基于EnKF和随机森林回归的玉米单产估测

为了提高玉米的估产精度,以河北省中部平原为研究区域,采用CERES-Maize模型模拟2013—2018年8个典型样点玉米整个生育期的叶面积指数(LAI),将遥感反演的LAI与CERES-Maize模型模拟的LAI相结合,通过集合卡尔曼滤波(En KF)同化算法实现2013—2018年玉米主要生育时期旬尺度LAI的同化,运用随机森林回归法计算同化和未同化的LAI权重,进而建立玉米单产估测模型,对2015年53个县(区)的玉米进行单产估测和精度评价,并分析2013—2018年玉米的单产时空分布特征。结果表明,采用En KF算法对8个研究样点进行单点同化,同化LAI更符合玉米实际生长情况;将样点LAI同化值从单点尺度扩展到区域尺度,同化LAI图像减少了相邻像素间LAI陡升陡降的现象,其效果优于遥感反演的LAI;与未同化LAI构建的估测模型相比,应用同化的LAI所建的估测模型精度明显提高,R2提高了0.024 5;在2015年河北中部平原53个县(区)估产结果中,总体平均相对误差为12.11%,RMSE为371 kg/hm2,NRMSE为6.18%;河北中部平原玉米单产估测结果呈现个别年份波动、总体呈先减少后增加的年际变化特点,并呈现西部地区最高、北部和南部地区次之、东部地区最低的空间分布特征。     

基于双参数和粒子滤波同化算法的夏玉米单产估测

为了提高河北省中部平原夏玉米的估产精度和进一步验证粒子滤波同化算法对农业作物估产的适用性,采用粒子滤波算法同化CERES-Maize模型模拟和MODIS数据反演的叶面积指数(Leaf area index,LAI)、条件植被温度指数(Vegetation temperature condition index,VTCI),应用随机森林回归算法确定夏玉米不同生育时期LAI和VTCI的权重,构建单产估测模型。结果表明,无论是单点尺度还是区域尺度,同化的LAI和VTCI均能较好地响应外部观测数据,同化LAI可减缓CERES-Maize模型模拟LAI的剧烈变化;同化VTCI结合模型模拟和遥感观测,更能反映夏玉米对水分胁迫的敏感性。利用2015年河北省中部平原各县(区)夏玉米产量对较优估产模型进行精度验证,结果表明,同化前后夏玉米产量模拟结果与统计产量间的归一化均方根误差由12.71%下降到10.50%,平均相对误差由12.57%下降到8.43%,说明基于同化LAI和VTCI构建的双参数单产估产模型可用于区域夏玉米单产估测。     

基于随机森林回归的玉米单产估测

为了提高玉米单产估测精度,以河北省中部平原为研究区域,以条件植被温度指数(VTCI)和上包络线S-G滤波的叶面积指数(LAI)为特征变量,通过随机森林回归确定玉米主要生育时期VTCI和LAI的权重,构建加权VTCI和LAI与玉米单产的单变量和双变量估产模型。结果表明,基于随机森林回归的双变量估产模型精度最高(R~2=0. 303),达极显著水平(P 0. 001)。将随机森林回归双变量估产模型用于研究区域2012年各县(区)玉米单产估测,结果表明,53个县(区)玉米估测单产与实际单产的平均相对误差为9. 85%,均方根误差为824. 77 kg/hm~2,模型精度较高。基于随机森林回归双变量估产模型逐像素估测研究区域2010—2018年玉米单产,结果表明,玉米单产在空间上的分布特征为西部地区最高、北部和南部次之、东部地区最低,年际间的分布特征为在波动中呈先减少后增加的趋势。     

基于LAI和VTCI及Copula函数的冬小麦单产估测

受全球变暖影响,近年来干旱事件发生的频率和强度均呈显著增加的趋势,严重影响了农作物的产量。因此,选择合适的监测指标、构建准确的产量估测模型,对保障国家粮食安全具有十分重要的意义。以关中平原为研究区域,基于与作物长势密切相关的条件植被温度指数（VTCI）和叶面积指数（LAI）,采用主成分分析法（PCA）结合Copula函数分别构建县域尺度单变量（VTCI或LAI）、双变量（VTCI和LAI）的冬小麦单产估测模型。结果表明,基于PCA-Copula构建的综合LAI与冬小麦的单产模型精度最高（R2=0.567,P<0.001）,但综合VTCI和LAI与冬小麦间的单产模型（R2=0.524,P<0.001）用于研究区域2012—2017年各县（区）的冬小麦单产估测时误差分布更为集中、最大误差更小,比基于综合VTCI、综合LAI建立的估产模型的估测结果更可靠,表明应用PCA-Copula构建的双变量估产模型更适合大范围的冬小麦单产估测。     

