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《南京信息工程大学》 2007年
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基于遥感与作物生长模型的冬小麦生长模拟研究

郭建茂  
【摘要】: 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。作物模型在监测作物长势和预报产量方面是个强有力的工具,然而作物模型由单点模式发展而来,在区域应用上由于区域分异、田块分异等导致作物模型模拟要求的输入参数和初始条件难以获取,使作物模型的应用受到很大的限制,而遥感信息的引入可能使得这个问题得到解决,将遥感信息和作物模型相结合,利用遥感信息反演得到的状态变量优化作物模型模拟,在区域上对作物模型所需的敏感参数和初始条件等重新估计,从而使得作物模型在区域上发挥优势。 本研究拟在对作物模型WOFOST适应性调整及改进的基础上,建立适合山东禹城地区的冬小麦生长模拟模型;利用田间试验数据校正和验证作物生长模拟模型WOFOST,探讨水分胁迫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;探索应用遥感信息的区域性作物模拟的合理实用方法,并进行模拟研究,使之可以进行区域作物长势监测和产量预报。主要结论如下: (1)为使WOFOST模型能更好地模拟水分胁迫对冬小麦生长过程的影响,对WOFOST模型进行了适当改进:利用FAO最新推荐的Penman-Monteith公式(1998)替换原有的Penman公式(1948)进行参考作物蒸散的估算;依据同一作物不同生育阶段的作物系数不同的规律,将作物系数改为随生育期变化的变量。根据作物生长参数生物学意义和敏感性的不同制定调整方案,利用FSEOPT程序或“试错法”对光合作用最大速率、比叶面积、叶片衰老指数、分配系数、光能利用效率、干物质转换系数等参数进行调整。利用田间试验数据对调整后的WOFOST模型进行校正和验证。结果表明:通过对上述两个方面的适当改进和主要作物参数及土壤参数的适应性调整,调整后WOFOST模型对冬小麦的模拟如LAI、地上生物量与实测数据相符,蒸散的模拟更符合实际情况,调整后WOFOST模型可用于模拟研究区域实际土壤水分状况下冬小麦生长发育及产量形成过程。 (2)本研究构建的区域日蒸散模型是基于遥感数据和常规气象站观测数据基础上建立的区域模型,通过植被指数(VI)—地表温度(T_S)三角法计算了地表的地表温度-植被覆盖度系数(TVCI),采用改进的“实时”三角法和“普适”三角法分别计算地表的TVCI,结合Penman-Monteith蒸散模式计算的潜在潜热通量(λE_p)估算地表的日蒸散量。本算法的关键是确定地表的TVCI,分别运用了两种VI-T_s三角算法-即“普适”三角算法和“实时”三角算法估算地表的TVCI。三角算法虽然具有一定的经验性,其优势是灵活、简单、适用,避免了许多物理过程的复杂计算。研究结果显示基于“实时”三角法计算的日蒸散与本文建立的“土壤失水法”得到的结果比较一致,结果比较可靠。“普适”三角法虽然具有一定的气候适应性,但通过本研究发现该法计算的日蒸散结果偏低,不适用于本研究区域。本文的目标是建立一种计算日蒸散量的适用算法。与其它遥感估算区域日蒸散量方法相比,本方法具有简单实用的优点,只要遥感资料和常规的气象站观测气象要素,不要求有遥感资料同步观测的气象资料,因而实用性大大增强。 (3)本研究提出了自己的观点,开发了合理实用的方法,采用“正推+像元模式”LAI反演结合分类方法将遥感信息和作物模拟模型有机的结合起来,融合卫星遥感的信息优势和作物模型的机理优势,使得作物模型的模拟可以在区域上应用,具有相当的科学研究意义和较高的实用价值。对前人和其他学者的反演LAI的众多方法进行了详细的研究和总结,在进行验证和比较的基础上开发订正系数方法,用订正系数方法对优选的方法计算的LAI进行订正,得到适合本研究的LAI反演方法,反演了研究区域LAI的时间序列分布情况。就遥感信息和作物模拟模型的结合模式进行了深入的探讨,总结和提出遥感信息与作物模型模拟结合研究的四种方式,推导思路有正推、反推,单元构建有像元模式、格点模式,可以有四种组合方式:正推+像元模式、正推+格点模式、反推+像元模式、反推+格点模式。对各方法的优缺点做了比较分析。对遥感信息和作物模拟模型的结合模式进行进一步的研究,研究了“反推+格点模式”套用辐射传输模型方法,并对其流程和实施情况做了研究分析,提出了自己的“正推+像元模式”LAI反演结合分类的思路和方法。利用“正推+像元模式”LAI反演结合分类方法,在像元尺度上模拟得到2000-2001年禹城区域冬小麦生长分布与实际情形基本相符,冬小麦的面积和产量都与统计结果相当接近。 (4)本文对利用卫星遥感数据反演的LAI和地表蒸散校准作物模型模拟过程中的参数和变量初始值,以实现区域尺度作物生长模拟的方法和可行性进行了探讨,得到以上初步结论。但由于本研究学科交叉性强,同时涉及到农学、作物学、土壤学和遥感应用等多个学科,研究难度大,在研究过程中仍有许多问题有待进一步探讨。
【学位授予单位】:南京信息工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:S512.11

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前7条
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7 陈思宁;赵艳霞;申双和;黎贞发;;基于PyWOFOST作物模型的东北玉米估产及精度评估[J];中国农业科学;2013年14期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
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中国博士学位论文全文数据库 前6条
