農(nóng)業(yè)氣象環(huán)境模擬的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計

景元書　趙翔　胡繼超　李永秀　張雪松

摘 要：虛擬仿真模型在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、氣象領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵是植物與環(huán)境相互作用的關(guān)系的量化及模擬機(jī)制，同時結(jié)合現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)和多媒體技術(shù)。通過農(nóng)業(yè)氣象環(huán)境模擬的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計，構(gòu)建多元化的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺，有助于理解農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)特點(diǎn)、農(nóng)業(yè)環(huán)境模擬與模式原理，加強(qiáng)對生物因素和環(huán)境因素認(rèn)識以及影響程度量化的可視化與精確性，在大田環(huán)境、人工氣候箱、設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室虛擬環(huán)境中真實(shí)再現(xiàn)作物生長發(fā)育過程及高低溫環(huán)境的影響過程，以全面提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力和應(yīng)用氣象知識綜合運(yùn)用能力。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)氣象 環(huán)境 虛擬仿真 設(shè)計

中圖分類號：O351 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0178-02

農(nóng)業(yè)氣象環(huán)境模擬的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要針對災(zāi)害性、關(guān)鍵性、轉(zhuǎn)折性天氣、氣候事件，在教學(xué)資源信息化的基礎(chǔ)上，通過虛實(shí)結(jié)合及中央氣象臺、國家農(nóng)業(yè)氣象中心等部門或企業(yè)的技術(shù)支持，依托大田試驗(yàn)、人工氣候箱操作、設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)測、分析與模擬等各個環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源雙向共享和教學(xué)平臺的開放性、實(shí)用性與動態(tài)性，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性。

1 農(nóng)業(yè)氣象環(huán)境的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺

農(nóng)業(yè)氣象虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺主要依托中國氣象局國家級農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站、江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、應(yīng)用氣象省級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、遙感應(yīng)用省級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心等實(shí)體平臺，遵循“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則，結(jié)合自身的優(yōu)勢、特色和實(shí)際，借助現(xiàn)代計算機(jī)、多媒體、視頻、網(wǎng)站和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以氣象要素、農(nóng)學(xué)參數(shù)、作物生理生化參數(shù)、地理空間等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取、處理、綜合運(yùn)用模型、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）及全球定位系統(tǒng)（GPS）與數(shù)字地圖等先進(jìn)技術(shù)為主線，開展作物生長動態(tài)監(jiān)測、遙感信息提取、氣象災(zāi)害綜合評估實(shí)驗(yàn)，建成作農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、病蟲害氣象虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、極端天氣數(shù)據(jù)處理與空間分布模擬等實(shí)驗(yàn)室。

2 農(nóng)業(yè)氣象環(huán)境的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要功能模塊

（1）實(shí)施農(nóng)業(yè)環(huán)境動態(tài)建模虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室生產(chǎn)系統(tǒng)是一個非線性、大時滯、強(qiáng)耦合和強(qiáng)干擾的動態(tài)系統(tǒng)，要建立一個精確的溫室小氣候模型比較困難。基于已經(jīng)理解的物質(zhì)和能量平衡的原則，通過動態(tài)建模與仿真，能合理考慮長短波輻射、通風(fēng)量、對流作用和作物的呼吸、蒸騰作用對溫室小氣候的實(shí)際影響，預(yù)測溫室小氣候溫濕度動態(tài)。學(xué)生在理解微氣象特征的基礎(chǔ)上，利用CFD、MATLAB等語言進(jìn)行建模與仿真，對學(xué)生程序設(shè)計、參數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)踐能力有較大提高。

（2）作物生育過程模型可視化。

農(nóng)業(yè)氣象中的作物生長發(fā)育實(shí)驗(yàn)，一季作物的生育期在4～5個月，存在著周期長、難以連續(xù)觀測的問題。作物模型仿真能計算作物的生長發(fā)育、蒸發(fā)蒸騰、水分、氮肥、氣象條件等對水稻生長發(fā)育的影響。利用ORYZA2000、WOFOST、DSSAT等模型對種植試驗(yàn)區(qū)不同播期的作物進(jìn)行模擬，闡述光合作用的機(jī)理及高溫、低溫、干旱、干熱風(fēng)等影響因素，能讓學(xué)生理解農(nóng)業(yè)氣象作物生長虛擬仿真的意義、作用和流程（如圖1）。同時，分析相關(guān)作物模型參數(shù)敏感性和地區(qū)適應(yīng)性，有助于學(xué)生熟練運(yùn)用計算機(jī)語言進(jìn)行數(shù)值計算，鍛煉分析問題、解決問題的能力。

（3）高低溫對作物生育影響仿真。

作物生長過程中高低溫是常見的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，在近年氣候變化和極端天氣氣候事件中對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與作物生長影響顯著，其背景涉及極端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作。通過田間試驗(yàn)與人工氣候箱試驗(yàn)相結(jié)合，收集有關(guān)生理、形態(tài)、氣象環(huán)境等數(shù)據(jù)，建立作物群體形態(tài)發(fā)育模型，提供作物生長各組成部分的數(shù)字化輸出；通過真實(shí)感圖形技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和動畫技術(shù)等方式，構(gòu)建作物生長群體可視化模型，形成作物高溫、冷害精細(xì)診斷系統(tǒng)，能提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和人工氣候箱動手實(shí)踐能力。（如圖1）

3 農(nóng)業(yè)氣象環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)初步效果

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺主要面向應(yīng)用氣象、大氣科學(xué)、生態(tài)學(xué)、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境、遙感科學(xué)與技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、城鄉(xiāng)資源與規(guī)劃管理、測繪工程、遙感科學(xué)與技術(shù)、地理信息科學(xué)、自然地理與資源環(huán)境等專業(yè)，承擔(dān)《農(nóng)業(yè)氣象學(xué)》《應(yīng)用氣象試驗(yàn)研究方法》《應(yīng)用氣象學(xué)儀器》《植物生理學(xué)》《遙感原理與應(yīng)用》《遙感數(shù)字圖像與處理》《衛(wèi)星氣象學(xué)》《3S集成與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)》等課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，使學(xué)生掌握應(yīng)用氣象學(xué)模擬仿真方法、應(yīng)用氣象常見儀器與軟件原理與使用，針對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，綜合運(yùn)用專業(yè)模型、數(shù)據(jù)與方法，設(shè)計了可視化實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)界面，學(xué)生可方便地利用軟件系統(tǒng)完成實(shí)習(xí)過程的每一步，可方便地轉(zhuǎn)化、添加氣象災(zāi)害模擬有關(guān)的科研新成果。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、師生討論、自我測試，熟悉了農(nóng)業(yè)氣象學(xué)、應(yīng)用氣象學(xué)、地理信息系統(tǒng)與遙感實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃怼?nèi)容、過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，達(dá)到了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，增強(qiáng)了學(xué)生多元化的虛擬現(xiàn)實(shí)場景學(xué)習(xí)體驗(yàn)，深化了課程建設(shè)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)。

參考文獻(xiàn)

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