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。     

基于双参数和Morlet多时间尺度特性的冬小麦单产估测

为进一步研究冬小麦在不同时间尺度下长势及产量变化情况,以陕西省关中平原为研究区域,选择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）作为研究指数,Morlet小波作为函数,利用小波变换和交叉小波变换分别分析不同时间尺度下冬小麦各生育时期VTCI和LAI与单产时间序列间的主振荡周期和共振周期。通过计算小波互相关度,确定各生育时期VTCI和LAI的权重,从而分别构建基于加权VTCI、加权LAI的单参数和双参数估产模型。结果表明,不同生育时期VTCI和LAI与单产间存在不同的主振荡周期和共振周期;通过小波变换构建的基于加权VTCI、加权LAI单产估测模型的归一化均方根误差（NRMSE）分别为16.88%、13.58%,决定系数（R2）分别为0.259、0.520,基于双参数的估产模型NRMSE为13.52%, R2为0.531,表明基于双参数估产模型精度更高。通过交叉小波变换构建的基于加权VTCI、加权LAI单产估测模型的NRMSE分别为16.83%、13.56%,R2分别为0.263、0.522,基于双参数的估产模型NRMSE为13.40%,R2为0.533,表明基于交叉小波构建的估产模型比基于小波变换的估产模型精度均有所提高。利用共振周期构建的双参数估产模型对关中平原2011—2018年冬小麦的单产进行估测,结果显示,产量分布呈现西部高东部低的空间分布特征。     

基于双变量同化和交叉小波变换的冬小麦单产估测

为进一步提高陕西省关中平原冬小麦产量估测的精度,利用集合卡尔曼滤波算法(EnKF)将CERES-Wheat模型模拟的0～20 cm土壤含水率和叶面积指数(LAI)与遥感观测的条件植被温度指数(VTCI)和LAI进行同化,同时利用交叉小波变换分析冬小麦各生育时期同化VTCI和LAI与产量之间的共振周期,通过计算小波互相关度获得各生育时期同化VTCI和LAI的权重,进而构建基于加权VTCI和LAI的冬小麦单产估测模型。结果表明,在样点尺度,经过EnKF同化的VTCI和LAI能够综合表达模型模拟值和遥感观测值的变化趋势;在区域尺度,无论是否同化,经过交叉小波变换的各生育时期VTCI和LAI分别与产量之间存在特定的共振周期,同时发现,同化有助于对关键生育时期的特征提取;相较于未同化构建的估产模型,经过同化构建的估产模型的归一化均方根误差为13.23%,决定系数为0.50,平均相对误差为10.58%,精度略有提升,且估测产量的分布与统计产量的分布更为一致,因此认为将同化与交叉小波相结合构建的双变量单产估测模型精度更高,可为进一步实现高精度的区域产量估测提供研究基础。     

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Shapley值组合预测的玉米单产估测

为进一步促进机器学习技术在玉米单产估测中的应用,以河北中部平原为研究区域,选取与玉米长势和产量密切相关的条件植被温度指数（Vegetation temperature condition index,VTCI）和叶面积指数（Leaf area index,LAI）为特征变量,通过极限梯度提升（Extreme gradient boosting,XGBoost）算法和随机森林（Random forest,RF）算法分别对玉米单产进行估测。基于组合预测思想与Shapley值理论,分别确定组合预测模型中XGBoost与RF模型权重,进而得到组合预测模型,结果表明,基于Shapley值确定的组合估产模型精度较高（R2=0.32）,达极显著水平（P<0.001）。同时将组合预测模型应用于河北中部平原2012年各县（区）玉米的单产估测,结果表明,模型精度较高（R2=0.52）,玉米估测单产与实际单产的平均相对误差和均方根误差分别为9.86%、831.14kg/km2,达到极显著水平（P<0.001）,且组合预测模型的精度均优于单一估测模型。研究发现,河北中部平原玉米估测单产随年份发生波动变化,呈先降低后升高的趋势。玉米估测单产以西部地区最高,其次是北部和南部地区,东部地区最低。     