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4 陈思宁;基于集合卡尔曼滤波的遥感信息和作物模型结合研究[D];南京信息工程大学;2012年
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中国硕士学位论文全文数据库 前9条
1 张高斌;万荣县麦田土壤水分相关分析以及对产量因素影响的研究[D];南京信息工程大学;2011年
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5 王浩;基于高光谱测量的不同绿地群落类型绿化三维量反演[D];华中农业大学;2008年
6 武思杰;基于遥感信息与作物模型同化的冬小麦产量预测研究[D];中南大学;2012年
7 吴尚蓉;基于光谱和图像的倒伏冬小麦产量评估方法[D];中北大学;2013年
8 王治海;基于遥感信息的区域农业干旱模拟技术研究[D];中国气象科学研究院;2013年
9 吴金平;衢江区精细农业与现代休闲农业示范园规划研究[D];浙江大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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6 蔡薇;郭洪海;隋学艳;杨丽萍;;基于混合像元分解提取小麦种植面积的技术与方法研究[J];山东农业科学;2009年05期
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8 张晓艳;王丽丽;封文杰;刘淑云;王风云;张秀兰;朱建华;;花生红边特征及其叶面积指数的高光谱估算模型[J];山东农业科学;2010年03期
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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5 傅新;刘高焕;黄翀;刘庆生;;人工堤坝影响下的黄河三角洲海岸带生态特征分析[A];全国地质制图与GIS学术论坛论文集[C];2011年
6 吴伟斌;洪添胜;李震;张立俊;李岳铖;吴泽涛;欧兆强;;基于光谱信息的柑橘树LAI测试系统[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
7 邓书斌;秦禹;;ENVI/IDL在农业遥感中的技术框架研究[A];全国农业遥感技术研讨会论文集[C];2009年
8 郭朝辉;亓雪勇;龚亚丽;;环境减灾卫星监测森林火灾应用研究[A];全国农业遥感技术研讨会论文集[C];2009年
9 黄灵光;方豫;任盛明;曾勋;;江西省农情遥感监测系统的应用与改进[A];全国农业遥感技术研讨会论文集[C];2009年
10 李喆;谭德宝;崔远来;张穗;;基于PDI的湖北漳河灌区土壤水分遥感监测[A];全国农业遥感技术研讨会论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 周兴东;徐州市城区景观格局时空变化遥感监测与分析[D];山东科技大学;2010年
2 汤春瑞;水下目标声图像多分辨率分析及识别研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
3 陈韶斌;基于知识推理和视觉机理的遥感图像目标识别方法研究[D];华中科技大学;2010年
4 陈雁;可见光遥感图像分割与提取研究[D];中国科学技术大学;2010年
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9 石媛媛;基于数字图像的水稻氮磷钾营养诊断与建模研究[D];浙江大学;2011年
10 邓睿;多源遥感数据和GIS支持下的台风影响研究[D];浙江大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李召宝;冬小麦和夏玉米气孔阻力与冠层阻力监测与估算方法研究[D];华中农业大学;2010年
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【同被引文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前1条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 马彦平;基于数字图像的冬小麦、夏玉米长势远程动态监测技术研究[D];华中农业大学;2010年
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4 姜浩;基于作物模型同化遥感物候信息的冬小麦估产方法研究[D];电子科技大学;2011年
5 蒋帆;基于高光谱和图像技术的龙井茶叶品质检测方法研究[D];浙江工业大学;2010年
6 王航;基于遥感信息与模型耦合的水稻生长预测技术研究[D];南京农业大学;2011年
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9 周保平;黑龙江省水稻生态平衡施肥决策支持系统总体设计及部分模块功能实现[D];东北农业大学;2003年
10 刘庚山;冬小麦底墒耗失特征及高效利用研究[D];中国农业大学;2004年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 任景全;王连喜;李琪;吴荣军;吴东丽;;气候变化背景下我国农业模型模拟研究进展[J];广东农业科学;2012年04期
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7 孙小芳;;高光谱植被指数与水稻叶片叶绿素相关分析[J];闽江学院学报;2013年02期
