基于空间统计学的棉花冠层光合有效辐射空间格局分析方法

 运用空间统计学的模拟方法,以不同密度棉花群体为研究对象,对其冠层内光合有效辐射（PAR）的空间分布予以研究。通过拟合PAR透射率的半方差函数模型和绘制等值线图来反映不同密度群体冠层内PAR透射率的空间格局。利用克里格空间内插法和Simpson3/8法计算出盛蕾期棉花群体平均PAR透射率,分析其与LAI的回归关系,并对克里格插值法进行交叉验证。结果表明,冠层PAR存在强烈的空间自相关性,变异函数的最佳理论模型为高斯模型,决定系数均在0.9以上。各密度冠层PAR透射率具有相似的空间格局,但其变异程度有随密度增加而上升的趋势。群体平均PAR透射率与叶面积指数（LAI）呈指数回归关系,与前人研究结果一致。应用空间计学研究PAR空间分布格局,将有助于对PAR 进行精确定位和定量化地估算,为作物科学配置和作物冠层结构调控提供理论依据。     

风廓线雷达晴空大气返回信号功率谱特征分析

风廓线雷达谱参数是生成基本数据产品的重要参数,谱参数的正确估算是风廓线雷达运用的基础。基于晴空大气服从高斯分布的假设,本文给出了判断晴空大气返回信号功率谱服从高斯分布的2个判据,一是均方差值,二是面积相对比,利用这2个判据统计分析了风廓线雷达晴空探测资料服从高斯分布的情况,并分析了可能出现的带有杂波的大气返回信号以及杂波剔除方法,得出晴空大气返回信号功率谱服从高斯分布的结论,为快速估算晴空大气谱参数提供了新的方法,即功率谱的波峰位置对应多普勒频移,相对波峰位置的半功率点对应谱宽。     

长清区夏玉米生育气候条件分析及农业区划

根据夏玉米对气象条件的要求,利用长清地区(1981—2015年)的气候资料以及地形、土壤等数据,运用Kriging插值法、加权综合评价法和层次分析法,结合GIS技术对长清区夏玉米种植的适宜性进行空间分布分析与精细化农业区划。结果表明:长清大部分农区的气候条件,适宜于夏玉米的生长发育。长清区夏玉米种植适宜性分布具有明显的空间差异性,总体呈现由西北向东南递减的趋势。最适宜区主要分布在平安街道办事处、文昌街道办事处等部分地区;适宜区分布在崮云湖街道办事处、五峰山街道办事处等地区;一般适宜区主要分布长清区的东南部地区。农业区划结果对本地区合理利用气候资源,发展现代化农业和调整夏玉米种植规划具有一定的应用价值。     

Application of Spatial Interpolation in GIS

Spatial interpolation includes point interpolation and areal interpolation. The point interpolation is mainly used to deal with natural geography data and the areal interpolation is usually used to solve the interpolation problem of social economic statistic data. However, social economic statistic data are often collected by areas, which cannot represent their real spatial distribution. A spatial distribution model of social economic statistic data is to be established to conform to their real spatial distribution. Using the areal weighting interpolation and inverse distance weighted averaging, a spatial distribution model of GDP is established in this paper.     

耕地质量空间插值方法的研究进展与展望

构建高效、规范化的空间插值方法,快速、准确获取县域乃至全国的耕地质量指标分布图,是建设耕地质量大数据平台、服务宏观决策亟待解决的重要问题。本研究通过文献梳理和研究述评,归纳了目前空间插值方法的概念、流程,明晰了其精度影响因素以及在耕地质量监测评价中的应用现状。结论:为满足耕地质量大数据平台建设的实际应用需求,未来需从4个方向开展空间插值方法的深入研究,包括分区域空间插值、考虑地理阻隔的空间插值、基于辅助变量的空间插值和空间插值的功能模块设计。研究成果可为耕地质量数据标准化处理提供方法参考。     

