基于R语言APSIM模型进阶应用与参数优化、批量模拟技术教程

原文：基于R语言APSIM模型进阶应用与参数优化、批量模拟技术教程

前沿

随着数字农业和智慧农业的发展，基于过程的农业生产系统模型在模拟作物对气候变化的响应与适应、农田管理优化、作物品种和株型筛选、农田固碳和温室气体排放等领域扮演着越来越重要的作用。APSIM (Agricultural Production Systems sIMulator)模型是世界知名的作物生长模拟模型之一。APSIM模型有Classic和Next Generation两个系列模型，能模拟几十种农作物、牧草和树木的土壤-植物-大气过程，被广泛应用于精细农业、水肥管理、气候变化、粮食安全、土壤碳周转、环境影响、农业可持续性、农业生态等诸多与农业生产和科研有关的领域。APSIM模型内核算法是基于Fortran语言开发的，软件界面是基于C#进行开发，组件式驱动，各个模块可以自由组合。
R语言是一门应用场景广泛、简单易学的程序语言，APSIM模型开发了许多R语言辅助包，在APSIM模型的气候、土壤、管理措施等数据准备，自动化模拟，参数优化和结果分析上都发挥着重要的作用。
 

一，APSIM模型应用与R语言数据清洗

1)作物生长模型
2)作物生长模型的发展现状
3)APSIM模型的开发历程
4)APSIM模型的模块及模拟流程
5)APSIM模型操作

APSIM的安装

APSIM模型操作界面

6)R语言编程与数据清洗（数据筛选、合并、切片、重复值、缺失值处理）

二，APSIM气象文件准备与R语言融合应用

APSIM自带的气象数据的准备
1）APSIM气象文件.met的
2）日照转辐射算法
3）APSIM气象文件转化
4）APSIM模型陆气交换和能量平衡过程

案例一：使用R语言进行气象文件的生成

案例二：使用R语言将气象共享网数据/NC等数据批量生产APSIM气象文件

案例三：使用R语言批量修改气象文件及调用APSIM文件

三，APSIM模型的物候发育和光合生产模块

APSIM物候发育和光合生产
1)APSIM模型的生育期尺度
2)APSIM模型的积温计算
3)APSIM模型的生育期算法
4)APSIM模型的生育期影响因子及算法
5)APSIM模型光合生产算法

案例一：使用APSIM classic 和NG版本模拟生育期和生物量

四，APSIM物质分配与产量模拟

1 APSIM模型的物质分配算法

2 APSIM模型产量模拟模块
1)APSIM模型的穗粒数模拟
2)APSIM模型的产量模拟
3)APSIM模型的产量相关参数

案例一：作物潜在生物量和潜在产量的模拟

案例二：不同品种参数下作物产量的模拟

五，APSIM土壤水平衡模块

APSIM模型的土壤水分平衡算法
1)土壤水蒸散和植物蒸腾算法
2)土壤水径流和排水算法
3)土壤水力参数的测试

案例一：APSIM模型输入参数和土壤文件的制备

案例二：APSIM模型土壤参数在数据缺失情况下的近似估算

案例三：使用R语言批量修改APSIM模型土壤参数

案例四：APSIM模型模拟土壤水分动态

六，APSIM土壤碳、氮平衡模块

APSIM模型土壤养分动态过程模拟及温室气体排放的模拟
1)氮素的矿化和固定过程
2)氮素的硝化作用与反硝化作用
3)土壤N2O的模拟

案例一：APSIM模型N2O排放模拟

案例二：APSIM模型模拟土壤No3和NH4的动态变化

七，APSIM土壤碳、氮平衡模块

APSIM模型土壤碳库模型及土壤有机碳SOC的模拟
1)土壤碳库模型的发展历程
2)土壤碳的周转模型
3)土壤有机碳的模拟

案例一：APSIM模型土壤碳库模型参数率定 

案例二：APSIM模型模拟秸秆还田对土壤碳库变化的影响

八，APSIM农田管理模块与情景模拟

APSIM模型的农田管理措施的准备
1)APSIM模型播期和播种密度设置
2)APSIM模型施肥设置（化肥+有机肥）
3)APSIM模型的灌溉设置
4)APSIM模型秸秆还田设置
5)APSIM模型多年模拟和轮作模拟

案例一：APSIM模型模拟气候变化对作物生长的影响

案例二：APSIM模型模拟多年轮作下土壤有机碳和温室气体排放的影响

案例三：APSIM模型模拟作物单做、连作和轮作

案例四：APSIM模型模拟玉米大豆复合种植（间作）

案例五：使用R语言对APSIM管理文件进行批量修改及批量运行

九，APSIM模型Next Generation（NG）版本

APSIM模型Next Generation（NG）版本异同
1)APSIM模型NG版本与Classic版本的区别
2)APSIM模型NG版本Clock模块、气象土壤模块、Factors模型、品种模块
3)APSIM模型NG版本管理模型设置

案例一：APSIM模型NG版本设置多种管理情景组合

案例二：APSIM模型NG版本复现Classic版本的案例

十，APSIM模型参数优化和结果分析与模型评价

APSIM模型的参数优化
1)APSIM模型的主要遗传参数
2)APSIM模型的参数优化方法

案例一：使用频率派和贝叶斯派（MCMC）等多种方法对APSIM模型Classic和NG版本进行参数优化

案例二：使用R语言批量读取模拟结果以及对APSIM模型进行评价

案例三：使用R语言对模拟结果进行可视化（模拟结果的动态图和1：1图等）

十，一APSIM模型源代码解析

APSIM模型源代码解析
1)APSIM模型源代码的结构解析
2)APSIM模型源代码编译

案例一：更改APSIM模型源代码参数进行编译

案例二：运用编译源代码后的模型进行模拟