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中国博士学位论文全文数据库 前8条
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6 李春友;农林复合系统中核桃冠层结构动态模拟研究[D];中国林业科学研究院;2012年
7 吴伶;基于遥感与作物生长模型同化的水稻生长参数时空分析[D];中国地质大学(北京);2013年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 唐为安;唐为安;田红;陈晓艺;温华洋;丁霞;徐光清;;气候变暖背景下安徽省冬小麦产量对气候要素变化的响应[A];第27届中国气象学会年会现代农业气象防灾减灾与粮食安全分会场论文集[C];2010年
2 张俊宁;李民赞;张小超;;基于冬小麦信息融合的非线性产量建模分析[A];纪念中国农业工程学会成立30周年暨中国农业工程学会2009年学术年会(CSAE 2009)论文集[C];2009年
3 吴洪颜;高苹;徐为根;;江苏省冬小麦春季阴湿害的风险评估及区划[A];第七届长三角气象科技论坛论文集[C];2010年
4 陈联裙;张群;张锦水;潘耀忠;;实割实测数据支持下的县级尺度冬小麦产量遥感估测[A];全国农业遥感技术研讨会论文集[C];2009年
5 陆春花;梁运香;刘孝清;刘志宏;孙建文;;影响介休市冬小麦产量的原因分析[A];第28届中国气象学会年会——S11气象与现代农业[C];2011年
6 李东;王雪梅;曹苏娅;;气候变化对冬小麦适播期影响及对策[A];经济策论(下)[C];2011年
7 赵小蓉;赵燮京;王昌桃;;川中丘陵区节水栽培技术对冬小麦水分利用效率影响的研究[A];农业、生态水安全及寒区水科学——第八届中国水论坛摘要集[C];2010年
8 车少静;高祺;刘利军;;2009-2010年度石家庄异常低温对冬小麦影响[A];第27届中国气象学会年会现代农业气象防灾减灾与粮食安全分会场论文集[C];2010年
9 李松敏;王仰仁;周青云;孙书洪;;水肥耦合方式对冬小麦产量和水分利用效率的影响[A];现代节水高效农业与生态灌区建设(上)[C];2010年
10 岳文俊;张富仓;;水分胁迫后复水对冬小麦生长及产量的影响[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 乔林生;我国冬小麦产量与质量有望同步提高[N];期货日报;2006年
2 曹一平;冬小麦高产基肥和种肥都要施[N];农资导报;2007年
3 沧州市粮食局 张荣胜;麦价局部回调 市场弱势盘整[N];河北科技报;2007年
4 沈龙;今夏小麦市场难起波澜[N];江苏农业科技报;2006年
5 李警卫;外盘走势短期平稳 国内小麦期市转弱[N];粮油市场报;2007年
6 国家粮油信息中心;冬小麦产量预期减幅较大[N];期货日报;2007年
7 本报记者 运主伦 特约记者 曹文龙;两茬田里话增收[N];金昌日报;2007年
8 罗强;麦价走高成主流认识[N];江苏农业科技报;2008年
9 本报记者 王锦;冬小麦受旱面积开始减少[N];中国证券报;2011年
10 胡若愚;欧美很干旱 小麦很“受伤”[N];中国国土资源报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 麦博儒;太阳辐射减弱对冬小麦生理生化及产量的影响研究[D];南京信息工程大学;2011年
2 付秋萍;黄土高原冬小麦水氮高效利用及优化耦合研究[D];中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心);2013年
3 冯福学;不同耕作措施对绿洲灌区冬小麦“根土系统”的影响[D];甘肃农业大学;2010年
4 李炎;水肥调控措施对冬小麦光合产物分配的模拟研究[D];沈阳农业大学;2011年
5 岳现录;华北平原冬小麦氮肥优化管理策略研究[D];中国农业科学院;2011年
6 夏天;基于高光谱遥感的区域冬小麦生物量模拟及粮食安全评价[D];华中师范大学;2011年
7 赵姣;华北平原冬小麦群体优化设计和养分效应评价方法研究[D];中国农业大学;2014年
8 王贺然;北京地区冬小麦适应气候变化的播期和品种试验研究[D];首都师范大学;2013年
9 韩雪;CO_2浓度升高对冬小麦生长和产量影响的生理基础[D];中国农业科学院;2012年
10 管大海;不同水分条件与耕作方式对冬小麦、夏玉米根系和水分利用的影响及其化学调控[D];中国农业大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 宁东峰;黄淮海地区冬小麦水氮高效利用栽培技术研究[D];中国农业科学院;2010年
2 董勤各;秸秆粉碎与化肥混施对冬小麦水分利用的影响[D];中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心);2010年
3 张洋;冬小麦水氮高效利用基因型差异的生理机制研究[D];西北农林科技大学;2010年
4 齐林;冬小麦夏大豆种植方式与水分利用关系研究[D];山东农业大学;2010年
5 伍利;硫氮配施对冬小麦物质积累转运及产量的调控效应研究[D];河南农业大学;2010年
6 雷艳;调亏灌溉和氮营养对冬小麦生长和水氮利用的影响[D];西北农林科技大学;2010年
7 柴彦君;鄂北岗地不同品种冬小麦氮效率差异性的研究[D];华中农业大学;2010年
8 刘岩;冬小麦—夏大豆种植方式与全年水分利用关系的研究[D];山东农业大学;2011年
9 王佩玲;CO_2浓度倍增与介质施氮对冬小麦物质生产及氮素利用的影响[D];西北农林科技大学;2010年
10 白丽婷;渭北旱塬不同类型地膜覆盖对土壤环境和冬小麦生长的影响[D];西北农林科技大学;2010年
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