山西省森林土壤因子空间变异特征

为了揭示山西省森林土壤因子的空间分布特征,为评价森林土壤肥力提供参考,为森林可持续经营提供技术支撑,并为区域林业发展规划的制定提供依据。基于山西省297块样地的土壤采样检测数据,包括森林土壤碱解氮、全氮、有机质、速效磷、全钾、pH、含水量7个因子,利用GIS进行趋势分析、半变异函数模型选取,利用克里金插值法揭示森林土壤因子的空间变异特征。结果表明：全氮、碱解氮、pH的最优模型为高斯函数模型;速效磷、全钾的最优模型为指数函数模型;有机质、含水量的最优模型分别为三角函数模型和球面函数模型。利用克里金插值法绘制了各森林土壤因子的空间分布图,揭示了山西省森林土壤因子的分布特征。山西省森林土壤因子均有明显的空间分异特征：碱解氮、全氮、有机质含量相对较高的多集中在省境主体山脉沿线的中高山地区;全钾含量整体表现较为丰富;含水量表现出明显的东南多西北少的差异;速效磷作为一种瞬时变量,在空间分布上比较杂乱;pH的空间变异显示,山西省整体森林土壤呈弱碱性,朔州市部分地区森林土壤表现为强碱性,可作为盐碱地研究典型区域。     

基于GIS的重庆农业气候资源空间分布精细模拟研究

针对重庆地区地形复杂,气候资源立体多样性明显的特点,本文将经纬度、海拔、坡度、坡向、地形遮蔽度等地理因子引入到气候空间模拟中,采用多因子日照时数模拟和小网格法建立重庆光照、热量和降水等农业气候资源的数学推算模型,在ArcGIS平台支持下,对模型进行了空间精细推算和可视化表达,并将其与常规的回归法与克里格法进行了对比分析。结果表明多因子日照模拟法由于充分考虑了坡度、坡向、日照遮蔽度等下垫面因子对日照的影响,在日照时数模拟方面能够获得较好效果;而年均温、 10℃积温采用Spline残差插值的小网格方法效果更好;年均降水量则以采用IDW残差插值的小网格方法为佳。在此基础上,对重庆地区农业光、热、水资源空间分布的基本特征进行了分析。研究成果可以为充分利用区域气候资源,合理布局农、林、牧产业,实现农业可持续发展提供有效的数据依据和科学支持     

棉花冠层光合有效辐射空间分布插值方法

获取冠层光合有效辐射PAR(Photosynthetically active radiation)信息对于作物估产、长势监测以及优化种植有重要意义。运用地统计学空间网格法原理测定了鲁棉研28号的棉花冠层PAR值,综合应用等值线图、残差和交叉验证比较分析了12种插值方法,发现克里金插值法最优;进一步利用克里金插值法分析了冀958、中棉所60、零式果枝品系L0三个品种PAR透射光的空间分布特征,等值线图显示PAR透射光空间分布与株型对光的影响一致,即验证了克里金插值法为模拟研究棉花冠层PAR值的最佳方法。     

