第一亚系统指作物的阶段发育和物候期，主要是关于光温特性为基础的茎顶端发育和外部形态特征变化为标志的生育时期。
第二亚系统指作物形态发生和器官建成过程，包括根、茎、叶等主要器官的发生形成规律、数量、质量等。
第三亚系统指植株的光能利用和同化物生产，包括光合、呼吸、生物量积累等过程。
第四亚系统指不同器官间的物质分配和利用，包括同化物分配规律、器官生长大小、产量品质等形成过程。
第五亚系统指土壤—植物—大气水分关系，包括水分的运移、蒸腾蒸发、水分平衡等。
第六亚系统指土壤养分动态与植株利用，包括主要养分在土壤中的转化、根系吸收、体内利用分配等过程。
3）作物模型的构成。一般作物生长模型的结构包括三部分：第一部分为气候、土壤、作物数据和栽培管理措施输入模块；第二部分为主要生理生态的模拟模块。
目前，比较完善的模拟模块包括以下成分：
A.光能截获和光合作用模型，涉及冠层结构、光辐射特性和叶片特性。
B.根系和营养吸收模型，涉及根系结构、土壤营养状况等。
C.干物质分配模型，干物质在源与库间的运输、储藏及器官间的分配。
D.水分吸收与蒸腾模型，涉及植株和土壤的水分平衡，植株的水分状况与水分胁迫。
E.生长和呼吸模型，干物质用于生长和呼吸的消耗。
F.叶面积增长模型，叶面积的动态变化。
G.发育和器官形成模型，包括阶段发育、形态发育和新器官（茎、叶、花、果等器官）的形成。
H.衰老模型，包括根、叶等器官的衰老与死亡对作物生长的影响。
I.田间管理措施模型，田间管理措施对光、温、水、肥的时空分布与数量改变对作物生长发育和产量的影响。
（3）作物模拟模型的应用
模拟模型主要应用于教学、研究、管理、评估等4个方面，一个较好的作物模拟模型不仅具有较好的机制性和预测性，还具有较强的通用性和灵活性，以适应不同地区和层次的用户。
1）教学、技术培训与推广。作物生长模型作为教学工具，可以让学生直观了解作物生长和形态变化过程及其与环境、管理措施之间的关系。作物生长模型也可用于基层农技人员的培训和技术推广。
2）科学研究。作物模拟模型是对实际作物生产系统的简化表达，是对整个作物生理生态过程已有知识的系统集成，通过综合并量化作物生理生态过程及其相互关系，有利于作物生产管理由定性描述向定量分析转变，深化作物栽培方案优化、农业专家系统开发、作物生产气候响应等方面的研究。
3）管理科学。在作物模拟模型基础上，建立农业管理决策支持系统，可进行农业资源规划管理和农场经营管理决策制定。如制定相关农业政策和土地利用总体规划，调整作物的布局和制定经营策略等。
4）科学评估。用于评估农业生产系统的综合表现及可持续发展能力，进行农业政策分析等。
6.3.2虚拟农业
20世纪70年代以来，信息技术的发展推动了农业信息学的不断进步，也使虚拟技术向农业渗透，虚拟农业已成为一门新型的交叉和综合性学科。
（1）虚拟农业的概念
以农业领域研究对象（农作物、畜、禽、鱼、农产品市场、资源高效利用等）为核心，采用计算机虚拟现实技术、仿真技术、多媒体技术建立数学模型，设计出虚拟作物、畜禽，定量而系统地描述研究对象与环境因子交互作用，以品种改良、环境改造、环境适应、增产等为目的的技术系统，以实现农业生产的高效益和可持续发展。虚拟农业的科研成果必须接受实践的检验。
（2）虚拟农业的结构和特征
1）虚拟农业的结构。虚拟农业根据研究对象的不同，可以有不同的系统结构，随虚拟农业研究对象及其与环境之间的相互关系而变化，孙九林院士以作物为例，提出了虚拟农业的一般结构。
A.多感知性。除一般计算机所具有的视觉感知外，还应具有听觉、触觉、味觉等，理想的虚拟农业应该具有人所具备的所有感知能力。
B.存在感。它是指导用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度，使用户难以分辨真假。
C.交互性。用户对模拟环境内物体的可操作性和从环境得到反馈的自然性。如用户可以直接用手抓住环境中的物体，手中有握东西的感觉。
D.自主性。指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。比如受到推力会移动、翻倒等。
（3）虚拟农业的应用
虚拟农业主要包括虚拟农作物、虚拟动物、虚拟农业机械、虚拟农场等，主要在以下领域应用：
1）虚拟试验。应用计算机建立反映客观规律的虚拟模型，应用虚拟模型进行试验，可部分替代现实中难以进行或耗时、耗力、耗钱的试验。
2）虚拟育种。利用计算机技术、虚拟现实技术、仿真技术、多媒体技术设计出虚拟作物、畜、禽、鱼等农业生物新品种。
3）虚拟温室。虚拟温室是将数据、材料、模型、物理属性和高级算法整合成的一个研究平台，以构建科学、高效的温室系统。
4）虚拟农场。在教学、科普教育和农业科技推广领域，让学员在虚拟农场中种植虚拟作物，进行虚拟田间管理，直观地观察作物的生长过程及产量，较快地掌握先进的农田管理技术。
5）虚拟果树修剪。虚拟果树修剪，可以模拟真实果树的各种生长状况，并对各种因素的改变做出近似实际的反应。
6）虚拟立体农业。主要是通过对光资源利用的模拟，实现对立体农业的优化管理，如间作、套种、混种等。
7）虚拟城市农业。利用虚拟农业可模拟环境、生态、科技、生产、观赏为一体的城市农业综合发展模式，便于决策、实施生产、生活、生态等三“生”功能为一体的农业。
8）虚拟农机制造。可以虚拟农机设计、农机制造和农机测试。采用虚拟农业对试验对象的各个指标同时进行测量、实时处理和分析，得出较精确结论，为进一步的优化设计提供可靠的依据。
6.4农业物联网和自动化技术〖1〗6.4.1农业物联网技术（1）物联网的概念物联网就是“物与物相连的互联网”，其通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