基于XGBoost-Shapley的玉米不同生育期LAI遥感估算

针对当前快速准确获取叶面积指数（Leaf area index, LAI）时大部分遥感预测方法将光谱信息作为模型主要特征,忽略时序变化特征的问题,利用无人机搭载五通道多光谱相机获取研究区玉米不同生育期的影像数据,基于该数据计算玉米相应生育期植被指数,然后采用植被指数建立各生育期子模型,采用Shapley理论计算子模型均方根误差对全生育期模型均方根误差的贡献度,从而确定各子模型权重,根据权重组合形成具有LAI时序变化特征的估算模型,分别基于支持向量回归（SVR）、多层感知机（MLP）、随机森林（RF）和极限梯度提升树（XGBoost）算法构建组合估算模型。结果表明：采用Shapley理论构建的组合LAI估算模型估算效果优于直接构建的全生育期LAI估算模型。相较于SVR-Shapley、MLP-Shapley以及RF-Shapley模型,XGBoost-Shapley模型的估算效果最佳（R²为0.97,RMSE为0.021,RPD为6.9）。将最优模型XGBoost-Shapley应用于研究区LAI预测,预测结果符合不同生育期玉米长势。本研究为大田玉米长势遥感监测提供...     

基于LAI和VTCI及粒子滤波同化算法的冬小麦单产估测

为进一步提高冬小麦单产的估测精度和验证粒子滤波算法在同化研究中的适用性,以陕西省关中平原为研究区域,以叶面积指数(LAI)和条件植被温度指数(VTCI)为同化系统的状态变量,采用重采样粒子滤波算法同化CERES-Wheat模型模拟的与遥感数据反演的LAI和VTCI,并依据在不同类型样点应用最优同化LAI和VTCI构建的单产组合估测模型对2008—2014年冬小麦单产进行估测。结果表明,同化LAI具有良好的时间和空间连续性,可减缓CERES-Wheat模型模拟LAI的剧烈变化,其峰值出现时间与遥感LAI变化趋势基本同步,更加符合关中平原冬小麦实际变化情况;同化VTCI能同时表达模型模拟值和遥感观测值的变化趋势,且更能反映冬小麦对水分胁迫的敏感性。比较不同类型样点基于不同同化变量建立的估产模型,发现在旱作样点,同时同化VTCI和LAI的单产估测结果(R2=0.531)优于单独同化VTCI(R2=0.475)或LAI(R2=0.428)的估测结果,且同时同化VTCI和LAI与实测产量间相关性达极显著水平(P0.001);而在灌溉样点单独同化LAI的估测结果精度最高(R2=0.539),同时同化VTCI和LAI的估测结果次之(R2=0.457),单独同化VTCI的估测结果较差(R2=0.243)。表明在旱作样点,冬小麦叶面积指数和水分胁迫是影响其产量形成的主要因子,而在灌溉样点,叶面积指数是影响冬小麦产量形成的主要因子。     