Geostatistical interpolation and aggregation of crop growth model outputs

Many crop growth models require daily meteorological data. Consequently, model simulations can be obtained only at a limited number of locations, i.e. at weather stations with long-term records of daily data. To estimate the potential crop production at country level, we present in this study a geostatistical approach for spatial interpolation and aggregation of crop growth model outputs. As case study, we interpolated, simulated and aggregated crop growth model outputs of sorghum and millet in West-Africa. We used crop growth model outputs to calibrate a linear regression model using environmental covariates as predictors. The spatial regression residuals were investigated for spatial correlation. The linear regression model and the spatial correlation of residuals together were used to predict theoretical crop yield at all locations using kriging with external drift. A spatial standard deviation comes along with this prediction, indicating the uncertainty of the prediction. In combination with land use data and country borders, we summed the crop yield predictions to determine an area total. With spatial stochastic simulation, we estimated the uncertainty of that total production potential as well as the spatial cumulative distribution function. We compared our results with the prevailing agro-ecological Climate Zones approach used for spatial aggregation. Linear regression could explain up to 70% of the spatial variation of the yield. In three out of four cases the regression residuals showed spatial correlation. The potential crop production per country according to the Climate Zones approach was in all countries and cases except one within the 95% prediction interval as obtained after yield aggregation. We concluded that the geostatistical approach can estimate a country’s crop production, including a quantification of uncertainty. In addition, we stress the importance of the use of geostatistics to create tools for crop modelling scientists to explore relationships between yields and spatial environmental variables and to assist policy makers with tangible results on yield gaps at multiple levels of spatial aggregation.     

基于GIS的鲁东南典型丘陵平原区农田土壤养分空间变异特征及影响因素研究

以鲁东南丘陵平原区的某镇为例,利用采集的200个农田表层土壤样点数据,运用地统计学方法研究了土壤中有机质(SOM)、全氮(TN)、碱解氮(AN)、速效磷(AP)和速效钾(AK)含量的空间变异特征及其影响因素。结果表明:SOM、TN、AN、AP和AK的平均含量分别为13.52 g/kg、0.75 g/kg、87.27 mg/kg、50.55 mg/kg和103.20 mg/kg,土壤养分含量总体属于稍缺水平,变异系数依次按大小排序为AP>AN>AK>TN>SOM,全部为中等变异程度。地统计分析表明,5种土壤养分的变异函数符合指数模型,通过普通克里格法对土壤养分进行空间插值来绘制了养分含量等级空间分布图,总体来说研究区土壤的有机质和全氮含量水平都较低,其他有效组分在含量等级及分布范围相对于有机质和全氮的状况要稍好。地形地貌、土壤类型和土地利用方式等因素对研究区土壤养分的空间变异程度有显著影响,其中地形地貌、土壤类型等结构性因素的影响程度较强。     

基于模型和GIS的棉铃品质地域分异评价系统

为了预测棉铃品质,对棉铃品质地域分异进行科学评价,以MapObjects(MO)为开发平台,C#为开发语言,基于棉铃品质模型,研制了棉铃品质地域分异评价系统。该系统以棉花品种特性、气候及施氮量等因子为基本输入,实现了对棉铃品质地域分异规律的分析和预测,并可对黄河流域和长江流域棉区238个棉花主产棉县(市)主栽棉花品种的棉子蛋白质、棉子油分、棉纤维长度、比强度、麦克隆值和棉纤维综合品质进行预测计算,运行结果以表格、曲线图、柱状图及专题地图的形式输出。以江苏省为例,对棉铃品质地域分异进行了系统的评价。运行结果表明,该系统操作简单,运行可靠,预测结果空间表达准确直观,站点评价选取灵活。该系统的实现为保障棉花区域经济可持续发展提供了科学依据。     

黄淮平原冬小麦霜冻害时空分布特点的研究

黄淮平原是中国小麦的主产区,而该区又是中国遭受霜冻害最严重的地区之一。霜冻害造成该区小麦产量减少,影响着中国的粮食安全问题,通过研究霜冻害在黄淮平原的时空分布特点,为小麦的种植提供科学的决策依据。选取小麦拔节期后日最低温度及距拔节期天数为指标,构造霜冻害灾度函数,利用该函数得到各个地区的冬小麦霜冻害灾度值,根据灾度值进行霜冻害的等级划分,计算各级霜冻害的发生频率,运用GIS得到霜冻害的时空分布特征。研究结果表明：在时间上,各级霜冻害的发生频率随年代呈减少趋势,轻霜冻害发生最为频繁,在各个年代频率值都在15%左右,重霜冻害次之发生频率约为6%左右,中霜冻害最轻;在空间上,该区的霜冻害多发地区以河南省和山东省霜冻害发生最为频繁且受灾较严重,其发生频率可达30%以上,最高可达70%。总体上北部地区霜冻害的发生频率高于南部地区。通过对冬小麦霜冻害时空分布特点的分析,为该区冬小麦霜冻害的防灾减灾以及冬小麦品种的选择提供一定的理论依据。     