其包含有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间进行信息交换和通信。
（2）物联网的结构和特点
1）物联网的结构。业界公认为物联网在结构上分为3个层次。
A.感知层。是物联网的皮肤和五官，主要作用是识别物体和采集信息，即以二维码、射频识别、传感器、摄像头等为主，实现“物”的识别。
B.网络层。是物联网的神经中枢，对感知层获取的信息进行传递和处理，包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等，即通过现有的互联网、广电网络、通信网络等实现数据的传输与计算。
C.应用层。是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化，这类似于人的社会分工，最终构成人类社会。即输入输出控制终端，可基于现有的手机、个人电脑等终端进行。
2）物联网的特点。
A.全面感知。即利用RFID、传感器、二维码等感知设备，随时随地获取物体的信息，全面感知世界。
B.可靠的传送。通过以太网、无线网、移动网将感知的物体信息实时准确地传递出去。
C.智能控制。利用云计算、模糊识别等智能计算机技术，对海量数据和信息进行分析和处理，实现对物体智能化的控制和管理，真正达到人与物的沟通。
（3）物联网的建立步骤和工作原理
1）物联网的建立步骤。第一，对物体属性进行标识，包括静态和动态属性，静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需先由传感器实时探测；第二，需要识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式；第三，将物体的信息通过网络传输到信息处理中心，完成物体通信的相关计算。
2）物联网工作原理。物联网是在互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的网络。在这个网络中，物品能够彼此进行“交流”，无需人的干预。
其实质是利用射频识别等感知技术，通过计算机互联网实现物品的自动识别、信息的互联与共享。
（4）物联网的应用
1）物联网温室。物联网温室就是引入了物联网技术的温室。温室内部空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度及光照等农业环境信息的采集，对生产至关重要，利用物联网实现土壤湿度、酸碱度、温度以及空气湿度气压、光照强度、二氧化碳浓度等的测量，再通过模型分析，自动调控温室环境、控制灌溉和施肥作业，从而获得植物生长的最佳条件。对于温室成片的农业园区，利用物联网可实现所有温室信息的获取、管理和分析处理，并以直观的图表和曲线方式显示给各个温室用户，同时根据种植植物的需求提供各种报警信息，实现温室集约化、网络化远程管理。
2）农产品质量安全监管。物联网技术在农产品质量监管中发挥重要作用。以猪肉为例，进入农贸市场的猪肉安装上电子芯片，以跟踪猪肉的生产、加工、批发，以及零售等各个环节。具体来说，通过收银条上的追溯码就可以查询生猪来源、屠宰场、质量检疫等多方面的信息。
3）信息监测。信息除包括在精准农业中监测农作物的害虫、土壤酸碱度和施肥状况外，还包括从种子选择到病虫害防治，从幼苗培育到收割入库等方面。信息监测范围涵盖广义农业的各个方面，包括畜牧业、农副产品加工业及渔业等。
（5）物联网技术在农业的局限性
1）成本高。随着技术的发展，传感器的价格近几年有大幅度的下降，但是相对农业效益来讲仍然很高，一个土壤水分传感器要近千元，一个温室全部环境参数传感器要在一万元以上，对于农业生产来讲，仍然是一笔大投入。目前，农业物联主要集中在一些科研院所、涉农企业及政府推动的项目中，要大规模推广应用还需大幅度降低成本。
2）技术问题。传感器可能由于安装位置不当而导致数据不准，或传感器稳定性不好，也有部分无线传感器传输信号距离有限、数据传输不稳定、维护成本较高。还有供电问题，太阳能供电功率不够，使用交流电大部分温室需重新布放电源线，这些因素都限制了物联网在农业中大规模推广应用。
6.4.2农业自动化技术
农业是一种复合产业，它不仅包括作物的生产，而且包括农产品的加工、储藏和运输等。应用自动控制和电子计算机等技术实现农业生产和管理的自动化，不仅是农业现代化的重要标志之一，而且也是当前农村劳动力大量转移情况下对农业生产方式的必然要求。
（1）农业自动化的概念
农业自动化就是利用农业机械或装置，不依赖人的感觉和手工而自动实现农产品的生产、加工、储藏、运输等过程，用机械动力和电力代替人力和畜力，以工作机械代替人的手工工具。世界各国都在大力开展农业自动化研究，许多成果已达到实用阶段。
（2）农业自动化的分类
农业自动化控制装置大部分是单一输入、单一输出式的，如拖拉机的牵引力控制、动力喷雾机的压力控制等，随着传感器和微处理机的迅速发展，目前已经研制出多输入、多输出的自动控制装置，大幅提高了农业自动化水平。目前农业机械自动化大致有以下3类：
1）已有农业机械及装置的部分自动化控制。这种自动化方式以提高已有农业机械及装置的作业与操作性能，提高作业效率和精度，减轻农务人员劳动强度，节约肥料、农药等资源消耗为目的。目前，广泛采用的自动控制装置大多数属于此类，如拖拉机、施肥播种机、移栽机、喷雾机、联合收割机、挖掘收获机等。
2）已有农业机械及装置的无人自动操作。这种自动化方式主要用在操作简单且易实现无人操作，危险性大或长时间重复单调的作业过程上。如用计算机程序自动控制联合收割机，自动检测和控制耕深和耕宽，自动化温室控制等。
