作物生长模拟模型及其应用
3
杨京平3
3
王兆骞 (浙江大学农业生态研究所,杭州310029)
【摘要】 论述了作物生长模型在国内外的研究及其发展过程,作物模型的机理及在农业生产中的作用,对作物
生长模型在生产应用中存在的问题及今后的发展方向进行了讨论.关键词 作物生长模型 模拟 应用
C rop grow th simulation model and its application.Y ang Jingping and Wang Zhaoqian (Institute of A gricultural E 2cology ,Zhejiang U niversity ,Hangz hou 310029).2Chin.J.A ppl.Ecol.,1999,10(4):501～505.
This paper reviewed the present situation of related study development of Crop Growth Simulation Model (CGSM ),and its mechanism and role in agricultural production.The existing problems of the model in application and its devel 2opmental direction in future were also discussed.
K ey w ords Crop growth model ,Simulation ,Application.
3荷兰及国际水稻研究所合作资助项目(SARP 2Ⅲ
). 33通讯联系人. 1997-05-20收稿,1997-10-27接受.
1 引 言
作物生长模拟技术是60年代初在欧洲及美国出现的,其思想方法是从工业生产分析所用的系统工程方法借鉴而来.1965年荷兰的作物生长系统分析及模拟先驱de Wit 扩展了前人的有关作物对光截获和转化、叶层光合作用的知识,并构建了作物冠层的光合作用模型[19].他的开创性工作及后来的类似研究,加上计算机科学技术的飞速发展,导致在作物光合作用、生长过程模型研究的广泛开展[3,20,23].现今,在工业发达的国家,仿真模拟已经成为广泛使用的技术工具,但在发展中国家仍然处在起步阶段.近十几年来,美国及国际上的主要农业研究刊物都发表了许多有关作物生长模型的研究与应用的论文.在全球主要有两大研究机构在进行作物生产模拟研究、应用与推广工作,即荷兰的瓦赫宁根农业大学的理论生态系(TPE 2WAU )、土壤肥力与农业生物研究所(AB 2DLO )及美国的德州大学实验站和国际农业技术推广网络(IBSNA T ),澳大利亚及欧洲现在也在研究开发作物生长及农业生态模型.
2 作物生长模拟模型
模型是对所研究的系统简化与概要的描述[12],因此作物生长模拟模型是利用计算机技术借助数学模型对作物2土壤2大气系统中作物的生长发育及产量形成与外界环境的系统组成与变化进行动态仿真的过程.这种模拟是对作物生理生态过程的动态与概要描述. 由于计算机科学的发展,目前国内外一些研究人
员在作物生长模拟模型上进行的研究工作已经推出了
几种主要的模拟模型(表1)[6,12,16,30,34].从作物生长模型的结构来看,它包括了作物生长发育的一些主要过程:光合作用过程、养分摄取(地下根系的生长动态)、同化产物分配、蒸腾作用过程、生长和呼吸作用、叶片的生长与扩展和形态发育与衰老过程[11].大多数模型都结合了上述所列的主要过程,并以多种方式来处理这些过程.由于作物生长系统的复杂性,因此要建立的模型必须考虑各种外界的环境因素与变化过程对作物本身的影响,这必然使模型变得庞大而失去实际意义.为此1982年de Wit 和Penning de Vries 提出了将作物生长模拟划分为4个水平[12],1)生产水平1:潜在生产.作物生长在水分与养分充分保证的条件下,其生长速率与产量潜力仅受温度与光照条件影响.2)生产水平2:水分限制下的生产.作物生长过程中部分时期受到水分短缺的影响,但养分充足.3)生产水平3:N 素限制下的生产.作物生长过程中部分时期受到N 素短缺的影响,其他时期受到水分与气候因子的影
响.4)生产水平4:养分限制下的生产.作物生长过程
中部分时期受到P 素或其他矿物元素短缺的影响,其余时期受到N 素、水分和气候因子的影响.在上述4种情况下,考虑害虫、杂草的影响将进一步降低作物的产量[12,26,30].但是实际作物生长过程并非如上所述的4种情况.对照表1所列的作物生长模拟模型,目前所研究与开发的作物生长模型主要是在第一及第二生产水平上较多,而在第三水平的作物生长模型则仍在研
应用生态学报 1999年8月 第10卷 第4期
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Aug.1999,10(4)∶501～505
表1 国内外研制的主要作物生长模拟模型
T able1Main crop grow th model developed in China and abroad
编制者Developer 模型
Model
作物
Crops
输入要素
Inputs
输出结果
Outputs
模拟步长
Steps(d)
程序语言
Language
Penning de Vries MACROS水稻、小麦、玉米气象因素、作物参数、形态发育及生育期,根、茎、1CSMP 1988等一年生作物土壤及土壤水分参数叶、籽粒干物质重、叶面积指数
Williams Rebards EPIC谷类作物气象要素、作物、土壤及作物产量、土壤水分动态径流1FORTRAN 1982土壤水分
Baker,D.N.,Mackinion GOSSYM棉花气象要素、施肥、土壤类型棉产量1FORTRAN 1982
Jones,C.A.,K iniry,J.R.CERES玉米、水稻、大麦、日照、空气温度、土壤水根、茎、叶、籽粒的干物质,叶面1FORTRAN 1986小麦等作物分、日长、作物参数积,根长度与密度,生育期
Loomis,R.S.PO TATO马铃薯空气温度及变幅,根、块茎、茎、叶的生1FORTRAN 1984土壤温度,作物参数长量,器官的生长发育
Spitters,C.J.,Van Keulen SUCROS谷类作物气象要素,田间参数,形态发育,地上各个器官干重,1CSMP
作物参数叶面积指数
1989
高亮之等RICEMOD水稻气象因素,作物参数生长期,形态发育,1BASIC 1989产量,分蘖动态
戚昌翰等RICAM水稻气象因素,作物参数生长期、形态发育、产量1BASIC 1989
Martin Kropff OR YZA21水稻气象因素,作物参数潜在产量,生育期、形态发育等1FSE 1990管理因子
究开发中[24,36].
3 作物生长模拟模型的特性
作物生长模拟模型是动态的、解释性的模型.通常借助Forester(1961)的状态变量法来研究作物系统组成成分之间的关系,即使是最简单的状态反馈图,也始终包含一个状态变量,其变化受制于一个速率和一个从状态到速率的信息流,因此作物生长模拟是一个动态的模拟过程.生物科学的特点是将复杂的有机生命体区分成不同等级的系统进行研究,并将其概念化(分子、细胞器、细胞、器官、植株个体、种群与群落).而这种划分是区分解释性和描述性模式的起点[12].在解释性的作物生长模拟方法中,可以使用子模式的方式去体现叶子、细胞、气孔的活动或光合作用过程.例如,叶片光合作用及反应过程特性是低层次的细胞和叶绿素反应过程的结果,而冠层光合作用是所有叶片光合作用的集合,所以通常在较低系统内的过程结合为一个模式,而在较高系统层次上了解认识有机体的活动现象并输出其结果到其它过程之中,这在荷兰的作物模型中最为典型.然而,子模式之间通常并非是有序进行的,它们相互之间处于平行或者连续进行方式中,因而常采用分层嵌套方式来处理.但各种过程的时间系数或对外界反应时间是不一致的,因此如不注意会导致生长模拟的许多严重问题.其次,作物生长模型的解释性是因为模型包含的速率变量计算是基于最基本的生理和生物化学过程的解释知识.
由于作物生长过程是一个连续过程,因此,这样一个过程总是由积分来完成的,通过引进一些边界条件及限制因素而将微分方程转化为差分方程并进行积分,大量作物模拟因子都使用逐日的积分时段.在表1中,多数模型的积分时间步长为1d,这是因为与作物生长的有关因子尤其是气象因子的强制函数日过程(辐照与温度)不能处理得令人满意有较大关系[12,30].
