农业气象环境模拟的虚拟仿真实验设计

景元书　赵翔　胡继超　李永秀　张雪松

摘 要：虚拟仿真模型在农业领域、气象领域应用的关键是植物与环境相互作用的关系的量化及模拟机制，同时结合现代网络技术、虚拟现实技术、计算机仿真技术和多媒体技术。通过农业气象环境模拟的虚拟仿真实验设计，构建多元化的虚拟现实平台，有助于理解农业气象系统特点、农业环境模拟与模式原理，加强对生物因素和环境因素认识以及影响程度量化的可视化与精确性，在大田环境、人工气候箱、设施农业温室虚拟环境中真实再现作物生长发育过程及高低温环境的影响过程，以全面提高学生的创新精神和实践能力，培养学生创新思维能力和应用气象知识综合运用能力。

关键词：农业气象 环境 虚拟仿真 设计

中图分类号：O351 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0178-02

农业气象环境模拟的虚拟仿真实验主要针对灾害性、关键性、转折性天气、气候事件，在教学资源信息化的基础上，通过虚实结合及中央气象台、国家农业气象中心等部门或企业的技术支持，依托大田试验、人工气候箱操作、设施农业温室监测、分析与模拟等各个环节，实现教学资源双向共享和教学平台的开放性、实用性与动态性，从而激发学生学习的积极性与主动性。

1 农业气象环境的虚拟仿真实验平台

农业气象虚拟仿真实验平台主要依托中国气象局国家级农业气象试验站、江苏省农业气象重点实验室、应用气象省级实验教学示范中心、遥感应用省级实验教学示范中心等实体平台，遵循“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，结合自身的优势、特色和实际，借助现代计算机、多媒体、视频、网站和物联网技术，以气象要素、农学参数、作物生理生化参数、地理空间等基础数据获取、处理、综合运用模型、地理信息系统（GIS）、遥感（RS）及全球定位系统（GPS）与数字地图等先进技术为主线，开展作物生长动态监测、遥感信息提取、气象灾害综合评估实验，建成作农业气象系统虚拟仿真实验室、设施农业小气候虚拟仿真实验室、病虫害气象虚拟仿真实验室、极端天气数据处理与空间分布模拟等实验室。

2 农业气象环境的虚拟仿真实验主要功能模块

（1）实施农业环境动态建模虚拟仿真实验。

设施农业温室生产系统是一个非线性、大时滞、强耦合和强干扰的动态系统，要建立一个精确的温室小气候模型比较困难。基于已经理解的物质和能量平衡的原则，通过动态建模与仿真，能合理考虑长短波辐射、通风量、对流作用和作物的呼吸、蒸腾作用对温室小气候的实际影响，预测温室小气候温湿度动态。学生在理解微气象特征的基础上，利用CFD、MATLAB等语言进行建模与仿真，对学生程序设计、参数调节实践能力有较大提高。

（2）作物生育过程模型可视化。

农业气象中的作物生长发育实验，一季作物的生育期在4～5个月，存在着周期长、难以连续观测的问题。作物模型仿真能计算作物的生长发育、蒸发蒸腾、水分、氮肥、气象条件等对水稻生长发育的影响。利用ORYZA2000、WOFOST、DSSAT等模型对种植试验区不同播期的作物进行模拟，阐述光合作用的机理及高温、低温、干旱、干热风等影响因素，能让学生理解农业气象作物生长虚拟仿真的意义、作用和流程（如图1）。同时，分析相关作物模型参数敏感性和地区适应性，有助于学生熟练运用计算机语言进行数值计算，锻炼分析问题、解决问题的能力。

（3）高低温对作物生育影响仿真。

作物生长过程中高低温是常见的农业气象灾害，在近年气候变化和极端天气气候事件中对农业生产与作物生长影响显著，其背景涉及极端的环境、不可及或不可逆的操作。通过田间试验与人工气候箱试验相结合，收集有关生理、形态、气象环境等数据，建立作物群体形态发育模型，提供作物生长各组成部分的数字化输出；通过真实感图形技术、虚拟现实技术和动画技术等方式，构建作物生长群体可视化模型，形成作物高温、冷害精细诊断系统，能提高学生的创新精神和人工气候箱动手实践能力。（如图1）

3 农业气象环境虚拟仿真实验初步效果

虚拟仿真实验平台主要面向应用气象、大气科学、生态学、农业资源与环境、遥感科学与技术、地理信息系统、城乡资源与规划管理、测绘工程、遥感科学与技术、地理信息科学、自然地理与资源环境等专业，承担《农业气象学》《应用气象试验研究方法》《应用气象学仪器》《植物生理学》《遥感原理与应用》《遥感数字图像与处理》《卫星气象学》《3S集成与应用实验》等课程的虚拟仿真实验教学任务，使学生掌握应用气象学模拟仿真方法、应用气象常见仪器与软件原理与使用，针对虚拟仿真实验项目，综合运用专业模型、数据与方法，设计了可视化实验实习界面，学生可方便地利用软件系统完成实习过程的每一步，可方便地转化、添加气象灾害模拟有关的科研新成果。学生通过网络进行自主学习、师生讨论、自我测试，熟悉了农业气象学、应用气象学、地理信息系统与遥感实验与仿真实验目的、原理、内容、过程、实验结果，达到了虚拟仿真实验教学目标，增强了学生多元化的虚拟现实场景学习体验，深化了课程建设与虚拟仿真实验项目建设。

参考文献

[1] 景元书，申双和，刘寿东.以实践教学体系促进应用气象专业发展[J].中国高校科技与产业化，2006（1）：271-272.

[2] 景元书，李永秀，杨沈斌.高校应用气象学专业创新实践教学体系建设[J].教育教学论坛，2013（4）：138-139.

[3] 杨荣榛，董文生，刘春玲，等.雷诺实验的计算机仿真模拟[J].大学化学，2015，30（3）：34-37.