及群体进行三维重建,使用C++语言和OpenGL函数库,开发了番茄群体可视化软件,可实现番茄群体三维模型的快速生成。基于精确器官模型和实测数据建立的番茄群体三维模型,较好地反映了群体冠层结构的基本特征,为作物冠层生产力计算和评价建立了几何模型基础。     

陕西关中冬油菜生长发育不同模型模拟精度研究

在陕西关中地区进行了连续6年(2009年9月—2015年5月)的冬油菜非充分灌溉试验,利用STICS、DSSAT和APSIM 3种不同模型对冬油菜物候期和产量等进行模拟,比较了3种不同模型的模拟精度。结果表明,3种模型中STICS模拟精度最高,平均RARE为3. 24%,APSIM模型次之,平均RARE为8. 79%,DSSAT模型最差,平均RARE为11. 38%。其中STICS模型对物候期和产量的模拟精度均为最高,DSSAT模型对物候期的模拟精度高于APSIM模型,而APSIM模型对产量相关指标的模拟精度高于DSSAT模型。由于2012—2013年生育期内降水量较低,3种模型的模拟精度均较低,说明3个模型对干旱胁迫条件下的作物生长模拟均存在一定不足。综合比较,STICS模型的模拟精度高于DSSAT和APSIM模型,因此推荐STICS模型为关中地区冬油菜生长发育和产量形成模拟的适宜模型。     

DSSAT作物模型进展以及在农田水管理中的应用研究

作物模型可以系统定量地对作物生长发育过程进行模拟,并整合环境因素及田间管理措施来预测产量,分析相关的影响因子,找寻最佳的种植及管理情景。农业技术转移决策支持系统DSSAT是众多作物模型中应用较为广泛的模型之一,针对该模型系统的发展历程、系统结构及应用领域进行了综述,并详细分析了该模型在模拟农田水管理中的模拟机制以及国内外代表性研究成果,以期为我国相关研究及应用提供借鉴。     

基于DSSAT模拟的冬小麦作物水分利用效率评价指标分析

作物水分利用效率,是农业节水研究的主要指标之一,为研究分析不同的华北地区冬小麦作物水分利用效率评价指标之间的相关性及其适应性,采用作物生长模型DSSAT,基于田间试验数据率定优选的参数,采用数值模拟的形式,模拟地面灌溉条件下不同水平年华北地区冬小麦生长过程及产量分布,获得不同灌溉制度情景方案下的作物模拟产量,基于模拟结果,分析评价作物水分生产率WP、灌溉水分生产率WUEti、广义水分利用效率WUEu、灌溉水利用效率WUEI等4个评价指标值.结果表明:WP、WUEti、WUEu数值都呈现随灌溉定额先增加再减少的趋势,较为全面地体现了产量与耗水量的关系,WP的计算较为复杂,数据指标获取难度及误差积累可能会影响结果可靠性,建议谨慎使用.WUEI不考虑自然降雨对产量的贡献,虚高计算了灌溉对产量的贡献,数值偏大,不推荐使用.从各指标之间的相关性分析,WUEti、WUEu相互之间及与其他指标之间的相关系数较好(P<0.05),并且其物理意义更符合灌溉定额和灌水定额对产量的影响关系,可以较为全面的反应作物水分利用效率,推荐作为评价灌溉制度的指标.     