4 作物生长模拟模型的应用
作物生长模型已经开始在发达及发展中国家应用,我国通过引进国外模型及自主开发,也开始在作物栽培及管理上加以应用[2,5,7,8].就目前作物生长模拟模型研究与应用的功能来讲[1,5,12,16,30],主要在以下几方面:
4.1 产量预测
Kropff[27]在国际水稻所运用OR YZA21探讨了热带地区水稻产量的上限和不同因子决定产量潜力的大小与范围(作物冠层持续期、碳水化合物从茎到籽粒的转运率、灌浆持续期和小花密度),其结果显著地影响了国际水稻研究所设想的“超级稻”计划.Aggarwal和Penning de Vries[13]运用作物生长模型对春小麦在泰国、菲律宾、印度尼西亚种植的可行性及生产潜力进行了研究.结果表明,在东南亚许多地区有种植春小麦的潜力,其在灌溉稻田产量变化为3.0～5.0t?hm-2,在100～2000m海拔内,每增加400m产量潜力增加1.0t ?hm-2,在无灌溉地区产量潜力依赖于土壤深度及旱季降雨量.考虑播种时期及播种时土壤水分状况,春小麦产量潜力为灌溉稻田小麦潜力的30～90%. Matthews[28]运用作物生长模型探讨了全球气候变化对作物生产的影响.高亮之等[5]利用水稻种的模型估算了杂交籼稻、迟熟中籼、常规中粳、早熟晚粳品种在长江流域的最适生产季节和产量,表明在4月10日到
205应 用 生 态 学 报 10卷
5月20日的最适播期内,光合产量变动在7.95～1.125t?hm-2,杂交稻高于其他品种,其中豫南地区为产量的高值区,四川盆地为低值区,两者差异在1.5t?hm-2左右.
4.2 作物育种
国际水稻研究所已开始用作物生长模型模拟作物形态和生理特征在不同环境下的变化并进行育种及帮助选择理想株型[31].Aggarwal[14]在国际水稻研究所与荷兰合作项目中提出了利用作物生长模型进行育种的形态设计、评价选择方法.这个方法需要运用在目标区域已被校验过的作物生长模型和在目标区域环境下作物参数临界值范围.对这些作物参数在遗传性变异范围及可能的水平通过作物种质测定结果来决定.这在利用父母本进行杂交试验中是非常重要的.
在确定临界值及可遗传性状的变异范围,可以建立起假设的具有一个及多个品种特性方面变异的品种,在这个方法中,不同品种特性是随机的,因此通过模拟可以确定来自不同品种性状特性平均值(对照品种)的分离程度和其对产量影响的结果.借助这种方法产生的“品种”模拟了当父母本杂交后不同性状在后代的随机分离行为,因而这种假设品种产量可在特定环境下通过模拟确定,从而制订单一性状的育种目标. Aggarwal[14]利用修正后的OR YZA1作物生长模拟模型研究了在叶面积、N浓度、不同发育时期和库容同时变化对灌溉水稻产量的影响.利用Monte Carlo模拟方法产生了500种不同性状特性随机组合的品种.运用生长模型他们发现IR72作为对照品种在良好氮肥管理下具有最大产量潜力.另一个重要发现是,即使是在种质培养中证明是具有高产潜力的品系,但目前氮肥管理方式不利于选育出高产潜力品种.因为这些高产品质特性需要良好的N环境才可以获得高产量潜力.基于概念模型、定性生理模型和生长模拟模型以及基因研究的结果,国际水稻研究所提出了新的用于水稻直播生产的理想株型[22,23]:低分蘖力每株3～4个小穗,没有无效分蘖,每小穗200～250粒,株高90～100cm,强壮茎秆,发达根系,多抗性,生育期110～130d,收获指数0.6,产量潜力为13～15t?hm-2.
4.3 田间作物生产管理
利用作物生长模型可以进行不同播种时期、密度、灌溉时间与次数和肥料使用量在不同环境状况下对长期平均产量和产量潜力的影响,并对栽培措施加以优化.在某些条件下,作物模型指导田间试验用于检测模型所预测的结果[17,24,36,38].在菲律宾,国际水稻研究所利用作物模型和二化螟模块模拟了二化螟对水稻植株分蘖的早期危害及水稻本身的补偿作用.提出了降低早期防治二化螟用药量的建议[33].在印度中央水稻研究所,运用国际水稻研究所和荷兰合作项目SARP 开发的作物生长模型及作物吸N反应模式OR YZA2 0,进行了灌溉水稻的N肥运筹优化[18].其模拟分析结果表明,在干旱季节粘壤质地的水稻土上,最佳氮肥使用量为120kg?hm-2,使用时期为在小穗分化期前.采用模型所建议的N肥使用次数,在120kg?hm-2氮肥施用量可以获得高的生物量、N吸收量和产量,这个结果高于目前在印度实际水稻生产中使用的氮肥量.我国高亮之等[5]应用自主开发的RICEMOD模型对长江流域不同区域水稻生产进行了播期、移栽期、密度的模拟与优化分析.戚昌翰等[6]也利用RICAM模型编制了水稻生长日历,并进行调控措施和产量预测运用.浙江大学农业生态研究所通过与荷兰及国际水稻研究所合作,利用荷兰作物模型开发建立了早籼稻、晚粳稻、杂交稻、玉米等作物模型,并用于实际生产栽培指导工作[7,9,10];郑志明等[4]利用作物模型及建立的OR YZA20获得了水稻最大经济产量的氮肥优化施肥管理方案,并在金华实地验证推广,取得显著节N增产效果.
运用作物生长模型进行作物种植制度的研究在国外也有报道[21,35].Timsina[37]用CERES系列模型模拟研究了印度及菲律宾麦2稻两熟作物种植制度的产量长期稳定性及其下降的原因.杨京平等[1,2]提出了利用作物生长模型建立作物种植制度的模拟模型与决策支持系统的构想与模型框架结构[1].
5 作物生长模型研究及应用中存在的问题
综观国外主要作物生长模拟模型开发研究的荷兰及美国的作物生长模型,可以发现荷兰的作物模型注重作物生长发育及产量形成的生理生态过程机制,对所涉及的光合作用、呼吸作用、叶片生长等进行了比较深入的生理生态过程模拟[1].由于其注重作物生长发育的基本生理过程,其模型可以适宜大多数的一年生谷粒作物.美国的模式注重从生产实际出发,模型结构在统计分析的基础上考虑了光合产物在各器官分配及受外界环境的影响,库与源之间,根系生长与养分吸收的关系较深入,并根据不同作物的特性建立不同的作物生长模型,从而为实际生产服务.国内开发的模型将理论与实际应用结合并加以优化,注重模型的简洁与实用性.
在作物生长模拟模型中面临的主要问题是模型用于生产实际的有效性与可靠程度.这个问题涉及到模
305
4期 杨京平等:作物生长模拟模型及其应用
式的验证与符合程度.模型的有效性首先依赖于建成模型的模式的质量与有效性,荷兰模型在对作物冠层光合作用、呼吸作用、同化产物转化成结构物质和物候期的模拟可靠性上较好,但对于形态发育、器官建成,同化产物在各器官的分配和可用性,K、P的吸收模拟则仍有待改进.其次是模型的验证与检验过程,由于模型是对真实系统的简化与概要描述,这种简化与概要描述是否与真实系统的变化反应一致,模型的误差及其与事实是否相符等问题,在模型运用之前就必须对模型进行检验.已有许多方法用来进行模式模拟结果与实际结果的比较分析[15,25,29].更进一步,作物生长模型应用受到限制的原因是在实际农作物生产中,农户面对的是许多的自然、生物、社会因子的相互影响与综合制约作物生长及产量形成过程,而目前的模拟模型还不能考虑全部的限制因子.对有些过程的模拟仍待进一步深入研究完善(例如土壤水分的运动与平衡及其和作物生长发育的连接耦合).
