使用PCSE构建自己的模型：代码示例

# %matplotlib inline 是 Jupyter Notebook 中的一个命令，用于在 Notebook 中直接显示图形
%matplotlib inline

# 导入 sys 模块，用于访问系统相关的功能
importsys

# 导入 pathlib 模块中的 Path 类，用于处理文件路径
frompathlibimportPath

# 导入 datetime 模块中的 dt 别名，用于处理日期和时间
importdatetimeasdt

# 导入 yaml 模块，用于解析 YAML 格式的配置文件
importyaml

# 导入 pandas 模块，用于数据处理和分析
importpandasaspd

# 导入 matplotlib 模块，用于绘图
importmatplotlib
# 使用 ggplot 风格的绘图样式
matplotlib.style.use("ggplot")

# 导入 matplotlib.pyplot 模块，用于绘制图形
importmatplotlib.pyplotasplt

# 导入 pcse 模块，用于构建和运行作物模拟模型
importpcse

# 打印当前 Notebook 使用的 Python 和 PCSE 版本信息
print("This notebook was built with:")
print(f"python version: {sys.version}")
print(f"PCSE version: {pcse.__version__}")

1. %matplotlib inline：

   • 这是一个 Jupyter Notebook 中的魔术命令，用于在 Notebook 中直接显示图形，而不是在单独的窗口中显示。

2. 导入模块：

   • sys：用于访问系统相关的功能，如获取 Python 版本信息。

   • Path：用于处理文件路径，方便文件操作。

   • datetime：用于处理日期和时间，这里使用 dt 作为别名。

   • yaml：用于解析 YAML 格式的配置文件，常用于存储配置信息。

   • pandas：用于数据处理和分析，提供 DataFrame 和 Series 等数据结构。

   • matplotlib：用于绘图，提供丰富的绘图功能。

   • matplotlib.pyplot：用于绘制图形，提供简单的绘图接口。

   • pcse：用于构建和运行作物模拟模型，提供作物生长模拟的环境和工具。

3. 设置绘图样式：

   • matplotlib.style.use("ggplot")：使用 ggplot 风格的绘图样式，使图形更具视觉吸引力。

4. 打印版本信息：

   • print("This notebook was built with:")：打印提示信息。

   • print(f"python version: {sys.version}")：打印当前使用的 Python 版本。

   • print(f"PCSE version: {pcse.__version__}")：打印当前使用的 PCSE 版本。

通过这些代码，你可以确保 Notebook 环境中已经正确导入了所需的模块，并且可以查看当前使用的 Python 和 PCSE 版本信息。这对于调试和版本管理非常重要。

解释代码：%%writefile gddmodel.py

这段代码使用 Jupyter Notebook 的魔法命令 %%writefile 将代码写入一个名为 gddmodel.py 的 Python 文件中。该文件定义了一个简单的模型，用于累积作物生长周期内的生长度日（Growing Degree Days, GDD）。以下是对代码的详细解释：

1. 导入必要的模块

%%writefile gddmodel.py
# 使用%%writefile命令将代码写入文件gddmodel.py


# 这里我们导入PCSE中的一些组件，它们是构建任何模型的基本组成部分。
from pcse.base import SimulationObject, StatesTemplate, RatesTemplate, ParamTemplate
from pcse.traitlets import Float

# 在PCSE中的模型总是继承自SimulationObject
classGrowingDegreeDayModel(SimulationObject):
    """一个简单的模型，用于在作物生长周期的开始和结束之间积累生长度日。"""

    # 这定义了模型参数。它继承自ParamTemplate，这确保参数接收其值，并在参数缺失时发出信号。
    classParameters(ParamTemplate):
        # 定义基温参数
        BaseTemperature = Float

    # 状态变量总是继承自StatesTemplate。StatesTemplate提供了某些行为，
    # 如状态变量必须被初始化。
    classStateVariables(StatesTemplate):
        # 定义生长度日状态变量
        GDD = Float

