基于 WOFOST 模型的新疆棉花遥感估产研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张杰云 |
| 答辩日期 | 2019-06-30 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 张清凌 ; 包安明 |
| 关键词 | 遥感 旱情 估产 WOFOST 模型 同化算法 Remote Sensing Drought Yield Estimation WOFOST model Assimilation Algorithm |
| 学位专业 | 理学博士 |
| 其他题名 | Study on cotton yield estimation in Xinjiang using remote sensing integrated with coupled WOFOST model |
| 英文摘要 | 棉花是我国重要的经济作物。及时准确的估测区域尺度棉花产量，对于合理安排生产，把握市场，增加农民收入，抵御或降低自然灾害等都具有重要的经济和科学意义。作物生长模型通过数学抽象的方式实现对作物生长发育生理过程的定量化描述，成为农作物长势监测、产量估测的重要手段，然而基于点尺度的作物生长模型受限于作物遗传参数、田间管理措施等信息的区域化获取手段匮乏，难以满足区域尺度的应用需求。作物模型本质上是对植株生长发育过程的数学模拟，其初始参数、物质能量转化的数学模拟过程等均存在不确定性，从而对模拟结果的准确性产生影响。 随着遥感信息在农业领域应用的深入，基于遥感技术获取区域尺度作物冠层状态，能够支撑作物生长模型的区域化应用。 通过遥感手段获取的农作物冠层状态信息作为对作物生长状态的客观反映，能够对作物模型的模拟过程进行约束，通过对模拟轨迹的矫正，使模拟结果更加接近实际生长状态。遥感信息与作物生长状态的耦合，能够最大程度的利用二者优势，实现区域尺度作物生长过程的客观表达。数据同化方法在农业领域的应用，为这一耦合过程提供了一个有效方法。针对国内外对遥感信息与 WOFOST 模型耦合研究中区域适用性及同化变量选取的问题，结合新疆棉花产量的区域化估算需求，开展了基于WOFOST 模型的新疆棉花遥感估产研究。主要研究成果如下：（1）基于棉田实验样点的实测光谱反射率数据与实测调查所获取的 LAI、地上生物量、土壤含水量、单产等地面数据，通过对作物遗传参数的全局敏感分析，选取了 SLATB2、 SLATB1、 TSUM1、 SPAN、 TMPFTB2 作为敏感参数集合，结合模型默认值和参考文献，标定 WOFOST 模型初始参数开展模拟，结果表明，模拟初花天数超过实测天数 5 天，相对误差约 7%，成熟天数超过实测天数 3 天，相对误差 2.1%；地上总干物质量及各器官干物质量的模拟方面，相对误差均小于 16%，地上总干物质量相对误差为 6.24%； LAI 模拟方面，模型对整个生长季LAI 模拟结果的线性拟合方程斜率为 0.998，具有较高精度；土壤含水量模拟方面，土壤含水量的模拟值与实测值拟合较好，但模拟值高于实测值，初步完成了WOFOST 模型在新疆棉花模拟的“本地化”工作。（2）选取了新疆棉花主产区沙湾县和阿拉尔市为研究区，综合运用时间序列谐波分析、粗糙集约简方法，通过基于多时相遥感影像的多特征优选，提取了研究区范围内棉花种植的空间分布情况，其生产精度达到 94.92%，用户精度达到 93.75%。（3）基于近红外(Near Infrared, NIR)和红光(Red)波段反射率特征，分析归纳了不同土壤含水量条件在 NIR-R 光谱中间中的分布规律，提出了一种新型的土壤含水量反演方法。在此方法基础上，对研究区土壤含水量进行遥感反演，结果表明，估算的沙湾县与阿拉尔市的土壤水分含量与实测值之间的 R2分别为 0.7186和 0.6776，均方根误差均小于 2%，可以满足模型同化对区域化土壤含水量产品的需求。另外，采用 NDVI 与 LAI 之间的指数关系模型，结合 Landsat-8 OLI 遥感影像，生成了生长季内多个时相棉田 LAI 产品，经地面样点实测数据验证，反演 LAI 与实测值之间的 RMSE 为 0.47 m2/m2。区域 LAI 整体格局符合棉花生长规律。反演结果可以作为同化变量在 WOFOST 模型模拟棉花生长过程中起到矫正作用。（4）在研究区棉花种植范围基础上，采用 SCE-UA 同化算法和 PF 同化算法，设计了两种同化方案以实现遥感反演的土壤含水量及 LAI 产品与本地化后WOFOST 模型的耦合，生成棉花生育期内的土壤含水量和 LAI 同化值，并与田间实测数据进行对比，验证同化精度。在基于 SCE-UA 算法的同化方案下，沙湾县和阿拉尔市的同化土壤含水量与实测值的 R2 分别达到 0.77 和 0.74， LAI 同化值与实测值的 R2 分别达到 0.73 和 0.71，同化产量与实际产量的 R2 分别为 0.56和 0.53， RMSE 分别为 418.57kg/ha 和 469.54kg/ha；在基于 PF 算法的同化方案下，沙湾县和阿拉尔市的同化土壤含水量与实测值的 R2 分别达到 0.75 和 0.71，LAI 同化值与实测值的 R2 分别达到 0.68 和 0.62，同化产量与实际产量的 R2 分别为 0.54 和 0.49。从区域尺度同化结果来看，基于 SCE-UA 同化方案下，沙湾县和阿拉尔市平均同化单产分别为 5634kg/ha 和 5487kg/ha；基于 PF 同化方案下，沙湾县和阿拉尔市平均同化单产分别为 5843kg/ha 和 5365kg/ha，与两研究区的产量统计数据相比，基于 SCE-UA 同化方案的产量估算更准确。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.xjlas.org/handle/365004/15270]  |
| 专题 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 新疆生态与地理研究所_研究系统 |
| 作者单位 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张杰云. 基于 WOFOST 模型的新疆棉花遥感估产研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2019. |
入库方式： OAI收割
来源：新疆生态与地理研究所
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