6 结语与展望
目前,作物生长模型虽然已经取得了长足的进步,但是在有些生理生态机理上仍然须作深入的研究并且进一步加以完善.现有模型的许多部分还有较多的经验性成分,如形态的发育进程、同化物分配、维持呼吸模拟与量化.在模型的运用上,由于模型的复杂性,加上模型的机理性越强,包含的参数越多,而参数的获取及可靠性将是影响模型应用的关键问题,但至今为止,与模型应用相匹配的参数获取、估算与计算方法仍很不完善,仍然有着许多方面需要深入的探索与研究.此外,如何考虑作物管理因子中社会及经济因素的影响,如何改善模型的可操作性以方便用户也是一个主要的限制因子.荷兰已经在这方面进行了有益的探索工作,推出了交互似的‘人2机’界面作物模型库集成SARP2 SHELL[32],运用Monte Carlo方法模拟不同的管理方式组合下的作物生长及产量的概率分布.另外,作物生长模拟的可视化与管理决策系统结合将是今后的方向之一,因此可以预见,随着作物生长模型的机制不断完善,对田间作物生产及区域种植制度的指导作用将会越来越大.
参考文献
1 杨京平.1995.作物种植制度计算机模型与系统分析的研究动态与现状.生态学杂志,14(6):57～62.
2 杨京平等.1993.江苏丹阳市作物及种植制度气候产量潜力的计算机模拟与分析.南京农业大学学报,1(1):7～12.
3 沈思渊.1990.作物产量的模拟模型.应用生态学报,1(3):270～276.
4 郑志明等.1994.水稻氮肥管理的OR YZA20模型之理论及验证.浙江农业大学学报,20(6):611～616.
5 高亮之、金之庆等.1992.水稻栽培计算机模拟优化决策系统.北京:中国农业科技出版社.124～134.
6 戚昌翰等.1989.水稻生长日历模拟模型与应用研究.江西农业大学学报,增刊:8～15.
7 潘德云等.1991.早籼稻生长发育和分蘖动态与潜在产量的模拟及其应用.浙江农业大学学报,增刊7:1～10.
8 潘学标等.1991.春播中棉生长与潜在产量模拟研究简报.浙江农业大学学报,增刊7:95～97.
9 潘德云等.1991.华东迟熟晚粳稻感光性与生育期和潜在生产量的模拟.浙江农业大学学报,增刊7:30～36.
10 潘德云等.1991.用计算机模拟模型制定水稻栽培农艺措施的研究.浙江农业大学学报,增刊7:97～99.
11 J.法朗士、J.H.M.索恩利著(金之庆等译).1991.农业中的数学模型.北京:农业出版社.
12 F.W.T.彭宁德弗里斯等著(王馥棠等译).1988.植物生长与作物生产的模拟.北京:科学出版社.10～45.
13 Aggarwal,P.K.&Penning de Vries.F.W.T.1989.Potential and water2limited wheat yields in rice based cropping systems in southeast Asia.A gric.Syst.,30:49～69.
14 Aggarwal,P.K.&Kropff,M.J.1996.The challenge of integrating systems approach in plant breeding:opportunity,accomplishments and limitations.In:Kropff,M.J.et al.eds.Application of Systems Ap2 proaches at the Field Levels.K luwer Academic Publisher.1～24.
15 Baker,C.H.&Curry,R.B.1976.Structure of agricultural simula2 tion:a philosophic view.A gric.S yst.,1:201～218.
16 Bouman,B.A.M.&van Keulen,H.et al.1996.The‘School of de Wit’crop growth simulation models:A pedigree and historical overview.A gric.S yst.,52(2-3):171～198.
17 Carberry,P.S.,Muchow,R.C.et al.1993.A simulation model of kenaf for assisting fibre industry planning in northern Australia.IV.
Analysis of climatic risk.A ust r.J.A gri.Res.,44:713～730.
18 Dash,R.N.&Rao,K.S.1996.Optimization of nitrogen fertilizer application to irrigated rice.In:Kropff,M.J.et al.Application of Systems Approaches at the Field Level.K luwer Academic Publishers.
259～270.
19 de Wit,C.T.1965.Photosynthesis of leaf canopies.Agricultural re2 search report663.PUDOC,Wageningen,The Netherlands,57p. 20 de Wit,C.T.et al.1978.Simulation of assimilation,respiration and transpiration of crops.Wageningen:Pudoc.
21 Dent,J.B.1993.Potential for systems simulation in farming systems research.In:Systems Approaches for Agricultural Development.
K luwer Academic Publishers.325～339.
22 Dingkukn,M.,Penning de Vries,F.W.T.et al.1991.Concept for
a new plant type for direct seeded flooded tropical rice.In:Direct
Seeded Flooded Rice in the Tropics.Selected papers from the Interna2 tional Rice Research Institute,P.O.Box933,Manila,Philippines.
17～38.
23 Dingkuhn,M.,Penning de Vries,F.W.T.et al.1993.Improve2 ment of rice plant type concepts:System research enables interaction of physiology and breeding.In:Penning de Vries,F.W.T.Teng,P.
et al.eds.System Approaches for Sustainable Agricultural Develop2 ment.K luwer Academic Publishers.19～35.
24 Keating,B.A.et al.1993.Adjustment of nitrogen inputs in re2 sponse to a seasonal forecast in a region of high climatic risk.In:Pen2 ning de Vries,F.W.T.et al.eds.Systems Approaches for Sustain2 able Agricultural Development.K luwer Academic Publishers,The Netherlands.233～252.
25 Keulen,H.van.1976.Evaluation of model.In:Arnold,G.W.&de Wit.C.T.eds.Critical Evaluation of Systems Analysis in Ecosystems Research and Management.Wageningen.22～29.
26 Kropff,M.J.1993.Modelling crop2weed interactions.CAB interna2 tional,Wallingford,Oxon,U K.20～66.
27 Kropff,M.J.&Peng,S.et al.1994.Quantitative understanding of rice yield potential.In:Breaking the Y ield Barrier.eds.Cassman.
IRRI,Philippines.5～20.
28 Mattews,R.B.&Kropff,M.J.1995.Modeling the impact of cli2 mate change on rice production in Asia.CAB International.Walling2
405应 用 生 态 学 报 10卷
ford,U K.304p.
29 Penning de Vries,F.W.T.1977.Evaluation of simulation models in agriculture and biology:conclusions of workshop.A gric.S yst.,2: 99～107.
30 Penning de Vries,F.W.T.et al.1989.Simulation of ecophysiolo2 gical processes in several annual crops.Simulation Monographs,PU2 DOC,Wageningen,The Netherlands.
31 Penning de Vries,F.W.T.et al.1991.Improving yield:Designing and testing VHYVs.In:Systems Simulation at IRRI.IRRI Res.
Pap.Ser.151,P.O.Box933,Manila,Philippines.
32 Riethoven,J.J.M.1994.The SARP-SHELL,A crop growth sim2 ulation environment.Research Institute for Agrobiology and Soil Fer2 tility(AB-DLO).Wageningen,The Netherlands.
33 Rubia,E.G.&Penning de Vries.F.W.T.1990.Simulaton of yield reduction caused by stem borers in rice.J.Plant Protec.i n the T rop2 ics,7(2):87～102.
34 Steiner,J.L.et al.1987.Evaluation of the EPIC simulation model using a dryland2sorghum2fallow crop rotation.A gron.J.,79:732～738.35 Tasi,T.T.1987.Optimizing multiple cropping systems:simulation studies.A gric.S yst.,25:165～176.
36 ten Berge,H.F.M.et al.1994.The OR YZA20Model applied to op2 timize nitrogen use in rice.In:ten Berge,H.F.M.et al.eds.Nitro2 gen Economy of Irrigated Rice:Field and Simulation Studies.Wa2 geningen,The Netherlands.
37 Timsina,J.,Singh,U.and Singh,Y.1996.Addressing sustainability of rice2wheat systems:analysis of long2term experimentation and sim2 ulation.In:Kropff,M.J.et al.eds.Application of Systems Ap2 proaches at the Field Level.London:K luwer Academic Publisher.
335～356.
38 Ungar,E. D.1990.Management of agropastoral systems in a semi2 arid region.Simulation Monographs.PUDOC.Wageningen,The Netherlands.