基于地面高光谱遥感的大豆产量估算模型研究

为在田间管理中对作物产量进行估测,通过两年大田试验收集了大豆生殖生长期的高光谱数据及产量数据,基于各生育期一阶微分光谱反射率计算了7个光谱指数：比值指数（Ratio index,RI）、差值指数（Difference index,DI）、归一化光谱指数（Normalized difference vegetation index,NDVI）、土壤调整光谱指数（Soil-adjusted iegetation index,SAVI）、三角光谱指数（Triangular vegetation index,TVI）、改进红边归一光谱指数（Modified normalized difference index,mNDI）和改进红边比值光谱指数（Modified simple ratio,mSR）,使用相关矩阵法将光谱指数与大豆产量数据进行相关性分析并提取最佳波长组合,随后将计算结果作为与大豆产量相关的最佳光谱指数,最后将各生育期筛选出的与大豆产量相关系数最高的5个光谱指数作为模型输入变量,利用支持向量机（Support vector machine,SVM）、随机森林（Random forest,RF）和反向神经网络（Back propagation neural network,BPNN）构建大豆产量估算模型并进行验证。结果表明,各生育期（全花期（R2）、全荚期（R4）和鼓粒期（R6））计算的光谱指数与产量的相关系数均高于0.6,相关性较好,其中全荚期的光谱指数FDmSR与大豆产量的相关系数最高,达到0.717;大豆产量最优估算模型的方法是输入变量为全荚期构建的一阶微分光谱指数和RF组合的建模方法,模型验证集R2为0.85,RMSE和MRE分别为272.80kg/hm2和5.12%。本研究成果可为基于高光谱遥感技术的作物产量估测提供理论依据和应用参考。     

基于无人机多光谱遥感的马尾松林叶面积指数估测

快速、准确、无损估测马尾松林叶面积指数对精准林业管理具有重要意义。以小型低空无人机为平台,搭载RedEdge多光谱传感器,获取福建省西部马尾松林多光谱影像,运用重采样的方式获取并计算不同空间分辨率（0.08、0.1、0.2、0.5、1、2、5m）下的植被指数,结合地面实测LAI数据,分析其与植被指数的相关性,进而采用线性模型（LR）、多元逐步回归模型（MSR）、随机森林模型（RF）、支持向量机模型（SVM）和人工神经网络模型（BP）构建不同空间分辨率下的马尾松林LAI估测模型,以决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）、相对分析误差（RPD）和总体精度（TA）来评价估测模型精度,从而确定最佳空间分辨率和最佳模型。结果表明,不同空间分辨率下LAI与植被指数均呈极显著相关（p<0.01）;多变量模型（MSR、RF、SVM、BP）的调整R2平均值高于LR模型;随着空间分辨率的增加,不同模型的R2整体上呈先增大后减小的趋势;当空间分辨率为0.5m时,利用植被指数建立的RF模型为马尾松林LAI的最佳估测模型,RF模型的调整R2为0.766,模型估测的R2、RMSE、RPD和TA分别为0.554、0.421、1.523和81.95%。本研究可为无人机多光谱遥感反演森林LAI表型参数的空间分辨率和模型选择提供理论参考。     

基于叶面积指数的河北中部平原夏玉米单产预测研究

为解决玉米单产预测的时效性和业务化问题,以河北中部平原为研究区域,选取与籽粒产量密切相关的叶面积指数(LAI)作为遥感特征参数,对研究区2016—2018年夏玉米单产进行预测研究。基于求和自回归移动平均(ARIMA)模型及径向基神经网络(RBFNN)分别逐像素预测研究区域的LAI,结果表明,基于ARIMA模型的LAI预测精度比RBF神经网络的预测精度高,1步、2步LAI预测结果的RMSE较RBF神经网络分别降低了0. 18、0. 14 m2/m2,更适合于河北中部平原的夏玉米单产预测。基于LAI监测数据和加权LAI与夏玉米单产的相关性研究成果,并结合基于ARIMA模型的LAI预测数据,得到2016—2018年夏玉米监测单产和向前1旬、2旬和3旬的单产预测结果。结果表明,无论是县域尺度还是像素尺度,向前1、2、3旬夏玉米的单产预测精度均较高,2016—2018年县域尺度预测单产与监测单产间最大相对误差仅为3. 73%。     