基于新遥感数据源的县域冬小麦种植面积提取

Landsat-8卫星的成功发射为农业遥感提供了新的重要数据源。以虞城县为研究区域,探讨基于Landsat-8影像估算县域冬小麦种植面积的可靠性,讨论不同分辨率影像的提取精度。选取冬小麦起身生拔节长期的影像以最大程度的扩大冬小麦与背景地物的波谱差异,根据波谱特征构建提取冬小麦种植面积的决策树模型。结果表明：与统计数据对比,使用30 m空间分辨率影像提取的精度为96.30%,使用15 m空间分辨率影像提的取精度达到99.17%,该方法可为县域冬小麦面积提取提供技术支撑。     

江苏省设施塑料大棚发展气候适宜性评价

为了对江苏省设施塑料大棚发展气候适宜性进行评价,统计了江苏省61个台站1981年到2010年的观测数据,利用基于加速遗传算法的投影寻踪(Projection Pursuit Evaluate,PPE)模型以及ArcGIS中多元线性回归插值法和反距离插值法绘制了江苏省光热资源分布图以及设施塑料大棚气候适宜性评价图。结果表明：江苏省冬春季节低温灾害主要发生在东北部地区,这些地区受冷空气影响较为严重;江苏省寡照灾害发生次数从南向北递减,沿江及洪泽湖一带为最大。综合评价可知江苏省塑料大棚发展适宜性以纬向分布为主,即从苏南向苏北递减,同时塑料大棚发展适宜性也受地形地貌影响,其中最适宜发展设施塑料大棚的主要在长江以南地区,长江以北到兴化、高邮、东台一线为地区相对也较为适宜,从兴化、东台一线往北适宜性相对较差,其中最北部的徐州、连云港以及宿迁部分地区不适宜发展设施塑料大棚。研究结果为江苏省塑料大棚发展的合理布局和气象灾害防御提供了科学依据。     

Reliability model for Subsystems of CNC machine tool with small samples

Many subsystems in CNC machine tool have only a few failures, so they are small samples. In this case, classical reliability modeling method often has large errors. For the failure data of small sample, maximum likelihood estimation method is used to estimate the Weibull distribution model parameters of time between failures of the subsystems. Then, the Weibull distribution model parameters are modified by parameter bias correction method. Finally, the effect of bias correction parametersis tested by the D test and the error area ratio test method. The test results show that the modified models are better.     

铜陵土壤有机质空间变异分析

为了研究安徽省铜陵市土壤有机质空间变异特征,采用地理信息系统与地统计学相结合的方法,按照普通克里格方法选择不同的半方差模型进行插值,同时通过标准化均方根误差(RMSE)验证和同一系数(AC)验证进行精度对比。结果表明,对数转换后的插值结果并未提高,标准化均方根误差验证利用原插值样点交叉验证进行数据验证结果的参考价值有限,独立样本的验证是非常必要。研究区内土壤有机质含量的变异系数一般,主要受到研究区内地形的影响,整个区域内分布并不均匀,有机质含量较高区域分布于高海拔位置。     