作者简介 杨京平,男,1963年出生,博士,副教授,主要从事农业生态学研究,发表论文12篇.E2mail:jpyang@https://www.doczj.com/doc/382592941.html,
简讯
1997年影响因子最高的中国科技期刊150名排行榜(节选部分)
(中国科学引文数据库课题组)
期刊名称影响因子期刊名称影响因子1 岩石学报0.663426 中华心血管病杂志0.3612
2 地质学报0.628627 遗传学报0.3582
3 植物学报0.628528 矿床地质0.3580
4 中国科学.B0.595729 固体电子学研究与进展0.3571
5 地学前缘0.557030 地质科学0.3516
6 第四纪研究0.547631 中国药理学与毒理学杂志0.3481
7 力学进展0.528732 分子催化0.3421
8 地球物理学报0.523333 分折化学0.3408
9 古脊椎动物学报0.479234 实验生物学报0.3402 10 植物生理学报0.472935 中国腐蚀与防护学报0.3396 11 植物生态学报0.464336 科学通报0.3373 12 生态学报0.441037 地理学报0.3333 13 地球化学0.440738 化学学报0.3325 14 中华肿瘤杂志0.431439 药学学报0.3324 15 中国水稻科学0.425540 气象学报0.3308 16 中国农业科学0.406941 作物学报0.3308 17 物理学进展0.403542 云南植物研究0.3269 18 中华微生物学和免疫学杂志0.400943 环境科学学报0.3265 19 应用生态学报0.393144 生物工程学报0.3258 20 催化学报0.390045 空间科学学报0.3232 21 控制与决策0.385546 地震学报0.3197 22 计算数学0.377647 中国科学.A0.3196 23 病毒学报0.371948 物理化学学报0.3153 24 大气科学0.369949 军事医学科学院院刊0.3128 25 测绘学报0.367350 电网技术0.3092
摘引自《中国科技期刊研究》,1999,10(2):168505
4期 杨京平等:作物生长模拟模型及其应用
三维伊辛模型的蒙特卡罗模拟 吴洋 新疆大学物理科学与技术学院，新疆乌鲁木齐（830046） E-mail: 328627928@https://www.doczj.com/doc/382592941.html, 摘要: 本文采用蒙特卡罗方法模拟三维晶格系统伊辛模型。在不同温度下，分别模拟了具有简立方晶格、体心立方晶格及面心立方晶格相互作用的三维伊辛模型。模拟结果表明：在高温下，系统磁化消失。在低温下，系统具有磁性，并存在一个临界状态。同时研究了三种晶格的磁化率、能量及比热随温度的变化趋势。 关键词:三维伊辛模型；蒙特卡罗方法；临界态 中图分类号：0552.6 1．引言 伊辛模型是一个简单但很重要的物理模型[1-5]，伊辛在1925年解出的精确解表明一维伊辛模型中没有相变发生。二维伊辛模型[6-10]的临界问题及精确解在40年代由昂萨格严格求出。人们采用了分子场理论及其改进理论、高温级数展开、低温级数展开、重整化群理论等多种方法计算三维伊辛模型[11-16]的解，但至今没有被学术界公认的三维伊辛模型的精确解。本文通过蒙特卡罗方法模拟得到三维伊辛模型的近似解。 2．模型分析与计算 2.1 模型格点选取 本文研究三维伊辛模型的解，选取三维格点。首先我们选取最简单的简立方格点，因为它具有典型性和代表性，它是直接由二维平面4个最近邻延伸到三维空间6个最近邻。然后，再推广到体心立方晶格和面心立方晶格，只是最近邻点数目增加，处理问题的方法是相同的。 2.2 模型边界条件分析 我们选取周期性边界条件，因为考虑到计算机的运算能力有限，所研究模型的大小也应是有限的。但我们又要模拟无限大的空间系统，只有将边界条件取为周期性，才很好的解决了这个问题。无论是对于简立方格点还是体心立方格点和面心立方晶格，只要是处于边界的格点，可以通过周期边界条件进行延伸，从而保证每个格点周围的最近邻格点数是一致的。使用周期性边界条件，通常还可以减小来自边界的干扰。 2.3 反转概率函数选取 采用蒙特卡罗模拟方法研究三维伊辛模型，反转概率的选取是很关键的一步。假设一个自旋反转使系统的能量降低，由于我们总是想要处于或靠近模型的基态，我们应当以概率为1接受这一变动。因此，在能量变化为负的情形下，我们取跃迁概率为1。但是，这样一来，我们就陷入能量极小之中。为了避免发生这种情况，我们也要接受能量增加的变动。不过我们只允许能量增加的变动很少发生，因此它们的反转概率很低。我们可以将反转概率和[0，1]之间的随机数比较，确定是否反转。 2.4 具体计算步骤 1) 先选定格点规格L*L*L,对温度(即J/KT)赋初值. 任选一个自旋点阵排列为起始状态,
DSSAT模型在农业应用领域研究综述 摘要：为了掌握农业转移支持决策系统(Decision Support System for Agrotechnology Transfer, DSSAT)模型在国内农业应用领域的研究进展，更好地让模型在今后气候变化对农业生产影响评估和适应研究中应用，本文以近年来国内的研究和实践为基础，全面总结了模型的应用进展。结果表明：DSSAT模型在中国应用比较广泛，包括不同地区和不同作物之间；利用DSSAT模型研究气候变化对农业生产的影响的研究较多，研究结果比较丰富。但模型在应用中存在研究方法和结果比较分散、应用的作物种类有限、数据需求量大而试验数据有限等问题，这些都需要在今后的研究中不断完善解决。 关键词：DSSAT;气候变化;农业；应用进展 引言 本文综述了近年来农业技术转让决策支持系统(Decision Support System for Agrotechnology Transfer, DSSAT)模型在我国农业与气候变化领域的应用，为模型的进一步应用，即在气候变化对农业影响与适应方面，以及产量及生产潜力预测、种植制度选择等方面提供研究依据，也对未来模型的进一步应用研究有着积极的支撑作用。 自20世纪90年代，中国开始引进DSSAT模型，在不同田间管理和气象条件下进行土壤水分变化、产量潜力进的大量研究，对DSSAT模型在中国不同地区的适用性进行了验证，并提出了不同模拟试验和数据库构建方法，以及参数的修订和优化方案，为模型的应用提供了参考，取得了丰硕成果。随着气候变化研究的不断深入，DSSAT模型在农业与气候变化领域的应应逐渐广泛和深入，有效支撑了气候变化对农业生产的影响与适应研究，推动了模型应用研究的创新与进步。 1 DSSAT模型概况 农业技术转让决策支持系统(DSSAT)山美国乔治亚大学组织丌发，其可以通过一系列程序将作物模拟模型与土壤、气候及试验数据库相结合，进行长期、短期的气候应变决策[1]。其在中国的气候变化对农业生产的影响评估和适应性研究的应用已经丌展很多工作，是目前气候变化影响评估领域应用比较广泛的作物模型之一。DSSAT包括主程序（实验设计和数据管理）和八大功能模块：实验模块(XBuild);画图工具模块(GBuild)；土壤数据模块(SBuild)；实验数据文件模块(Experiment Data)；气象数据文件模块(Weather Data)；单季实验分析模块(Seasonal analysis)；轮作实验分析模块(Sequence analysis)；空间实验分析模块(Spatial analysis)[2]。 自模型引进国内以来，许多研究者介绍了模型的基本情况和应用动态。1996年，罗群英等[3]以DSSAT 3.0的研究和实践为基础，从DSSA T 3.0外壳和作物模型两方面来阐述其新特点以及应用前景，这是国内较早的关于DSSAT模型的介绍。随着模型应用和研究的深入，近年来，刘海龙等[4]针对农业技术推广决策支持系统DSSAT作物系统模型的发展历程、模型结构、数据输入输出、研究进展等进行了综述。王文佳[5]利用CropWat计算得出的冬
BIM模型都可以做哪些模拟与分析 导读 之前小编看到过一遍潘石屹先生以SOHO实例讲解的BIM的四个层面问题及BIM的价值体现，那么BIM模型可以做哪些模拟和分析呢?BIM 在建筑行业中起到了哪些作用?BIM的长处可以在工程还没实际进行前，透过拟真的事前分析与模拟，来协助各项决策及运筹帷幄，则能够降低甚至避免工程中可能发生的误解、冲突、错误、浪费与风险等。环境影响模拟 此部分的模拟工具通常需要LOD 200的BIM几何模型，而目标建筑物周遭环境之建筑物则可用LOD 200的BIM几何模型或只需LOD100之量体模型即可，再搭配数字地形图与地图，来进行一年四季的日照与建筑物阴影相互影响等之分析，甚至再搭配能进行流体动力分析之工具来进行建筑物周围风场之模拟。 2节能减碳设计分析 此部分之应用工具随着近年来对节能减碳的要求，及绿建筑规范之发展而越来越受到重视，工具软件的功能也越来越细致。通常这类工具必须要能让用户输入气象单位提供的当地全年气候数据，然后根据对日照热辐射及室内采光、通风与空调之模拟，来考虑符合人体舒适度及室内照明需求的节能减碳设计，例如外壳隔热、遮阳、自然通风等，减少照明及空调之使用，达到节能减碳目的。在室内通风与热流之分析中，通常需要LOD 200甚或LOD 300之BIM模型。开口、玻