    # 速率变量类似于状态变量，但会自动初始化为零。
    classRateVariables(RatesTemplate):
        # 定义生长度日的变化率
        rGDD = Float

    definitialize(self, day, kiosk, parameters):
        """初始化仅在模型启动时运行一次。
        
        它始终有三个变量：
        - day: 模型开始的日期
        - kiosk: 变量Kiosk，这是一个在模型组件间共享的对象
        - parameters: 提供模型参数的对象
        """
        # 下面的代码初始化参数、状态和速率变量。
        # 注意状态变量（这里：GDD）必须提供初始值。
        self.params =self.Parameters(parameters)
        self.states =self.StateVariables(kiosk, GDD=0.0)
        self.rates =self.RateVariables(kiosk)

    defcalc_rates(self, day, drv):
        """计算在当前日期发生的改变率。
        
        它始终有两个变量：
        - 当前日期（一个日期）
        - 驱动变量`drv`，包含气象输入
        """
        # 这里我们计算GDD的增加，并将其赋值给速率变量rGDD
        self.rates.rGDD =max(0.0, drv.TEMP -self.params.BaseTemperature)

    defintegrate(self, day, delt):
        """这执行速率变化对状态的积分。
        
        它始终有两个变量：
        - 当前日期
        - 时间步长，固定为1.0天
        """
        # 这里我们将rGDD乘以delt加到GDD上。
        # 与`delt`相乘主要是为了教育目的（因为delt=1.0），尽管这在未来可能会改变。
        self.states.GDD +=self.rates.rGDD * delt

• SimulationObject：所有 PCSE 模型的基本类。

• StatesTemplate：用于定义状态变量的模板。

• RatesTemplate：用于定义变化率变量的模板。

• ParamTemplate：用于定义参数的模板。

• Float：用于定义浮点数类型的参数。

2. 定义模型类

# Models in PCSE always inherit from SimulationObjectclassGrowingDegreeDayModel(SimulationObject):"""A simple model to accumulate growing degree days between start and end of the crop cycle.    """

• GrowingDegreeDayModel 类继承自 SimulationObject，这是所有 PCSE 模型的基本要求。

3. 定义参数

# This defines the model parameters. It inherits from ParamTemplate, this ensures that parameters# receive their value and it signals when parameters are missing.classParameters(ParamTemplate):        BaseTemperature = Float

• Parameters 类继承自 ParamTemplate，用于定义模型的参数。

• BaseTemperature：定义了基温，这是一个浮点数类型的参数。

4. 定义状态变量

# State variables always inherit from StatesTemplate. StatesTemplate provides certain behaviour# such as that state variables must be initialized.classStateVariables(StatesTemplate):        GDD = Float

• StateVariables 类继承自 StatesTemplate，用于定义模型的状态变量。

• GDD：累积的生长度日，这是一个浮点数类型的状态变量。

5. 定义变化率变量

# Rate variables are somewhat similar to states but are initialized automatically to zero.classRateVariables(RatesTemplate):        rGDD = Float

• RateVariables 类继承自 RatesTemplate，用于定义模型的变化率变量。

• rGDD：每日生长度日的变化率，这是一个浮点数类型的变化率变量。

6. 初始化模型

definitialize(self, day, kiosk, parameters):"""Initialize runs only once, when the model is started.                 It always has three variables:        - day: the day when the model starts        - kiosk: the VariableKiosk which is an object which is shared between model components        - parameters: an object providing the model parameters        """# The code below initializes the parameters, state and rate variables.# Note that the initial value of state variable (here: GDD) must be provided.        self.params = self.Parameters(parameters)        self.states = self.StateVariables(kiosk, GDD=0.0)        self.rates = self.RateVariables(kiosk)

• initialize 方法在模型启动时仅运行一次。

• day：模型开始的日期。

• kiosk：变量共享对象，用于在模型组件之间共享变量。

• parameters：提供模型参数的对象。

• 初始化参数、状态变量和变化率变量。注意，状态变量 GDD 的初始值必须提供。

7. 计算变化率

defcalc_rates(self, day, drv):"""calc_rates computes the rate of change that occur during the current day.        It always has two variables:        - the current day (a date)        - the driving variables `drv` that contain the meteorological inputs        """# Here we compute the increase in GDD and assign it to rate variable rGDD        self.rates.rGDD =max(0.0, drv.TEMP - self.params.BaseTemperature)

• calc_rates 方法计算当前天的变化率。

• day：当前日期。

• drv：包含气象输入的驱动变量。

• 计算每日生长度日的变化率 rGDD，公式为 max(0.0, drv.TEMP - self.params.BaseTemperature)，确保结果非负。

8. 积分变化率到状态变量

defintegrate(self, day, delt):"""This performs the integration of rates of change onto the states.        It always has two variables:        - the current day        - the time step, which is fixed at 1.0 day        """# Here we add rGDD multiplied by delt to GDD.# The multiplication with `delt` is mostly for educational purposes (since delt=1.0) although# this may change in the future.        self.states.GDD += self.rates.rGDD * delt

