A Simple Crop Model

A Python implementation of the SIMPLE (Soil-Plant-Atmosphere Interactions for Model Evaluation and Learning) crop model.

SIMPLE 作物模型的 Python 实现。SIMPLE（土壤-植物-大气交互模型评估与学习）是一个基于过程的作物模型。

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English | 中文

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Description

SIMPLE is a process-based crop model that simulates crop growth and yield based on weather, soil, and management inputs. This Python version maintains the core functionality of the original R implementation while providing improved performance and easier integration with Python-based workflows.

Features

• Simulates multiple crop types (wheat, maize, rice, soybean, etc.)
• Weather-driven growth simulation
• Water and heat stress responses
• CO2 fertilization effects
• Daily and summary output
• Support for multiple weather formats (.WTH and .csv)
• Aridity index calculations
• Temperature and water stress factors

Requirements

• Python 3.7+
• pandas
• numpy
• datetime

Installation

1. Clone this repository:

git clone https://github.com/YuanyuanMa03/a-simple-crop-model.git
cd a-simple-crop-model

2. Install dependencies:

pip install pandas numpy

Usage

Run the main model:

python run.py

The model will automatically:

• Read input files from the Input/ directory
• Load weather data from the Weather/ directory
• Generate output files in the Output/ directory

Input Files

Required Input Files:

• Input/Simulation Management.csv — Experiment management settings
• Input/Treatment.csv — Treatment definitions
• Input/Cultivar.csv — Cultivar parameters
• Input/Soil.csv — Soil parameters
• Input/Species parameter.csv — Species-specific parameters
• Input/Irrigation.csv — Irrigation schedules

Weather Data:

• Weather/*.WTH — Weather data files in WTH format
• Weather/*.csv — Weather data files in CSV format (alternative)

The model includes 50+ weather stations covering various regions (Arizona, Florida, Georgia, Ohio, etc.) and international locations (Australia, Brazil, etc.).

Output

• Output/Res_daily_all.csv — Daily simulation results including:

  • Day, DATE, Tmax, Tmin, Radiation
  • Growing degree days (TT), solar interception (fSolar)
  • Biomass accumulation, daily biomass change
  • Harvest index, yield predictions
  • Stress factors (F_Temp, F_Heat, F_Water)
  • Aridity index (ARID), evapotranspiration (ETO)
  • Maturity timing information

• Output/Res_summary_all.csv — Summary statistics for all simulations

Model Structure

• core.py — Core model functions:

  • Weather data processing (read_weather())
  • Aridity calculations (calculate_arid())
  • Main simulation engine (simple_crop_model())
  • Date utilities (doy_to_date())

• run.py — Main execution script:

  • Orchestrates the simulation workflow
  • Handles input/output file management
  • Processes multiple experiments
  • Generates comprehensive output reports

License

This project is provided for educational and research purposes.

Contributing

Pull requests are welcome. For major changes, please open an issue first to discuss what you would like to change.

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简介

SIMPLE 基于气象、土壤和管理输入来模拟作物生长与产量。本 Python 版本保留了原始 R 实现的核心功能，同时提供了更好的性能以及与 Python 生态的便捷集成。

功能特性

• 支持多种作物类型（小麦、玉米、水稻、大豆等）
• 气象驱动的生长模拟
• 水分胁迫与高温胁迫响应
• CO2 施肥效应
• 逐日输出与汇总输出
• 支持多种气象数据格式（.WTH 和 .csv）
• 干旱指数计算
• 温度与水分胁迫因子

环境要求

• Python 3.7+
• pandas
• numpy
• datetime

安装

1. 克隆仓库：

git clone https://github.com/YuanyuanMa03/a-simple-crop-model.git
cd a-simple-crop-model

2. 安装依赖：

pip install pandas numpy

使用方法

运行主模型：

python run.py

模型将自动完成以下操作：

• 从 Input/ 目录读取输入文件
• 从 Weather/ 目录加载气象数据
• 在 Output/ 目录生成输出文件

输入文件

必需输入文件：

• Input/Simulation Management.csv — 模拟管理设置
• Input/Treatment.csv — 处理定义
• Input/Cultivar.csv — 品种参数
• Input/Soil.csv — 土壤参数
• Input/Species parameter.csv — 物种参数
• Input/Irrigation.csv — 灌溉计划

气象数据：

• Weather/*.WTH — WTH 格式的气象数据文件
• Weather/*.csv — CSV 格式的气象数据文件（备选）

模型内置 50+ 个气象站点，覆盖美国多个地区（亚利桑那、佛罗里达、佐治亚、俄亥俄等）及国际站点（澳大利亚、巴西等）。

输出

• Output/Res_daily_all.csv — 逐日模拟结果，包括：

  • 天数、日期、最高温、最低温、辐射
  • 有效积温 (TT)、太阳辐射截获 (fSolar)
  • 生物量累积、日生物量变化
  • 收获指数、产量预测
  • 胁迫因子 (F_Temp, F_Heat, F_Water)
  • 干旱指数 (ARID)、蒸散量 (ETO)
  • 成熟时间信息

• Output/Res_summary_all.csv — 所有模拟的汇总统计

模型结构

• core.py — 核心模型函数：

  • 气象数据处理 (read_weather())
  • 干旱指数计算 (calculate_arid())
  • 主模拟引擎 (simple_crop_model())
  • 日期工具 (doy_to_date())

• run.py — 主执行脚本：

  • 编排模拟流程
  • 管理输入/输出文件
  • 处理多个试验
  • 生成综合输出报告

许可证

本项目仅供教育和研究用途。

贡献

欢迎提交 Pull Request。如有重大修改，请先开 Issue 进行讨论。

作者

Author: Mayuanyuan Date: 2025-12-20