基于4D-VAR和条件植被温度指数的冬小麦单产估测

条件植被温度指数(VTCI)综合了地表主要参数——归一化植被指数(NDVI)和地表温度(LST),能够较为准确地对干旱进行监测,可为抗旱救灾、作物估产等提供科学依据。为了提高VTCI的区域估产精度,以陕西省关中平原为研究区域,将遥感反演的VTCI与CERES-Wheat小麦生长模型模拟的土壤浅层含水率相结合,通过四维变分(4D-VAR)同化算法实现2008—2014年冬小麦主要生育期旬尺度VTCI的同化。将同化和未同化的VTCI分别运用改进的层次分析法、熵值法及两者组合赋权法建立冬小麦单产估测模型,选择最优估测模型对2011年关中平原各县(区)进行单产估测和精度评价,并分析2008—2014年关中平原冬小麦单产的时空分布特征,结果表明:无论是在单点尺度还是区域尺度,同化的VTCI均能更好地响应外部观测数据,区域VTCI纹理性更好,更符合VTCI的先验知识。与未同化VTCI构建的估测模型相比,应用同化的VTCI所建的估测模型的估测精度明显提高,相关系数达到0.784(P0.001)。应用最优估测模型对2011年关中平原29个县(区)估产结果中,有16个县(区)的估测单产相对误差小于10%,28个县(区)的估测单产相对误差小于15%,总体平均相对误差为8.68%,均方根误差为421.9 kg/hm~2。近年来关中平原的冬小麦单产呈现个别年份波动、总体增长的年际变化规律,且呈现出中部单产最高、西部次之、东部最低的空间分布特征,与实际情况符合。     

基于VTCI和分位数回归模型的冬小麦单产估测方法

条件植被温度指数(VTCI)是一种综合了归一化植被指数(NDVI)与地表温度(LST)的遥感干旱监测方法,在关中平原的近实时干旱监测中具有其适用性。分位数回归能全面反映因变量的条件分布在不同分位数处的特征,回归结果稳健可靠。为了进一步研究VTCI干旱监测结果与小麦单产之间的关系及提高冬小麦单产估测精度,构建了不同分位数τ(0.1,0.3,0.5,0.7,0.9)下关中平原各市2008—2014年的冬小麦主要生育期VTCI与单产之间的线性回归模型,并基于中位数(τ=0.5)回归模型对研究区域的冬小麦单产进行了估测。结果表明,分位数回归模型比较全面地反映了不同分位数下冬小麦单产分布与VTCI之间的相关程度,弥补了最小二乘估产模型回归结果单一、易受异常值影响等的不足。中位数回归模型的单产估测结果与实际单产之间的相对误差和均方根误差的最小值及平均值均低于最小二乘回归模型,估测精度较高。此外,中位数单产估测模型获取的冬小麦估产结果在年际变化规律与空间分布特征上与实际产量均较相符,说明分位数回归在研究VTCI与产量之间的关系及冬小麦单产估测中具有其适用性与可靠性。     

基于粒子滤波和多变量权重的冬小麦估产研究

为了构建能够反映作物长势的综合性指标以及准确估测作物产量,采用粒子滤波算法同化CERES-Wheat模型模拟和基于Landsat数据反演的叶面积指数(Leaf area index,LAI)、地上生物量和0~20 cm土壤含水率,获取冬小麦主要生育期以天为尺度的变量同化值,分析不同生育时期的LAI、地上生物量和土壤含水率同化值与实测单产的相关性,并应用熵值的组合预测方法确定不同状态变量影响籽粒产量的权重,进而生成综合性指数,并分析其与实测单产的相关性。结果表明,LAI、地上生物量和土壤含水率同化值和田间实测值间的均方根误差(Root mean square error,RMSE)以及平均相对误差(Mean relative error,MRE)均低于这些变量模拟值和实测值间的RMSE和MRE,说明数据同化方法提高了时间序列LAI、地上生物量和土壤含水率的模拟精度。基于不同状态变量的权重生成的综合性指数与实测单产间的相关性大于单个变量与实测单产间的相关性;基于综合性指数构建小麦单产估测模型,其估产精度(R2=0.78,RMSE为330 kg/hm2)分别比基于LAI、地上生物量和土壤含水率建立模型的估产精度显著提高,表明构建的综合性指数充分结合了不同变量在作物估产方面的优势,可用于高精度的冬小麦单产估测。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。      

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。