• integrate 方法将变化率积分到状态变量上。

• day：当前日期。

• delt：时间步长，固定为 1.0 天。

• 将变化率 rGDD 乘以时间步长 delt 并加到状态变量 GDD 上。这里的乘法主要是为了教育目的（因为 delt 固定为 1.0），但将来可能会有所变化。

这个 GrowingDegreeDayModel 类定义了一个简单的模型，用于累积作物生长周期内的生长度日（GDD）。模型通过继承 SimulationObject 类，定义了参数、状态变量和变化率变量，并实现了初始化、计算变化率和积分变化率的方法。通过这些方法，模型可以在每一天更新累积的生长度日。

# 导入PCSE库中用于构建任何模型的基本组件
frompcse.baseimportSimulationObject, StatesTemplate, RatesTemplate, ParamTemplate
frompcse.traitletsimportFloat

# 定义一个继承自SimulationObject的模型类，所有PCSE中的模型都需继承自SimulationObject
classGrowingDegreeDayModel(SimulationObject):
    """
    一个简单的模型，用于计算作物生长周期内从开始到结束的生长度日。
    """

    # 定义模型参数，继承自ParamTemplate确保参数能够接收值，并在缺少参数时发出警告
    classParameters(ParamTemplate):
        BaseTemperature=Float

    # 定义状态变量，继承自StatesTemplate。StatesTemplate确保状态变量必须被初始化
    classStateVariables(StatesTemplate):
        GDD=Float   # 这里GDD存储累积的生长度日

    # 定义速率变量，自动初始化为零
    classRateVariables(RatesTemplate):
        rGDD=Float   # 这里rGDD表示当前天生长度日的增加量

    definitialize(self, day, kiosk, parameters):
        """
        初始化方法，仅在模型启动时运行一次。

        参数：
        - day: 模型开始的日期
        - kiosk: VariableKiosk对象，模型组件间共享的数据容器
        - parameters: 提供模型参数的对象
        """
        # 初始化参数、状态和速率变量。
        # 注意状态变量（如这里GDD）必须提供初始值
        self.params=self.Parameters(parameters)
        self.states=self.StateVariables(kiosk, GDD=0.0)
        self.rates=self.RateVariables(kiosk)

    defcalc_rates(self, day, drv):
        """
        calc_rates计算当前天的变化率。

        参数：
        - day: 当前日期
        - drv: 驱动变量，包含气象输入数据
        """
        # 计算GDD的增加量，并赋值给速率变量rGDD
        # 只有当当前温度减去基础温度大于等于0时，才增加GDD
        self.rates.rGDD=max(0.0, drv.TEMP -self.params.BaseTemperature)

    defintegrate(self, day, delt):
        """
        根据变化率更新状态变量的值。

        参数：
        - day: 当前日期
        - delt: 时间步长，此处固定为1.0天
        """
        # 将速率rGDD与时间步长delt相乘后累加到状态GDD上
        # 乘以delt主要是为了教育目的，尽管delt通常为1.0，但未来可能有所改变
        self.states.GDD+=self.rates.rGDD*delt

这段代码展示了如何使用PCSE库来构建一个作物生长度日(Growing Degree Day, GDD)模型。该模型用于计算作物在一个生长季节内累计的有效温度，即高于某个基准温度的日平均温度之和，这在农业气候研究中是常见的指标。

请注意，上述模型的实现中并不包含一个能按模拟天数逐步推进的时间循环。你无需自行实现这个时间循环，因为PCSE引擎会负责实现它，并将其与农业管理方面的信息进行同步。

一个模型配置文件

然而，PCSE引擎需要了解你的模型。此外，它还需要一些诸如在模拟过程中需要收集的变量等细节信息。为此，我们要创建一个引擎配置文件。这个配置文件是用纯Python编写的，尽管它通常带有“.conf”扩展名，以此表明它是一个配置文件，而不是一个模拟模型。

以下是上面所实现的积温模型的配置文件内容。我们将其写入到“gddmodel.conf”文件中。

定义模型输入

为了实际运行该模型，我们还需要PCSE中的一些其他组件。首先，需要“引擎（Engine）”；其次，我们需要“参数提供者（ParameterProvider）”，它是封装模型参数的组件；最后，我们需要一个用于读取天气数据的组件：“Excel天气数据提供者（ExcelWeatherDataProvider）”。