璃、隔间等与其材质、透光度、导热性等信息，也牵涉到照度模拟、流体动力计算与热传导分析，详细的分析多需要大量之计算，而目前大部分的应用工具多采用较简易快速的分析方法，毕竟在初步设计规划阶段，只要能满足设计方案的比较与节能减碳效益粗估上的精确度要求即可。 此类分析模拟工具的发展空间还很大，一方面是在分析的精确度与可视化呈现及模拟效能的提升方面，另一方面则是现代建筑与设施日渐智能化，利用许多自动的感测装置及半自动或自动的控制装置来达成节能减碳目标，但如何将这些控制机构及情境(例如，随室内温度变化与需求而自动开关的窗户)纳入分析模拟当中，则仍是需要继续努力的研究与应用议题。 3音场模拟 此部分的应用多是在设计对声音的质量要求较高的场所时，例如，音乐厅、剧场、电影院等，也可能是需要对音响或噪音的影响进行评估时，例如户外表演场所、机场、火车、高速道路等对周遭环境之影响。通常需要LOD 200甚或LOD 300的BIM模型。把隔间、室内装修及主要摆设等之几何与其材质吸音能力等信息，再配合专业软件来完成分析。 4结构分析 此部分的分析工具已发展多年且也相当成熟，只是过去通常都是由结构工程师根据2D建筑图说自行建构分析所需之三维模型，现在则可以由LOD 300的BIM模型中自动导出所需之几何及材料属性信息，
作物模拟模型的概念、类型、基本原理及其研究和应用进展 作物生产系统是一个复杂的多因子系统，受气候、土壤、作物及栽培管理技术等因素的影响。在综合考虑这些因子的相互作用，预测和分析作物生长趋势等方面，作物信息技术有着其它工具不可替代的优势。而作物模拟模型则是作物信息技术中的一个重要组成部分。它在快速决策农艺措施的效应等方面起着重要作用。作物生长模拟系统是用系统的观点，把作物生产看成一个由作物、环境、技术、经济4个要素构成的整体系统，综合多种相关学科的理论和成就，通过建立数学模型来描述作物生长发育、器官建成和产量品质形成等与环境之间的数学关系，并在计算机上实现模拟作物生产全过程的一个软件系统。作物生产管理决策系统是以作物模拟模型为中心，与知识工程和专家系统、决策支持系统等一起构成的用于作物生产管理和生产决策的大型软件系统，是作物模拟模型发展的最终目的，是其向综合性和应用性发展的表现。 一、模型的定义、类型及特征 1、定义 系统是一组相关成分的集合体。系统模型是对系统成分及其相互关系的一种简化的数学表达。作物模拟模型着重对作物生长发育过程及其与环境的关系进行定量描述和预测。作物生长模型，其全称为作物生长模拟模型（CropGrowthSimulationModel），简称为作物模型（CropModel），是指能定量地和动态地描述作物生长、发育和产量形成的过程及其对环境反应的计算机模拟程序。它是对气候、土壤、作物和管理复杂系统的简化表达形式。作物生长模型对作物生长和发育的基本生理生态机制和过程的模拟，又被称为机理模型（functionalmodel）或过程模型（processmodel）。可在全球范围内用来帮助理解、预测和调控作物的生长发育及其对环境的反应。 2、类型 作物模型按其不同的功能可分为经验模型与机理模型，描述模型与解释模型等。其中前一类模型经验性的成分多一些，后一类模型则机理性的成分多一些。 按照模型所描述的作物种类，作物生长模型可分为单作物专用模型和多作物通用模型。单作物专用模型（modelforsinglecropspecie）是根据某一具体作物的生理生态特性开发研制而成并专门用于该作物生长模拟的模型。多作物通用模型（modelformultiplecropspecies）是根据各种作物生理生态过程的共性研制而成模型的主体框架，再结合各种作物的生长参数和田间管理参数分别进行各种作物的生长模拟。 3、特征 成功的作物模拟模型应该具有系统性、动态性、机理性、预测性、通用性、便用性、灵活性、研究性等特征。 二、原理 作物模拟模型建立原理如下：假设作物生产系统状态在任何时刻都能够定量表达，该状态中各种物理、化学和生理机制的变化可以用各种数学方程加以描述；且作物在较短时间间隔内物理、化学和生理过程不发生较大的变化。这样则可以对一系列的过程(如光合、呼吸、蒸腾、生长等)进行估算，并逐时累加为日过程，再逐日累加为生长季，最后计算出整个生长期的干物质产量或可收获的作物产
全国网游动漫学院项目（天津地区） 三维模型专业模拟题 一、单选题 1、Revelve命令的正确使用方法是（）。 A：选择曲面执行Revelve命令。B：先点击命令再选择要旋转的曲面。 C：选择曲线点击Revelve命令。D：先点击命令再选择要旋转的曲线。 2、下面哪个不是多边形建模的命令：( ) A、Combine B、Smooth C、Loft 3、当我需要补面时，下面哪种是错的：( ) A、使用Append to Polygon Tool来补 B、使用Extract来补 C、使用Fill Hole来补 4、模型创建的方法有：( ) A、多边形建模 B、曲面建模 C、细分建模 5、打开软选择的方法是：( ) A、按键盘上的b B、按键盘上的S C、使用键盘上的A 6、以下哪个打开大纲视图的方法是对的：( ) A、Window->Outliner B、单击鼠标右键 C、Maya打开大纲视图的默认快捷键是F7 7、图中的工具依次是：( ) A、点吸附、线吸附、网格吸附 B、点吸附、网格吸附、线吸附 C、网格吸附、曲线吸附、点吸附 8、如果要合并两个多边形物体，应执行下列哪个命令？（） A：Combine B：smooth C：reduce 9、在工具架中添加工具或命令，以下哪项说法是错误的？（） A：使用鼠标中键可以直接把Tool Box中的工具拖到工具架中。 B：可以在Shelves窗口Shelf Contents标签下为工具架添加工具或命令。 C：按Ctrl+Shift键执行要添加的命令，命令会被添加到工具架中。 10、下列命令哪个是复制面命令：（） A：Wedge face B：Duolicate face C：Collapse 11、Edit Mesh >Bevel 是什么意思：（） A：合并点B：合并到中心 C ：倒角D：重置轴心点 12、布尔运算中，“相加”这个操作是下列命令中的哪一个？（） A ：union B：difference C：intersection 13、下列命令哪一个是填补洞工具：（） A：Fill hole B：Mirror cut C：Cleanup 14、Mirror复制中如果只复制物体，应选哪个参数( ) A. No Clone B. Instance C. Reference D. Copy 15、显示标签面板的快捷键是（） A. 3 B. 4 C. y D. z 16、在场景中打开和关闭对象的关联显示的命令是( ) A. Views/Show Dependencies B. Views/Show Transform Gizmo C. Views/ Show Background D. Views/Show Key Times 17、在默认的状态下视口的Max/Min Toggle的快捷键是( ) A. M B. N C.1 D. Alt+W 18、下面哪个命令用来输入扩展名是3ds的文件( ) A. File/Open B. File/Merge C. File/Import D. File/Xref Objects 19、下面哪个编辑修改器不可以改变几何对象的光滑组( ) A. Smooth B. Mesh Smooth C. EditMesh D. Bend 20、当不复选Adaptive Path Steps选项时，只在路径的节点创建层，可以产生较为精简的表面.但是有时这
专业文献综述 题目: 遥感信息与作物生长模型的耦合应用研究进展姓名: 学院: 专业: 班级: 学号: 指导教师: 职称: 教授 2012年5月28日 南京农业大学教务处制
