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。     

基于改进人工鱼群算法的三江平原投影寻踪旱情评价模型

针对现有的旱情评价方法容易出现评价等级离散和结果不易分辨等问题,提出了基于人工鱼群的投影寻踪旱情评价模型,利用人工鱼群算法优化投影指标函数寻求最佳投影方向,同时采用自适应人工鱼步长和拥挤度因子对人工鱼群算法进行改进,克服其易陷入局部最优等缺点,提高了全局搜索能力和收敛速度。以三江平原红兴隆分局为例,选用降雨距平百分率、Z指标和降水温度均一化指标3个指标综合计算投影值,建立了基于改进人工鱼群算法的三江平原投影寻踪旱情评价模型。结果表明,该模型有效避免了单项指标评价的不相容性,用于区域旱情评价是切实可行的,为旱情评价提供了参考。     

基于粒子滤波的苹果采摘机器人目标姿态估算

针对苹果采摘机器人中果实姿态信息缺失造成果实损伤及采摘失败等问题,根据苹果尾部花萼遗迹区域是否可见分析了果实姿态信息机器视觉测量方法,研究了果实姿态信息的粒子滤波估计。将单目摄像机固定在机器人末端手爪上,在手爪趋近果实的采摘过程中,随机采集多帧果实图像。对每帧图像运用惯性主轴或重心点偏移两种方法计算果实在机器人坐标系下的姿态向量值,并通过粒子滤波融合来得到果实姿态信息的最优估计。实验结果表明,粒子滤波方法可以有效地融合多帧图像的苹果姿态信息,能够减小因依靠单帧图像直接测量而产生的误差。     

Yield and soil system changes from conservation tillage in dryland farming: A case study from North Eastern Tanzania

Yield levels in smallholder farming systems in semi-arid sub-Saharan Africa are generally low. Water shortage in the root zone during critical crop development stages is a fundamental constraining factor. While there is ample evidence to show that conservation tillage can promote soil health, it has recently been suggested that the main benefit in semi-arid farming systems may in fact be an in situ water harvesting effect. In this paper we present the result from an on-farm conservation tillage experiment (combining ripping with mulch and manure application) that was carried out in North Eastern Tanzania from 2005 to 2008. Special attention was given to the effects of the tested treatment on the capacity of the soil to retain moisture. The tested conservation treatment only had a clear yield increasing effect during one of the six experimental seasons (maize grain yields increased by 41%, and biomass by 65%), and this was a season that received exceptional amounts of rainfall (549 mm). While the other seasons provided mixed results, there seemed to be an increasing yield gap between the conservation tillage treatment and the control towards the end of the experiment, and cumulatively the yield increased with 17%. Regarding soil system changes, small but significant effects on chemical and microbiological properties, but not on physical properties, were observed. This raises questions about the suggested water harvesting effect and its potential to contribute to stabilized yield levels under semi-arid conditions. We conclude that, at least in a shorter time perspective, the tested type of conservation tillage seems to boost productivity during already good seasons, rather than stabilize harvests during poor rainfall seasons. Highlighting the challenges involved in upgrading these farming systems, we discuss the potential contribution of conservation tillage towards improved water availability in the crop root zone in a longer term perspective.     

基于核密度估计的京津冀地区耕地破碎化分析

为了深入分析京津冀地区耕地破碎化和人工干扰程度,以空间网格为基本单元,采用核密度函数法对耕地进行密度计算,继而采用自然断点法进行密度分区,采用景观格局指数法,对耕地的空间分布特征、破碎化程度进行定量分析,最后采用耕地破碎度指数和人工干扰指数对比分析提出耕地整治的方向。结果表明:耕地核密度变化范围为0~95.08点/km2,85%以上的耕地集中分布在区域中部和东南部的中密度区到高密度区,耕地面积随着密度降低而减少;耕地斑块密度指数、斑块边界密度指数、面积加权分维数和耕地斑块聚集度在不同密度区的变化情况均反映出破碎化程度随着耕地密度减小而增大;耕地破碎度指数和人工干扰度指数均随着耕地密度降低而升高,人工干扰是该区域耕地破碎化程度加剧的主要因素。采用核密度估计法能合理地反映耕地聚集程度和破碎化程度,可为京津冀地区协同发展、耕地整治和土地利用优化布局提供理论支撑。     