作物生长过程模拟模型与形态三维可视化关键技术研究

针对作物产量形成、品种适应性分析的数字化解析和可视化表达需求,以提高作物模拟模型的时效性、协同性和真实感为目标,结合物联网技术与作物模拟模型,进行了田间数据实时采集;应用多智能体技术进行了作物协同模拟方法研究与框架设计;开展了作物生长过程模拟模型及基于作物模型的形态三维可视化关键技术研究,以小麦作物为例,进行了田间试验,阐述了小麦三维形态模拟可视化系统的设计实现并进行了试验验证;构建了Logistic方程模拟小麦叶长、最大叶宽、叶片高度、株高等的生长变化,采用基于曲线、曲面的参数化建模方法和3D图形库OpenGL构造了小麦器官几何模型。结果表明小麦叶长、最大叶宽、叶片高度和株高模拟模型R ²值在0.772~0.999之间,回归方程的F值在10.153~4359.236之间,且Sig.小于显著水平0.05,模型显著性较好,模型的拟合度较高。本研究将作物模拟模型结果和形态结构模型有效结合,实现了以小麦为代表的作物在不同管理措施条件下的生长过程形态三维可视化表达,为作物生产数字化系统应用提供了更有效的途径,该技术体系与方法同样适用于玉米、水稻等作物。     

基于不同有效积温的玉米干物质累积量模拟

为获得研究区适宜的玉米干物质累积量(DM)估算模型,通过2017—2019年在吉林省长春地区开展的3年农田试验,观测玉米生育期内作物根区20 cm地温、40 cm地温、农田气温、作物冠层温度以及玉米地上部干物质累积量等数据,建立基于不同有效积温的Logistic模型及其归一化模型,并用实测数据进行模型验证。结果表明,基于有效积温建立的Logistic模型可以模拟单株玉米干物质累积量生长,但不同地点、不同年份所建立的模型参数差异较大; Logistic归一化模型能够很好地模拟区域玉米干物质增长,在利用实测数据进行模型验证中,基于作物根区20 cm地温、40 cm地温、农田气温和作物冠层温度4种类型有效积温的Logistic归一化模型,其均方根误差、相对误差、决定系数和模型一致性系数都能达到较优值;以2019年数据建立的Logistic归一化模型对玉米干物质累积量模拟效果最优;基于有效冠层积温的Logistic归一化模型模拟效果较优。本研究结果可为灌区精量灌溉决策和管理提供技术支撑。     

不同空间分辨率驱动数据对作物模型区域模拟影响研究

为了探究不同空间分辨率驱动数据对作物模型区域模拟结果的影响,以中国北方冬麦区为研究区域,采用薄盘样条插值方法生成4种空间分辨率(5、10、25、50 km)的气象驱动数据,采用空间聚集方法构建相应空间分辨率的土壤参数集,以农业气象观测站数据为基础,通过泰森多边形方法扩展农田管理和作物模型品种参数,在以上基础上建立不同空间分辨率的WOFOST模拟平台,结合区域统计产量数据,诊断不同空间分辨率驱动数据对作物模型区域模拟的影响。研究表明:对于模拟的开花期、成熟期、潜在产量水平的地上生物量和穗质量、雨养产量水平的地上生物量和穗质量,4种空间分辨率的区域平均值模拟结果之间无显著差异;高分辨率驱动数据下,模拟结果分布上有更多的极值。不同空间分辨率的模拟结果均能反映冬小麦生长的空间分布规律;与同区域统计产量相比,不同空间分辨率下WOFOST雨养产量可以解释观测产量年际变异的75.4%~85.4%。不同空间分辨率的潜在产量和雨养产量与气候因子相关分析表明,生育期辐射可以解释16.6%~29.6%的潜在产量变化,生育期降水可以解释13.3%~17.8%的雨养产量变化。高空间分辨率的数据存贮量和计算时间分别是低空间分辨率的80和100倍以上。研究结果可以为作物模型区域应用,尤其是空间分辨率的选择提供理论依据。     