遥感信息与作物生长模型的耦合应用研究进展 作者： 指导教师： 摘要：遥感信息与作物生长模型的耦合应用可以解决作物长势监测和产量预测等一系列农业问题，越来越受到相关研究人员的关注。本文首先介绍了农业遥感技术和作物模型的发展状况，并在分析遥感数据和作物模型在农业应用中各自优缺点的基础上，阐明二者结合的必要性，综述了遥感信息与作物生长模型的耦合应用的2种方式—强迫法和同化法；其次介绍了遥感数据与作物模型结合的应用领域和目前国内外的应用状况，并分析了其在农业生产各领域的应用潜力；最后提出了二者耦合存在的问题以及未来研究的展望。 关键词：遥感；作物生长模型；耦合应用；研究进展 Research progress on application of remote sensing information coupled with the crop model Author: Instructor: Abstract: Remote sensing information and crop growth model can solve the coupling application of crop growth monitoring and yield forecasting and a series of problems of agriculture, more and more researchers' attention.This paper first introduces the agricultural remote sensing technology and crop model development, and in the analysis of remote sensing data and crop model in agricultural application advantages and disadvantages on the basis of the combination of the two, clarify the necessity, reviews the remote sensing data and crop growth model of coupled application in 2 ways - forced and assimilation method; secondly the paper introduced the remote sensing data and crop model combined with the application domain and application status at home and abroad, and analyses its application in agricultural production potential; finally proposed the two coupling problems and future research prospects. Key words:Remote sensing; Crop models; Coupled applications; Research Progress 1 遥感技术与作物模型的发展 遥感技术是20世纪60年代以来,在现代物理学(包括光学技术、红外技术、微波雷达技术、激光技术和全息技术等)、空间科学、电子计算机技术、数学方法和地球科学理论的基础上发展起来的一门新兴的、综合性的边缘学科,是一门先进的、实用的探测技术[1]。卫星遥感技术具有快速、宏观、准确、客观、及时、动态等特点，在农作物种植面积监测，作物叶面积指数、生物量、光合有效辐射
2010年1月农业机械学报第41卷第1期DO I:10.3969/.j issn.1000-1298.2010.01.030 温室植物生长数字化模型构建技术* 唐卫东1朱平1郭晨1刘昌鑫1李萍萍2卢章平3 (1.井冈山大学信息科学与传媒学院,吉安343009;2.江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部/ 江苏省重点实验室,镇江212013;3.江苏大学图形技术研究所,镇江212013) =摘要> 根据试验观测值提取植物生长特征信息,以累积生长度日为参数构造植物的形态发生模型,采用信息映射与归一化方法对信息进行重构,建立植物生长数字化模型。通过实例验证表明,该方法实现了植物生长受外部环境作用下的动态模拟,为实时掌握与合理决策植物适宜的生长条件提供依据。 关键词:温室植物生长数字化模型 中图分类号:S126;TP391文献标识码:A文章编号:1000-1298(2010)01-0159-04 D igital Construction of P l ant Gro w th M odel i n Greenhouse Tang W eidong1Zhu P i n g1Guo Chen1L i u Changx i n1Li Pingpi n g2Lu Zhangpi n g3 (1.Schoo l of Informati on and M ulti-med i a S cience,J inggangshan University,J i.an343009,Ch i na 2.K ey Laboratory of M odern Agr icultural Equi pm ent and T echnology,M i nistry of Education&J iangsu Province,J iangsu University, Zhenj i ang212013,Chi na3.Institute of Graphics T echnology,J i angsu U ni ver sity,Zhenjiang212013,Ch i na) Abst ract The features o f plant gro w t h cou l d be extracted fro m the experi m ental results,and the m orpho log ica l m odel of p lant cou l d be constructed w ith the para m eter of accumu lative gro w ing degree day.Add itionally, the dig ita l gro w th m ode l o f plant cou l d be perfor m ed using i n for m ation reconstr uction m ethod such as i n f o r m ation nor m a lizati o n and m app i n g process.The experi m ent results show ed that the pr oposed m ethod w as effecti v e in dyna m ically si m ulati n g the plant gro w th under the interacti o n of env iron m en.t It cou l d prov i d e valuab le ev i d ences for rea l ti m e obta i n i n g and deter m ining the proper cond iti o ns for plan t deve l o p m en.t K ey w ords G reenhouse,Plant gro w t h,D i g italization,M ode l 收稿日期:2009-03-20修回日期:2009-05-31 *高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20060299003)、江西省教育厅青年科学基金资助项目(G JJ09591)和江西省教育厅科技计划资助项目(GJJ08417) 作者简介:唐卫东,副教授,博士,主要从事信息可视化、虚拟植物技术、温室环境控制研究,E-m ai:l t wd -1974@126.co m 引言 温室环境调控水平对发挥设施农业优质高效的生产功能具有重要影响。荷兰、日本、美国等发达国家在该领域的研究起步较早,其中一些学者将作物生长模型应用于温室环境控制,对温室作物生长所需环境进行预测[1~5]。然而,在利用作物生长模型对温室作物实施环境调控时,常因模型参数选择不当而使调控效果不佳,信息滞后也影响模型功能和效率,因此在实施作物生产与微观管理方面受限;而采用计算机手段和信息技术,在现代温室可控环境下构建反映植物生长机理的虚拟植物模型[6],则不仅可以实现植物生长信息的数字化,还为温室环境智能控制提供决策依据。目前有关虚拟植物的研究多以农田作物为主,而对温室虚拟植物的研究则不多见,尤其是植物生长数字化及其在温室环境调控中的研究尚未见报道。为此,本文在分析植物受外部环境作用规律的基础上,对温室植物生长数字化方法进行研究,通过温室植物生长的动态模拟,为有效实施现代温室生产与管理提供决策和技术支持。 1植物与外部环境的信息交互 植物在生长过程中离不开光照、温度、湿度、水肥等环境因子的作用,而植物生长同时也对外部环
数学模型与计算机模拟 教案改革材料
数学模型与计算机模拟课程是以解决某个现实问题为目的，经过分析、简化，将问题的内在规律用数字、图表，或者公式、符号表示出来，即经过抽象、归纳把事物的本质关系和本质结构用数学语言来描述，建立正确的数学结构，并用科学的方法，通过编写程序求解问题，得出供人们作分析、预报、决策或者控制的定量结果。本课程的学习应注重学生的能力培养。具体包括以下六个方面： 一、掌握与信息技术相关的自然科学和数学知识，并有创造性地将这些知识应用于信息系统构建和应用的潜力； 二、为解决个人或组织机构所面临的问题，能系统地分析、确定和阐明用户的需求； 三、能设计高效实用的信息技术解决方案； 四、能深刻理解成功的经验和标准，并能运用； 五、具有独立思考和解决问题的能力； 六、具有团队协作能力和论文写作能力。 以上六个方面的要求与教育部高等学校计算机科学与技术教案指导委员会制定的《高等学校计算机科学与技术发展战略研究报告暨专业规范（试行）》中计算机科学与技术专业（信息技术方向）人才培养要求和《信息工程学院发展战略纲要》中提出的坚持“知识、能力、素质协调发展，侧重于应用能力和自学能力的培养”的办学方略相统一。基于此，信息工程学院对《数学模型与计算机模拟》课程的教案做了改革。 一、教案内容上把传统教案的“广”，改为以运筹模型为主的“精”。经过分析讨论，将线性规划模型、整数规划模型、网络模型、对策模型和