基于常规气象资料估算南方地区日辐射总量方法比较

日地表总辐射量(Rs)是作物生长模型和参考作物蒸发蒸腾量估算的重要基础数据,但我国只有约1/20的气象站能够直接观测Rs。由于气温资料很容易获得,使用基于基本气象资料的经验模型是估算Rs的常用方法。以1982—2014年南方20个气象站的气象资料为基础,对Bristow-Campbell(B-C)方法和Hargreaves(Harg)方法各6种不同形式重新进行了参数率定,并对以上方法和支持向量机15种参数输入形式进行了适用性评价,结果表明:支持向量机模型整体好于B-C方法和Harg方法。其中,以最高温度(Tmax)、最低温度(Tmin)、相对湿度(RH)和降水量(P)为输入变量的支持向量机模型精度最高,其20站平均R2达到0.80、RMSE平均为3.20 MJ/(m2·d),且在包含降雨量资料后,不存在Rs为负或大于地外总辐射量(Ra)的问题。仅有温度资料时,支持向量机模型的20站平均R2为0.74,RMSE为3.72 MJ/(m2·d)。不同输入变量对支持向量机模型预报Rs的精度影响不同,输入变量为Tmax和Tmin优于输入变量为ΔT;而除温度资料外,当拥有相对湿度和降水量资料时,模型优劣依次表现为RH+P、RH、P。经验模型中B-C方法的M1和M3以及Harg方法的M10和M12模型精度较好,其R2为0.69~0.70、RMSE在4.00 MJ/(m2·d)左右,但M10和M12模型对气象资料要求更高,除日温度差外,需要降水量资料,同时还存在有降水时日Rs严重高估或负值问题。     

基于温湿度的ET_0估算模型应用研究

针对大面积灌区作物蒸发蒸腾量(ET0)分布式监测所需参数较多的问题,开展利用易获取的少量气象参数估算ET0的研究对我国灌区的作物需水量监测和灌区水资源的管理有重要意义。利用人工神经网络技术建立基于温、湿度的ET0月份估算模型,对作物蒸发蒸腾量进行了估算;在此基础上,针对ET0的季节性特征,将估算模型由月份尺度拓展到季节尺度;最后运用陕西省6个基本站点的气象数据对该优化模型进行普适性分析。结果表明,优化后的季节估算模型,在春夏二季的平均相对误差在10%以内,在秋冬二季的平均绝对误差在0.20mm以下,且每对基准站点和邻近站点得到的估算结果具有很好的一致性和稳定性,表明该模型在作物需水估算方向上较强的实用推广价值。     

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。     

土壤溶质运移参数估计图解方法

基于土壤中溶质运移的对流 弥散方程 (CDE)提出了溶质运移参数估计的图解方法。根据土柱溶质运移“穿透曲线”(BTC)数据计算通量浓度随时间变化 (dc/dt)。应用绘图软件 ,例如MicrosoftExcel,绘制出t1 5dc/dt和dc/dt相对于时间的变化曲线。这两条曲线都是单峰曲线 ,并被用于估计CDE中延迟因子(R)和弥散系数 (D0 )。设计算例和穿透实验数据被用于校正图解法估计参数的精度和稳定性。参数估计的稳定性由估计参数对它们平均值的标准差评价 ;参数的估计精度与CXTFIT法和等斜率法比较。结果表明图解法具有较高的精度和较好的稳定性 ,特别是对于运移参数R的估值。图解法是一个确定性方法 ,它具备确定性方法中估计参数唯一性特点 ,克服了统计方法中需要给定参数初值的缺点。因此 ,这个方法是土壤溶质运移参数估计的可选方法之一。     

深圳市裸露山体缺口景观影响程度研究

遍地开花的采石场严重影响深圳城市景观 ,应用专家打分及综合评判法并结合地理信息系统对深圳市裸露山体缺口的景观影响度进行了分析 ,结果表明 ,影响缺口景观影响度的主要因子为交通因子、可视面积因子和视距因子 ,其中交通因子是主导因子 ,并计算出不同因子任意组合时的景观影响度 ,为裸露山体缺口水土保持生态环境建设提供科学依据。