水稻高光谱红边位置与叶层氮浓度的关系

实时无损监测叶片氮素状况对水稻精确氮素管理具有重要意义。本研究基于多年不同施氮水平和不同水稻品种的田间试验观测资料,系统分析了水稻高光谱红边区域和位置特征与冠层叶片氮浓度的定量关系。结果表明,水稻冠层的红边区域光谱受施氮水平和品种影响较大,一阶导数光谱在红边区域出现“三峰”现象。经典的红边位置(660~750 nm之间光谱反射率的一阶导数最大值)由于“三峰”特征现象而对水稻氮素浓度变化不够敏感,难以适用于水稻氮素状况的准确监测。基于倒高斯模型、线性内插法和线性外推法构造的红边位置随水稻氮浓度呈现连续变化模式,适用于水稻叶层氮浓度的定量监测;另外,基于695 nm、700 nm和705 nm等3个波段的拉格朗日算法也可估测水稻叶层氮浓度。比较不同红边位置发现,改进型线性外推法较其他几种算法更能有效地监测水稻冠层叶片氮浓度。     

不同插值方法对精细化预报产品在青岛地区的检验比较

青岛地区农业产业园位置分散在内陆、沿海和山地等多种地形区域,气温差异大,为提高现代农业精细化服务水平,笔者基于国家气象中心下发的全国区域5 km格点气象要素预报产品,采用最近邻域、双线性插值、反距离权重3种插值方法对气温预报产品在青岛地区的适用性进行对比检验。结果表明:内陆地区双线性插值法准确率最高,且平均绝对误差和均方根误差最小。沿海地区采用最近邻域法和反距离权重法均有较好的效果。对于山地,综合考虑准确率、平均绝对误差和均方根误差,较适用反距离权重插值方法。最高气温预报准确率内陆地区高于沿海和山地地区,且在8—10月为准确率最高时期,3—6月准确率相对较低;最低气温则在沿海地区准确率最高,且夏季的准确率明显高于冬季,其在7月准确率最高而1月准确率最低。研究结果为下一步将预报产品插值生成分辨率更细、准确率更高的精细化气象服务产品奠定基础。     

Analyse critique d'une methode d'estimation de la conductivite thermique d'un sol in situ

A numerical method for determining the thermal conductivity of a soil in situ is proposed. It requires the measure of the temperature at three levels in the soil. From the knowledge of the boundary conditions (temperatures at the top and the bottom of the soil layer) and an estimation of the initial the mal profile, the temperature at the intermediate level can be calculated by integration of the monodimensional heat conduction equation with a numerical method (finite elements method). The boundary conditions are interpolated by the FOURIER series. The heat capacity is calculated according to the model of DE VRIES. The thermal conductivity is estimated by minimizing the residual sum of squares between calculated and measured temperatures at the intermediate level. The soil layer can be considered either homogeneous or stratified in two sub-layers. Using simulated temperature data, the optimal conditions of use of the method are defined and the sensitivity of the method to errors made on the measure of the temperature and on the position of the temperature probes is studied.In the case of an homogeneous soil layer, the method yields a good estimation of the thermal conductivity (error ≤1%) with a 4 hours period of estimation, whatever the position of the intermediate probe. The more precise estimation is obtained with an intermediate probe placed at the middle of the layer and with a high thermal amplitude. The method is not sensitive to errors made on temperature measures (biased or truncated measures) if the estimation is made on a period of 24 hours. It is highly sensitive to errors made on the position of the temperature probes.In the case of a stratified layer, the method allows to estimate the thermal conductivity of each sub-layer whatever the position of the intermediate probe if the period of estimation is at least 12 hours. The method is very sensitive to errors made on temperature measures (whatever the duration of the estimation period), on the position of the temperature probes and on the position of the limit between the two sub-layers. Therefore, its use for a stratified soil layer seems delicate.     

Application of soft sensor in the on line measurement of theiron ore’s surface temperature

It is difficult to measure the surface temperature of iron ore directly. A method is put forward to handle this problem by using soft sensing technique. This on line measurement method is used to replace the Lagrange interpolation off line method to estimate surface temperature. The method used L M optimum algorithm to build up ANN soft sensor model combined with off line learning neural network to establish the correlation between input variables and target variables, to achieve the surface temperature on line detection. The results of simulation and experimentation indicate that the method is reasonable and feasible.