基于遥感信息的华北冬小麦区域生长模型及其模拟研究

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准确的作物长势动态监测和产量预测对于保障粮食安全,促进农业可持续发展具有非常重要的意义。卫星遥感估产和作物生长模拟两项新技术在作物监测和估产方面有巨大的应用价值。但是,当作物模拟从单点研究发展到区域应用时宏观资料的获取和参数的区域化方面存在很多困难,而遥感估产还不能真正揭示作物生长发育和产量形成的内在机理、个体生长发育状况及其与环境气象条件的关系。二者各自的优势和不足引发了研究人员对遥感信息与作物模型相结合技术和方法的关注。本研究旨在对这一方面进行研究和探讨。 本文进行了国外作物模型适应性调整及修改完善,建立起适合华北地区的冬小麦生长模拟模型;将作物生长模拟模型与冠层辐射传输模型相嵌套,探讨了潜在生产水平下的作物模拟模型与遥感信息结合的方法,利用遥感信息校准作物模拟模型的某些关键过程或重新初始化/参数化作物模拟模型,以达到对作物模型的优化;初步建立了应用遥感信息的区域性作物模拟模型(WSPFRS)框架,并进行了试验研究。本研究为下一步实际水分供应条件下基于遥感信息的冬小麦生长模拟研究奠定了基础。主要研究结论有: (1) 利用华北不同气候生态区代表站点的田间试验资料对WOFOST模型有关发育和生长的冬小麦品种遗传特性参数进行了调整。对与发育有关的温度和光周期参数进行调整的结果表明WOFOST、模型能够较好地模拟华北地区冬小麦主要发育期。利用FSEOPT程序或“试错法”对比叶面积、叶片衰老指数、分配系数、光合作用最大速率等生长参数的调整使模型模拟结果的拟合优度平均值((?))在0.11~1.51之间。借助WOFOST模型中夜间低温对同化物速率影响参数TMNF的低温阈值(T|ow)作为判断冬小麦开始越冬和返青日期的指标,解决了WOFOST在越冬模拟方面的局限性。探讨了返青期生物量对冬小麦后期生长的影响,通过调整返青期生物量,使模拟结果的拟合优度平均值((?))增加了0.017~0.1528。经过适应性调整的WOFOST模型能够较好地模拟潜在生产水平下华北冬小麦生长发育及产量形成过程,并为模型在区域尺度上的应用打下很好的基础。基于遥感信息的华北冬小麦区域性模拟模型及其试验研究 (2)利用作物冠层状态变量叶面积指数(LA功将经过华北冬小麦适应性调整的作物模拟模型WOFOST和通过调试检验的冠层辐射传输模型SAIL一尸ROS尸巨CT相嵌套,借助FSEOPT优化程序使嵌套模型模拟冠层的土壤调整植被指数(SAV工)与遥感数据合成的SAVI达到最小以调整作物模型的参数,如出苗日期和返青期生物量,进而达到优化作物模型的目的。研究初步显示,利用遥感数据动态调整返青期生物量时,拔节一抽穗期间获得遥感数据尤为关键,此间较少次数的遥感数据即能有效地提高作物模型的模拟效果。 (3)利用地统计学中的IDw空间插值方法对气象数据和与温度有关的作物参数进行空间插值。根据华北冬小麦气候生态类型品种的地带性分布特点对冬小麦部分品种参数进行粗略分区。探讨了遥感数据与作物、气象数据空间匹配的方法。利用空间格点上的作物参数、气象驱动变量和遥感数据,根据作物模型和遥感信息结合的方法初步建立了“区域遥感一作物模拟框架模型”(ws尸F尺S模型)。并编制了应用软件系统。通过ws尸FRS模型,进行了利用遥感信息调整2()02一20():3年度华北冬小麦出苗日期和返青期生物量的个例试验。应用GIS技术对调整后的模拟结果制图,可以看出出苗、开花、成熟期和生物量积累与实际区域分布更加符合。 本文对通过作物模型与遥感信息的结合来模拟区域作物生长发育和产量形成的方法进行了探讨和尝试,获得了一些初步结论。但由于本研究涉及农学、地学和遥感信息等多个方面,限于资料和时间的相对缺乏,在研究过程中还存在一些问题有待下一步深入探讨。如累积误差分析、作物模型的进一步完善、有效的遥感数据预处理、sA工L一尸ROsPECT模型的参数调整、遥感数据与作物模型的尺度转换和空间匹配、进一步扩大利用遥感数据调整作物参数的范围和内容等。
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