决策模型等运筹模型定为《数学模型与计算机模拟》课程的主要内容，并增加各模型的算法分析与编程实践。 二、教案方式方法上由以往的讲授为主，改为以学生为主的独立思考、分组讨论，从探究实践中归纳抽象理论的教案方法。在教案中教师选定典型问题，引导学时讨论，课后查阅相关资料。学生根据自己理解分析问题，即分析问题的常量和变量的关系，把问题本身存在的逻辑关系找出来，得出问题的数学结构，写出数学模型，寻找适合的解法，并把算法的每一步翻译成高级语言（如语言，等），根据解决问题的需要增加必要的存储变量实现算法，编写完整程序求解问题。解决问题后再分析算法的理论依据（正确性分析），并学习和借鉴已有经验。整个教案过程主要分六步：一是提出问题；二是讨论分析问题；三是建立数学模型；四是求解模型；五是编写程序验证模型；六是归纳总结；（具体过程见模型解法）。 三、增加实验实践环节，提高应用能力。本课程开设实验课，编写了实验大纲和综合实验题目，并给出了参考程序。另外，每年组织学生参加学院及全国大学生数学建模竞赛，培养学生的协作能力和应用写作能力。 四、本课程考核以建模和编写程序、上机考试结合，注重能力考查。 附：部分教案讲义和优秀作业、论文、参考程序：
数值模拟方法与实验方法对比 摘要：科学研究与解决工程问题的基础在于物理实验与实物观测，但是采用实 物模型进行物理实验的研究周期长、投入大，有时甚至无法在实物上进行，如对 天体物理的研究。而现代科学研究方法的核心则是通过观测或实验建立研究对象 的数学模型，基于数学模型进行研究与分析。在数学模型上进行的数值模拟研究 具有研究周期短、安全、投入少等优点，已经成为现代科研不可或缺的工具。 关键词：科学研究；实验；数值模拟 1 数值模拟方法介绍 数值模拟实际上可以理解为用计算机来做实验，其可以形象地再现实验情景，与做实验并无太大区别。数值模拟方法的应用对象分为三个层次： （1）宏观层次：常见的工程建筑、制造设备、零件等； （2）界观层次：材料的微观组织与性能，如金属材料的晶粒度影响其屈服 强度； （3）微观层次：基本物理现象与机理，如金属材料凝固时的结晶与晶粒生 长过程。 宏观与界观层次的数值模拟方法包括：有限差分方法(FiniteDifferenceMethod,FDM)、有限单元法(FiniteElementMethod,FEM)、边界单元 方法(Boundary Element Method,BEM)、有限体积方法(Finite Volume Method,FVM)、无网格方法(Mesh less Method)。 微观层次的数值模拟方法包括：第一原理法(First Principle Simulation)、元胞 自动机方法(Cellular Automata)、蒙特卡洛方法(Monte Carlo Method )、分子动力学方法(Molecular Dynamics)，分为经典方法、嵌入原子模型(Embedded Atom Model)、从头计算(Ab initio calculation)的方法。 虽然在工程技术领域内能使用的数值模拟方法有很多种，但是就其实用性和 广泛性而言，有限单元法是最为突出的。有限单元法的基本原理是将一个连续的 求解域分割成有限个单元，用未知参数方程表征单元的特性，然后将各个单元的 特征方程组合成大型代数方程组，通过求解方程组得到结点上的未知参数，获取 结构内力等需要考察的输出结果。它能很好的适应复杂的几何形状、复杂的材料 特性和复杂的边界条件，加之成熟的大型软件系统支持（比如ANSYS、MARC、NASTRAN），有限元法成为一种应用广泛的数值计算方法。 2 实验方法介绍 科学实验，是人们为实现预定目的，在人工控制条件下，通过干预和控制科 研对象而观察和探索其有关规律和机制的一种研究方法。它是人类获得知识、检 验知识的一种实践形式。 2.1 实验方法的特点 科学实验之所以能优于自然观察而受到人们广泛重视，这是和科学实验本身 的特点密切相关的。 （1）科学实验具有纯化观察对象的条件的作用。 科学实验中，人们可以利用各种实验手段，对研究对象进行各种的人工变革 和控制，使其摆脱各种偶然因素的干扰，这样被研究对象的特性就能以纯粹的本 来面目而暴露出来，人们就能获得被研究对象在自然状态下难以被观察到的特性。
第30卷 第11期航 空 学 报 V ol 30N o 11 2009年 11月ACT A A ERON A U T ICA ET A ST RO N AU T ICA SIN ICA N ov 2009 收稿日期:2008 09 22;修订日期:2008 12 08通讯作者:王慧E mail:wanghn pu@126,com 文章编号:1000 6893(2009)11 2185 08蚀坑几何形貌的三维模拟 王慧,宋笔锋,王乐,吕国志,崔卫民 (西北工业大学航空学院,陕西西安 710072) Three dimensional C omputational S imulation of C orrosion Pit Growth Morphology Wang H ui,Song Bifeng,Wang Le,Lu Guozhi,Cui W eimin (Schoo l o f Aer onaut ics,N or thw estern Po ly technical U niv ersity ,X i an 710072,China) 摘 要:点蚀是导致结构失效的重要机理之一,点蚀形貌中隐含了大量的有用信息。针对点蚀形貌及尺寸的演化情况,采用三维元胞自动机技术对腐蚀环境中的金属腐蚀生长演化过程进行模拟。将腐蚀损伤生长过程模拟成一个离散的动力学系统,在模拟过程中着重考虑了腐蚀过程中发生的质量转移、金属溶解及钝化、I R 降等基本化学物理现象,并定义了相应的局部规则。通过模拟得到了在不同环境下蚀坑的腐蚀损伤形貌。将蚀坑看做半椭球体,可以得到蚀坑的等效深度,定义蚀坑深度比为蚀坑等效深度与蚀坑模拟深度的比值,利用该参数对蚀坑趋近于半椭球体的程度进行分析;对等效为半椭球体的蚀坑,采用蚀坑尺寸比率对等效蚀坑的几何形貌进行研究。结果表明:蚀坑在生长过程中,几何形貌会达到一种相对稳定的状态。初步的研究将有助于进一步理解点蚀生长机理,为疲劳寿命预测及结构完整性分析提供有用信息。关键词:点蚀;元胞自动机;蚀坑形貌;深度比;尺寸比率;模拟中图分类号:V 215 5;V252 文献标识码:A Abstract:P itting co rr osio n is one of the most sig nificant deg radatio n mechanisms t hat affect t he integ rity o f a st ructur e,and a g reat dea l of useful infor mation may be rev ea led by a study on cor ro sion pit g ro wth mor pholo g y.T o o bt ain the co rr osio n pit mor pho log y as well as the aspect char act eristics of an o bject subjected to a co r r osiv e enviro nment,a thr ee dimensional model is dev elo ped t o simulate the ev olution o f pitting cor ro sion dam ag e based on cellula r automato n (CA )techno lo gy.T he cor ro sion damage ev olut ion pr ocess is simulat ed as a discr ete dynamical system,and the fo llow ing element ary physicochemical processes are taken into acco unt in the pro po sed model:mass t ranspo rt,IR dro p,metal disso lutio n and r epassiv asion,which ar e descr ibed by a number of local rules.T he pitting co rr osion mor pholog y at different co rr osive envir onments is obtained by im plementing the simulation pro cedure.T he pit depth ratio,w hich is defined as the ratio of the equiv alent pit depth to the simulated pit depth,is intr oduced to char acter ize the