基于遥感多参数和IPSO-WNN的冬小麦单产估测

冬小麦是我国的主要粮食作物之一。为进一步准确地估测冬小麦产量,以陕西省关中平原为研究区域,选取冬小麦主要生育期与水分胁迫和光合作用等密切相关的条件植被温度指数（VTCI）、叶面积指数（LAI）和光合有效辐射吸收比率（FPAR）作为遥感特征参数,采用改进的粒子群算法优化小波神经网络（IPSO-WNN）以改善梯度下降方法易陷入局部最优的缺陷,并构建冬小麦产量估测模型。结果表明,IPSO-WNN模型的决定系数R2为0.66,平均绝对百分比误差（MAPE）为7.59%,相比于BPNN（R2=0.46,MAPE为11.80%）与WNN（R2=0.52,MAPE为9.80%）,IPSO-WNN能够进一步提高模型的精度、增强模型的鲁棒性。采用灵敏度分析的方法探究对冬小麦产量影响较大的输入参数,结果发现,抽穗-灌浆期的FPAR对冬小麦产量影响最大,其次拔节期的VTCI、抽穗-灌浆期和乳熟期的LAI以及返青期和拔节期的FPAR对冬小麦产量的影响较大。通过IPSO-WNN输出获取冬小麦综合监测指数I,构建I与统计单产之间的估产模型以估测关中平原冬小麦单产,结果显示,估测单产与统计单产之间的R2为0.63,均方根误差（RMSE）为505.50kg/hm2,相比于前人的研究较好地解决了估产模型存在的“低产高估”的问题,因此,本文基于IPSO-WNN构建的估产模型能够较准确地估测关中平原冬小麦产量。     

基于RS的河南省赵口灌区小麦最佳配水量计算

应用河南赵口灌区的遥感影像数据,获得该区的NDVI、LST等影像指标。采用植被温度指数法,通过ENVI遥感影像处理软件,得到植被条件指数、温度条件指数和干旱指数(DI)。将研究区划分为5个干旱等级,根据DI指数制作赵口灌区干旱等级分类图,计算该时期土壤含水量。分析计算小麦各生育阶段作物需水量,与该阶段土壤含水量对比计算各种干旱类别区域的配水量。     

指夹式玉米精密排种器试验优化研究

排种器是精密播种机的核心部件之一,其排种质量的优劣影响到播种质量的好坏。指夹式玉米精密排种器是一种用于玉米精密播种机的机械式排种器,其结构设计复杂,影响环节多。为此,研究了其结构及工作过程,对主要部件进行了功能分析,并进行了指夹式排种器的优化试验。试验结果表明:添加橡胶薄垫的排种器的合格指数为87. 91%,重播指数为8. 23%,漏播指数为3. 92%,添加塑料薄垫的排种器合格指数为83. 24%,重播指数为11. 31%,漏播指数为5. 57%,两种材料都符合农业作业要求。通过对比,选择橡胶材料作为排种盘附加材料。此外,当振动频率为14Hz时,播种的合格率最高;当排种盘转速为4km/h时,播种的合格率最高。     

Agro-environmental evaluation of irrigation land: II. Pollution induced by Bardenas Irrigation District (Spain)

It is difficult to quantify non-point contamination caused by irrigated agriculture. As continuation to the evaluation of water use on the scale of large irrigation districts, this second part seeks: (i) to quantify the mass of salt and nitrate exported by Bardenas Irrigation District included in the Arba basin (BID-Arba; 54,438 ha); (ii) to analyze the most influential factors; (iii) to propose agro-environmental contamination indices which can be incorporated into legislation.For this, salt and nitrate balances were carried out, assigning concentration values to each of the components of the water balance between 1 April 2004 and 30 September 2006. Saline and Nitrate Contamination Indices were also quantified which correct the mass of pollutants exported from irrigation return flows by geological and agronomic factors of the irrigation area studied.For the whole period of the study the exported mass of salt was 15 kg/(ha day), of which 65% came from geological materials in the area, 34% from irrigation water and only 1% from precipitation. As for exported nitrate, it was 76 g NO₃⁻-N/(ha day), only 25% of the quantities measured in other small basins (≈100 ha) of Bardenas district without re-use of drainage water for irrigation, but double the nitrate exported in other modern irrigation districts.Water and saline agro-environmental indices of BID-Arba resemble those of well-managed modern irrigation districts indicating little margin for improvement in water use and saline contamination. But, the nitrate-contamination-index was 1.5 times higher than well-managed modern irrigation districts indicating the necessity to change nitrogenous fertilization practices to minimize nitrate contamination.     