水氮数据联合驱动的冬小麦数据同化研究

水氮状态的准确估计对于作物生长模拟和产量估计十分重要.数据同化可以集成观测和模型,从而实现更加准确的模拟.然而,传统的数据同化系统大多关注叶面积指数(LAI)、土壤含水量(SM),对于氮素状态估计的研究相对较少,缺乏水氮数据联合驱动的数据同化研究.采用集合卡尔曼滤波(EnKF)方法对SWAP-WOFOST模型构建冬小麦生长的数据同化系统,通过引入叶片氮累积量(LNA)的观测,同时更新SM、LAI、LNA和作物产量等关键状态变量后进行作物生长模拟.结果表明,只加入LAI和SM可以很好更新模型的土壤水分剖面和LAI,但是对于LNA和产量的模拟效果不佳;加入LNA观测后,有效提高了作物LAI、LNA和产量的模拟精度.同时更新模型状态和参数(SSPE)比只更新状态(USO)的模拟效果更好,尤其是在土壤含水量的估计中.无论是水分还是氮素状态模拟出现偏差的情况,都很难准确估计最终的作物产量,而水氮数据联合驱动的结果最优.此外,研究中的数据同化系统在不同观测误差和观测频率下都具有良好的稳健性.该研究有助于深入理解冬小麦生长与水氮状态的关系,对实际应用中的作物生长模拟和产量估计具有一定指导意义.     

基于骨架模型的玉米生长运动仿真与动画生成技

为了实现作物生长过程的定量化、可视化表达,提出了一种由作物形态结构特征参数驱动的作物骨架模型生长运动仿真和动画生成方法.基于对作物器官及个体精确定义的几何模型提取作物骨架,利用几何模型参数控制骨架上关节点的运动,结合参数关键帧插值技术确定整个骨架模型的生长运动,实现对作物生长运动的可视化模拟.从而构建一个虚拟作物骨架模型的三维生长动画系统,并以玉米为例进行了模拟.实验结果表明该方法能够较准确地模拟玉米植株的形态建成和运动特征,为真实、自然地模拟作物生长提供了一种可控、通用的方法.     

三种作物水分生产函数模型的适用性比较

通过幂级数展开等代数变换发现,3种作物水分生产函数Jensen模型、Rao模型和Stewart模型可以近似相互转化,其各自水分敏感指数近似等价。通过在各阶段均匀受旱的特殊情况下对模型模拟的相对产量随相对蒸散发量变化过程的对比,从理论上分析了3个模型的适用性。研究发现,当作物受旱较轻微时,Rao模型和Stewart模型与Jensen模型统一具有较好模拟效果,但是当作物受旱较严重时,Rao模型和Stewart模型的模拟效果不好。通过不同气候区域不同作物田间试验的数据进行了验证计算,由于水分亏缺不十分严重,参数优化后3个模型都具有较好模拟效果,而Jensen模型模拟效果更好一些,优化得到的3种模型水分敏感指数近似相同,而采用Jensen模型水分敏感指数后,Rao模型和Stewart模型的模拟效果稍有降低。     

不同种植密度番茄生长行为的结构功能模型模拟

为研究不同密度下温室番茄的生长行为,对结构功能模型GreenLab进行改进,在提高拟合度的基础上,获得不同密度下番茄生长参数,通过参数分析将环境与番茄植株生长行为相联系。结果表明密度影响同化物产生与分配,通过外在形态,如出叶速率、叶厚、坐果率等表现,GreenLab模型可以重建这种生长行为变化。     

水文尺度与水文模拟关系研究

水文系统是由各种不同级别子系统组成的复杂系统，作为描述各种尺度中水文特征的空间数据与模型自然也有尺度特征，探讨水文尺度与水文模型的关系，对认识与解决水文尺度问题有重要的意义。从水文尺度与水文模型的原理、结构、复杂度、资料的角度分析二者之间的相互联系；提出了水文多尺度模拟的概念和必要性，并对水文多尺度模拟的方法与转换等问题进行了阐述。构建了从系统和多尺度水文模拟角度研究水文尺度问题的框架，对于深入了解水文尺度在不同时空尺度上的变化规律和过程；为科研和解决实践问题提供了一个有效的科研思路。     