tendency o f a pit to a semi ellipsoid;and the pit aspect ratio is used to study the equiv alent pit mor pho log y character istic for the cor ro sion pit consider ed as the semi ellipso id.T he r esults show that pit g ro wth can achiev e a relat ive st eady state during the pitt ing co rr o sio n pr ocess.T hese preliminar y investigatio n results will motivate further w or k t o understand the pitting co r r osio n mechanism,and pro vide v aluable informat ion fo r fatig ue life pr ediction and structural integ rity analysis.Key words:pit ting cor ro sion;cellular auto maton;pit mo rpholog y;depth ratio ;aspect r atio ;simulat ion 腐蚀严重影响着飞机结构的疲劳寿命。蚀坑的存在能导致承受疲劳载荷的结构快速失效。因 此,在进行腐蚀损伤构件的寿命预测之前,有必要对飞机结构的腐蚀损伤程度进行考虑,提出一种能预测蚀坑生长机理及过程的计算模型,从而能对结构进行腐蚀损伤容限完整性分析[1]。 在所有的腐蚀类型中,点蚀是飞机结构经常遇到的腐蚀破坏形态,是破坏性和隐患最大的腐蚀形式之一。点蚀是一个复杂的过程,包含了许 多复杂的现象,如质量转移、IR 降以及金属溶解和钝化等,使得整个点蚀过程的建模十分复杂。点蚀影响因素也很多,如金属的化学成分、介质的pH 值和温度、介质的成分和浓度以及介质成分的运动速度等。目前已有文献[2 4] 从电化学角度就环境因素和材料因素及两者之间的交互作用对金属腐蚀过程造成的影响展开研究。但由于受到腐蚀环境诱发,金属的力学行为、电化学行为以及材料的抗腐蚀特性等都存在不可避免的变化,点蚀损伤实际上不可能被精确测量[5]。 众多学者都致力于建立一种能反映腐蚀损伤
数值模型模拟实验报告 实验名称：地震记录数值模拟的褶积模型法实验学院：地球物理学院 学号：2010050603xx 教师：熊高军 姓名：Blackheart--Mike 日期：2010.6.13
实验一 一、实验题目 地震记录数值模拟的褶积模型法 二、实验目的 掌握褶积模型基本理论、实现方法与程序编制，由褶积模型初步分析地震信号的分辨率问题。 三、原理公式 1、褶积原理
地震勘探的震源往往是带宽很宽的脉冲，在地下传播、反射、绕射到测线，传播经过中高频衰减，能量被吸收。吸收过程可以看成滤波的过程，滤波可以用褶积完成。在滤波中，反射系数与震源强弱关联，吸收作用与子波关联。最简单的地震记录数值模拟，可以看成反射系数与子波的褶积。通常，反射系数是脉冲，子波取雷克子波。 （1）雷克子波 （2）反射系数： （3）褶积公式： 数值模拟地震记录trace(t): trace(t) =rflct(t)wave(t) 反射系数的参数由z变成了t，怎么实现？在简单水平层介质，分垂直和非垂直入射两种实现，分别如图1和图2所示。 1）垂直入射：
2）非垂直入射： 2、褶积方法 （1）离散化（数值化） 计算机数值模拟要求首先必须针对连续信号离散化处理。反射系数在空间模型中存在，不同深度反射系数不同，是深度的函数。子波是在时间记录上一延续定时间的信号，是时间的概念。在离散化时，通过深度采样完成反射系数的离散化，通过时间采样完成子波的离散化。如果记录是Trace(t)，则记录是时间的函数，以时间采样离散化。时间采样间距以 t表示，深度采样间距以 z表示。在做多道的数值模拟时，还有横向x的概念，横向采样间隔以 x表示。离散化的实现：t=It× t；x=Ix× x；z=Iz× z或：It=t/ t; Ix=x/ x; Iz=z/ z （2）离散序列的褶积
作物生长模拟模型及其应用 3 杨京平3 3 王兆骞 (浙江大学农业生态研究所,杭州310029) 【摘要】 论述了作物生长模型在国内外的研究及其发展过程,作物模型的机理及在农业生产中的作用,对作物 生长模型在生产应用中存在的问题及今后的发展方向进行了讨论.关键词 作物生长模型 模拟 应用 C rop grow th simulation model and its application.Y ang Jingping and Wang Zhaoqian (Institute of A gricultural E 2cology ,Zhejiang U niversity ,Hangz hou 310029).2Chin.J.A ppl.Ecol.,1999,10(4):501～505. This paper reviewed the present situation of related study development of Crop Growth Simulation Model (CGSM ),and its mechanism and role in agricultural production.The existing problems of the model in application and its devel 2opmental direction in future were also discussed. K ey w ords Crop growth model ,Simulation ,Application. 3荷兰及国际水稻研究所合作资助项目(SARP 2Ⅲ ). 33通讯联系人. 1997-05-20收稿,1997-10-27接受. 1 引 言 作物生长模拟技术是60年代初在欧洲及美国出现的,其思想方法是从工业生产分析所用的系统工程方法借鉴而来.1965年荷兰的作物生长系统分析及模拟先驱de Wit 扩展了前人的有关作物对光截获和转化、叶层光合作用的知识,并构建了作物冠层的光合作用模型[19].他的开创性工作及后来的类似研究,加上计算机科学技术的飞速发展,导致在作物光合作用、生长过程模型研究的广泛开展[3,20,23].现今,在工业发达的国家,仿真模拟已经成为广泛使用的技术工具,但在发展中国家仍然处在起步阶段.近十几年来,美国及国际上的主要农业研究刊物都发表了许多有关作物生长模型的研究与应用的论文.在全球主要有两大研究机构在进行作物生产模拟研究、应用与推广工作,即荷兰的瓦赫宁根农业大学的理论生态系(TPE 2WAU )、土壤肥力与农业生物研究所(AB 2DLO )及美国的德州大学实验站和国际农业技术推广网络(IBSNA T ),澳大利亚及欧洲现在也在研究开发作物生长及农业生态模型. 2 作物生长模拟模型 模型是对所研究的系统简化与概要的描述[12],因此作物生长模拟模型是利用计算机技术借助数学模型对作物2土壤2大气系统中作物的生长发育及产量形成与外界环境的系统组成与变化进行动态仿真的过程.这种模拟是对作物生理生态过程的动态与概要描述. 由于计算机科学的发展,目前国内外一些研究人 员在作物生长模拟模型上进行的研究工作已经推出了 几种主要的模拟模型(表1)[6,12,16,30,34].从作物生长模型的结构来看,它包括了作物生长发育的一些主要过程:光合作用过程、养分摄取(地下根系的生长动态)、同化产物分配、蒸腾作用过程、生长和呼吸作用、叶片的生长与扩展和形态发育与衰老过程[11].大多数模型都结合了上述所列的主要过程,并以多种方式来处理这些过程.由于作物生长系统的复杂性,因此要建立的模型必须考虑各种外界的环境因素与变化过程对作物本身的影响,这必然使模型变得庞大而失去实际意义.为此1982年de Wit 和Penning de Vries 提出了将作物生长模拟划分为4个水平[12],1)生产水平1:潜在生产.作物生长在水分与养分充分保证的条件下,其生长速率与产量潜力仅受温度与光照条件影响.2)生产水平2:水分限制下的生产.作物生长过程中部分时期受到水分短缺的影响,但养分充足.3)生产水平3:N 素限制下的生产.作物生长过程中部分时期受到N 素短缺的影响,其他时期受到水分与气候因子的影 响.4)生产水平4:养分限制下的生产.作物生长过程 中部分时期受到P 素或其他矿物元素短缺的影响,其余时期受到N 素、水分和气候因子的影响.在上述4种情况下,考虑害虫、杂草的影响将进一步降低作物的产量[12,26,30].但是实际作物生长过程并非如上所述的4种情况.对照表1所列的作物生长模拟模型,目前所研究与开发的作物生长模型主要是在第一及第二生产水平上较多,而在第三水平的作物生长模型则仍在研 应用生态学报 1999年8月 第10卷 第4期 CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Aug.1999,10(4)∶501～505