喀斯特山区贫困乡村土地利用的地形梯度特征

为厘清喀斯特地区小尺度土地利用在地形梯度的特征。基于0.5 m分辨率的Pleiades遥感影像和DEM数据,在ArcGIS技术支持下,采用人工目视解译方法,进行土地利用分类和地形位指数计算,并利用Fragstats 4.2软件,从景观生态学视角,分析4种不同喀斯特地貌的典型乡镇土地利用的地形梯度特征。研究发现:4个不同地貌乡镇的斑块数量(NP)和斑块形状指数(LSI)变化在地形位梯度上存在相似性,而与斑块所占景观面积(PLAND)变化规律有明显不同。斑块水平上各指标变化在4个地貌乡镇之间存在一定差异。随着地形位指数增加,4个乡镇的聚集度(AI)和蔓延度(CONTAG)整体上呈增加趋势,而4个地貌乡镇的香浓多样性指数(SHDI)和连接度(COHENSION)变化存在差异。不同地貌的土地利用结构的差异是形成不同喀斯特地貌贫困乡村土地利用梯度特征的重要因素。     

基于WPI的水安全评价体系研究

针对水安全评价问题,介绍了水贫穷指数(WPI)。根据我国实际情况对水贫穷指数中的水安全评价指标进行深入研究,并在此基础上提出适合我国流域的水安全评价指标。以石羊河流域为例的应用证明了该指数能够清晰地反映威胁流域水安全的因素的具体特征,通过水安全分级的方法可以确定各特定区域的水安全级别,为制定水安全预警机制提供依据。     

两种气象干旱指标的应用比较研究

基于两种常用的气象干旱指标计算方法--Z指数和标准化降水指数（SPI指数）,改进了两种干旱指标的区域化计算方法。通过比较分析两种不同干旱指标方法,结果表明SPI指数与Z指数具有较好的一致性。同时,SPI指数计算较Z指数简单,资料容易获取,其借助概率密度函数转化计算,消除了降水资料的时空分布差异,具有良好的稳定性,能有效地反映区域的旱涝状况,为区域水资源评估及旱涝灾害预测预警提供了可靠的依据。     

节水灌溉综合效应评价指标的选取与分级研究

分析了节水灌溉主要影响因素及效能表现形式,依据科学性、简性性、可操作性及针对性等原则,在对综合采用专家评分法、Delphi法、层次分析和隶属度等方法选取的评价指标进行非量纲化处理与检验的基础上,确定了区域评价的综合评价指标体系,并依据现有规划、规范及发展现状对所选指标进行了分级,为开展节水灌溉综合效应评价提供了基础。     

基于HJ-1马尾松叶面积指数的遥感反演

以福建省为研究区,利用环境星(HJ-1)CCD数据,选择并提取了与叶面积指数(LAI)关系密切的4种植被指数,即归一化比值植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)、改进的土壤调节植被指数(mSAVI)及增强型植被指数(EVI),结合研究区内准同步马尾松LAI地面观测数据,通过研究各种指数与马尾松LAI之间的关系,选择与马尾松LAI相关最密切的RVI同实测LAI建立6种非线性回归模型,6种模型中以理查德模型建立的模型精度为最高,总体均值预报偏差相对误差为3.1%,并以此模型实现了福建省马尾松LAI遥感反演。     

影响带勺式马铃薯播种机排种性能的因素分析与试验

2015年,马铃薯主粮化发展战略的提出将极大地促进我国马铃薯种植业的发展,种植面积将显著增加,这对我国马铃薯播种机排种性能提出了更高的要求。我国带勺式马铃薯播种机漏种、重种指数较高,与国外相同机型相比差距很大。为此,利用带勺式马铃薯排种试验台进行了排种性能试验研究。试验得出了取种皮带张紧力、播种机工作速度、振动轮位置,以及充种高度对漏种、重种指数的影响规律,旨在为马铃薯播种机的设计及工作参数调整提供参考。     

镇原县油菜籽产业竞争优势度分析

以竞争优势理论为基础,运用显示性指标和分析性指标,研究甘肃省镇原县油菜籽产业的竞争优势度。结果表明:镇原县油菜籽在甘肃省市场占有率为1.67%,在甘肃省油菜籽主产县区中排名靠前;镇原县油菜籽的资源禀赋系数、规模优势指数、效率优势指数和综合优势指数的值均>1,表明该县油菜籽在成本收益、资源禀赋和规模优势方面表现出较强的竞争潜力,但效率优势指数和综合优势指数表现出的竞争优势度不强。以上述分析为基础,提出了提升镇原县油菜籽产业竞争优势的对策,为产业振兴提供参考。