不确定性条件下分布式农业生产预警模型构建与应用

构建了基于梯形模糊数和分布式作物模拟模型的空间分布式农业生产预警模型来实现作物产量和水分生产力综合警情预警预报。模型采用空间分布式作物产量和水分生产力作为警情指标来计算系统警级,引入梯形模糊数来表征目标产量和水分生产力的不确定性,采用空间分布式作物模拟模型来模拟常规灌溉、0.8倍常规灌溉和0.6倍常规灌溉下的作物产量和水分生产力,进而对现状1976—2012年和未来RCP4.5情景下2026—2045年不同灌溉水平下进行农业生产风险预报预警,并衡量了未来20年产量和水分生产力的静态协调度和每5年4个周期的动态协调度。结果表明,同一作物在不同土壤类型和不同灌溉水平下预警等级不同,警级随着灌溉水平的降低呈现不规则变化规律,协调性随着灌溉水平的降低而减小。模型能够识别出未来气候变化不同节水灌溉水平下的空间异质性作物产量和水分生产力的警级,实现精准化农业生产风险预警预报,有利于实现高效率降警处理。     

基于遥感数据同化的土壤含盐量估算方法

为探究同化遥感数据对监测区域尺度土壤含盐量时空信息的适用性,以河套灌区沙壕渠灌域为研究区,以高分一号卫星影像为数据源,通过灰度关联法筛选光谱指数,采用岭回归法构建不同深度的土壤含盐量反演模型,使用集合卡尔曼滤波同化算法将遥感数据应用于HYDRUS-1D模型中,开展区域尺度不同深度土壤含盐量的同化研究。结果表明,基于不同深度土壤含盐量的岭回归法模型,其R²均在0.64以上,RE为0.14～0.22,反演精度较高,得到的反演值较为准确;在单点尺度上,与模拟值、反演值相比,同化值更接近实测值,其EFF为0.84～0.93,NER为0.61～0.73,均为正数,且RMSE降低到0.006%～0.011%,提高了HYDRUS-1D模型模拟精度;在区域尺度上,不同深度同化值的r均为0.94以上,NER为0.61以上,优于模拟值和反演值,且同化精度随着深度的增加而降低。本文基于遥感数据和HYDRUS-1D模型的集合卡尔曼滤波同化研究,提高了土壤含盐量的模拟精度,对提高监测区域尺度土壤含盐量时空信息的精度具有一定的参考价值。     

气候变化影响下作物模型的不确定性

作物生理生长过程准确描述及产量的精确估计在社会食品安全和农业生产中起着至关重要的作用.作物生长模型作为一种监测作物生长的数值模拟方法,已被证明是作物生长、产量预测和情景分析的有力工具.然而,在当前气候变化背景下,气候走向的不确定性以及极端气候事件的增加,都对粮食生产产生了重大影响,如何对作物生长进行准确模拟成为当前的热点关注话题.同时,除了气候变化的不确定性外,由于作物模型本身是实际作物生长过程的简化,物理结构并不完美,同时数据采集的随机性和初始条件的区域异质性,导致模拟结果不确定性较大.因此,在论述作物模型的国内外研究进展的基础上,探讨气候变化的不确定性对作物模型的影响以及作物模型本身的不确定性,概述了模型-数据融合方法的类型及特点,以及区域尺度上作物模型与遥感数据结合所采用的减小不确定性的方法,以期为相关研究提供一定参考.     

夏玉米气孔导度模型适用性分析

气孔导度的准确估算对理解作物的水分利用生理机制、预测实际蒸散发量具有重要意义。基于北京大兴试验基地2016-2017年夏玉米气孔导度观测数据，分析了环境因子不同形式或不同组合对Jarvis模型模拟精度的影响效应，对比了5种气孔导度模型(包括Jarvis多因子模型、Jarvis双因子模型、Ball-Woodrow-Berry (BWB)模型、Ball-Berry-Leuning (BBL)模型和统一气孔优化(USO)模型)的模拟效果，提出了模型在不同尺度下的适用性建议。结果表明：环境因子响应函数的形式与组合方式均较大程度影响Jarvis模型的模拟精度；5种气孔导度模型整体模拟精度为USO模型>BBL模型>BWB模型>g_sd-3模型>g_s-2模型。Jarvis双因子模型输入数据较少且数据获取方便，在区域尺度适用性更好；BWB和BBL模型精度更高而输入数据获取较难，适用于农田尺度的估算；USO模型输入数据少且易于参数率定，在农田尺度和区域尺度均有较好的适用性。在实际应用中应综合比选环境因子的组合形式及模型结构，将更有利于提升...     

