曹宏鑫等：农业模型概念、分类和建立过程

本文节选自：

曹宏鑫, 葛道阔, 张文宇, 张伟欣, 曹静, 梁万杰, 宣守丽, 刘岩, 吴茜, 孙传亮, 张玲玲, 夏吉安, 刘永霞, 陈昱利, 岳延滨, 张智优, 万倩, 潘月, 韩旭杰, 吴菲. 农业模型发展分析及应用案例[J]. 智慧农业(中英文), 2020, 2(1): 147-162.

CAO Hongxin, GE Daokuo, ZHANG Wenyu, ZHANG Weixin, CAO Jing, LIANG Wanjie, XUAN Shouli, LIU Yan, WU Qian,  SUN Chuanliang, ZHANG Lingling, XIA Ji'an, LIU Yongxia, CHEN Yuli, YUE Yanbin, ZHANG Zhiyou, WAN Qian, PAN Yue, HAN Xujie, WU Fei. Developmental analysis and application examples for agricultural models[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(1): 147-162.

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农业模型概念、分类和建立过程

1　农业模型概念

农业模型，亦称农业系统模型、农业计算机模拟模型等，它是为研究农业问题的定量规律所建立数学模型的总称。具体而言，它是以农业系统要素包括农业生物、农业环境、农业技术、农业经济等为研究对象，根据农业系统学与农业科学原理，对农业系统要素内及要素间关系的定量化表达（图1）。经检验和验证后，它可用于农业系统要素及其因子发生发展过程及结果的定量预测、监测、预警与决策控制。农业模型和农业系统模拟既紧密联系又相互区别，农业模型是农业系统要素内及要素间关系的一种逻辑上的数学表达；而农业系统模拟则包括建立模型和模型操作，是一项技术和过程。

图1　农业模型概念图示

Fig. 1 The concepts of agricultural models

农业模型是智慧农业的核心要素，智慧农业的信息感知、信息传输、信息处理和控制三大技术体系，每一项都离不开农业模型支撑。首先，信息感知包括接触与非接触式感知两大类型，接触式感知主要是通过物理、化学、生物类传感器材料和信号进行感知；非接触式感知则主要是通过光、声、波、图像等过程和信号进行感知；两类信息感知都有由信号到农业参数的过程，都需要大量农业模型加以实现。其次，信息传输包括有线和无线传输两种方式，都存在由数据到信息再到数据的过程，同样需要农业模型支持和处理。第三，信息处理和控制主要是通过分析与处理获取的数据，再制定相应控制方案，更需要农业模型支持（图2）。

图2　农业模型与智慧农业过程关系图示

Fig.2 Relationships between agricultural models and smart agricultural

2　农业模型分类

采用不同分类方法可以将农业模型分为不同类型。依据研究对象不同，农业模型可分为农业生物模型（包括农业植物模型、农业动物模型和农业微生物模型等）、农业环境模型（包括农业气候或气象模型和农业土壤模型等）、农业技术模型（包括农业生物技术模型、农业生态技术模型、农业信息技术模型和农业产后技术模型等）以及农业经济模型（包括农业经济计量模型、农业市场模型和农业管理模型等）等；依据建模方法与本身性质不同，农业模型又可分为经验性、半机理性和机理性模型，其中，经验性模型主要采用统计学方法建立，因其参数估计所用数据未表现土壤、管理、气象及其他条件变化，其结果不能外推，也难以适用于估计未来气候变化的影响；机理性模型即动态系统模拟模型，具有描述系统状态变化过程的功能，可响应气象和管理措施等外部变量；半机理性模型则介于二者之间。如将上述两方面结合，农业模型可分为4大类、12个主要种类及36个亚类（表1）。

表1 农业模型分类

Table 1 Classification of agricultural models

3　农业模型建立过程

农业模型和农业系统模拟主要包括农业系统定义、建立模型、数据准备、模型转换、验证模型、模型有效性、模型试验设计、模型运行、结果分析及建立文件等过程与步骤（如图3）。其中，定义农业系统需要对其调查研究和定性分析，其实质就是一种“实践—认识”过程；建立农业模型则是将真实农业系统抽象简化，也是在数据准备等实践基础上对农业系统的进一步认识；验证农业模型就是将所得到的初步认识与实践结果比较，以判断其有效性；随后一系列农业模型运行和结果分析都是进一步再实践再认识的过程。

图3　农业模型与农业系统模拟过程图示

Fig. 3 Simulation process of agricultural models and agricultural system

作者简介

曹宏鑫，博士，研究员，江苏省农业科学院学术委员会委员、农业信息研究所原副所长、CIMMYT与澳大利亚Queensland大学访问学者，江苏省首批中青年科学技术带头人、兼职硕士、博士及博士后导师。主要研究方向：信息农业关键技术研究与应用。近5年主持国家、部省级课题16项。共获省级科技进步奖二等奖3项、三等奖3项、江苏省农业科学院科学技术奖一等奖1项、知识产权21项，主編著作3部，其中，《互联网+现代农业：给农业插上梦想的翅膀》获2018年华东地区科技出版社优秀科技图书一等奖，发表研究论文140余篇，SCI/EI收录30篇、出版专著3部。《智慧农业（中英文）》等期刊编委、全国农业物联网产业技术创新战略联盟常务理事、中国农学会农业气象分会副理事长、中国农学会计算机农业应用分会副主任委员、中国仿真学会农业建模与仿真专业委员会副主任、中国自动化学会智慧农业专业委员会委员、国际先进农业信息处理专委会委员。