杨桃果实几何造型及可视化研究

针对虚拟作物研究中的作物个体或器官几何造型问题,采用截面方式建立球面模型,对球体横截面半径进行变形处理;根据主轴控制点和横截面半径控制函数模拟杨桃果实的几何造型,并用横截面半径上的随机函数来控制果实表面的凸凹纹理.该方法参数物理意义明确,结构简洁,易于理解和编程实现.     

多个部分与整体间异速生长关系的联合分析模型

简单的异速生长模型的反函数还是一个幂函数,也可以用于确定有机体的异速生长尺度关系;但此时得到的尺度指数(即异速生长指数)的含义,与由简单异速生长函数得到的尺度指数具有相反的生物学含义。基于以上考虑,建立了一个整体与多个体成分的联合静态异速生长尺度模型。此模型不但可以用来联合估计多个部分和器官相对于整体的异速生长指数,而且考虑了多个部分或组织器官之间的相互关系,大大方便了统计推断和实践应用。基于个体发育的异速生长是具有时间依从性的,因此个体的异速生长是用多元逐步回归分析整体与多个体成分和器官随着时间的改变量。异速生长尺度的联合分析法适用于分析那些具有相同或相似的多个生物学性状和功能,本文将通过对两个实例的分析来详细阐明。     

基于动态模拟的作物系数优化蒸散量估算研究

通过作物生长模型动态模拟的冬小麦全生育期潜在蒸散量和实际蒸散量计算冬小麦各生育时期的模拟作物系数,并与FAO提供的冬小麦各个生长阶段的标准作物系数对比,验证了其数值和变化趋势的准确性。基于地面实测和遥感反演的叶面积指数,建立了作物系数与叶面积指数的经验对数模型,根据遥感反演的叶面积指数获取冬小麦全生育期以天为步长的区域尺度的作物系数。利用冬小麦各生育时期模拟作物系数与以天为步长的区域尺度作物系数的比值优化蒸散量模型,获取关中平原2013—2014年冬小麦全生育期优化前后的蒸散量反演结果。通过与实测数据对比,发现优化前最大相对误差为14.36%,优化后最大相对误差为9.89%,优化后的蒸散量反演模型比未优化的蒸散量反演模型能够更加准确地反演冬小麦全生育期的蒸散量,特别是在低植被覆盖条件下的反演精度有明显的提升。     

基于PSO的DSSAT水稻品种参数优化

农业技术转移决策支持系统（DSSAT）在农业领域的应用越来越广泛，应用DSSAT的首要工作就是估计作物品种参数。GLUE参数估计器是DSSAT自带的参数估计工具，但GLUE参数估计器所估计的品种参数并不总有效，其估计参数的DSSAT模拟精度往往不高。本文利用4个品种水稻的田间实测产量数据，采用对比分析方法，以DSSAT自带的GLUE参数估计器运行结果为参照，将粒子群优化（PSO）的每个粒子视为一组水稻品种参数，在运行PSO算法过程中调用DSSAT模拟水稻产量，依据产量模拟误差和PSO的运行机制修改粒子，从而验证PSO优化DSSAT水稻品种参数的有效性及可行性。研究结果表明：两种算法均能较好识别DSSAT水稻品种参数，但GLUE参数估计器估计参数无效的频次较高；与GLUE参数估计器相比，PSO识别的参数均为有效参数，其优化参数的DSSAT模拟水稻产量的精度更高，标准化均方根误差（NRMSE）处于5.98%~8.78%之间，明显低于GLUE参数估计器的6.89%~18.06%，所模拟的水稻产量也更接近于实测产量。