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《西北农林科技大学》 2017年
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区域作物需水估算及管理系统研发

王景雷  
【摘要】:作物需水量是农业高效用水评价和灌区灌溉管理不可或缺的基础数据。由于人、财、物及科学认知水平的限制,作物需水量只能以离散的方式在较小的空间尺度上进行测定,使得区域作物需水估算存在不少困难。另外,随着大型计算机和数值预报模式的发展,目前的天气预报信息已经具有一定的精度,如何充分利用精度尚可的天气预报信息提高未来一段时间区域作物需水量估算精度也是长期困扰灌区管理部门的问题之一。本文针对区域作物需水量估算存在的主要问题和灌区管理部门的重大需求,以作物需水量尺度转换、基于天气预报信息的区域作物需水量估算和基于WebGIS的作物需水量管理系统研发为主要内容进行了系统研究。研究的具体成果包括:1、提出了基于PCA和GWR的作物需水量空间分布估算方法。综合考虑宏观地形因子、微观地形因子、气象因子等对作物需水量的影响,将能够有效消除各影响因子共线性的主成分分析(PCA)和更好地解释作物需水量空间差异的地理加权回归(GWR)方法有机结合,提出了基于PCA和GWR的作物需水量空间分布估算方法。2、实现了多源作物需水信息的有效整合。将实际测定的作物需水量和利用气象资料计算的作物需水量作为硬数据,文献数据、灌溉试验数据库中部分年份缺失的数据、利用GWR和克立格空间化处理的数据以及遥感估算的数据做为软数据,探讨了各种软数据及概率密度函数的表达方法,采用最大熵构建先验概率密度函数,根据贝叶斯条件概率公式对先验概率分配函数进行修正得到后验概率分配函数,从而实现多源作物需水信息的整合。3、阐释了华北冬小麦需水量空间分布的异质性。采用ESDA技术分析了华北地区冬小麦需水量全局、局部及不同尺度的空间异质性。结果表明:在1%显著水平下,冬小麦需水量在华北地区具有显著的自相关性,河南南部、河北中北部冬小麦需水量也具有较强的自相关。在南北方向和东南-西北方向,冬小麦需水量在400km以下尺度具有较强的空间自相关,表明在这两个方向监测站点的布设距离可适当大些;冬小麦需水量在南北方向的平均尺度约为430km。在东西方向空间自相关性较弱。4、改进了作物需水量尺度转折点的确定方法。借鉴确定灌溉试验站网空间结构和遥感图像尺度转折点的思路,将作物需水在整个研究区幅度范围内的平均局部方差作为衡量作物需水偏离平均值的程度,提出了研究幅度内局部方差平均值随不同空间粒度的变化情况来确定尺度转折点的方法。5、确定了不同尺度的影响作物需水的主导因子。根据研究尺度内作物需水的变化特点,分别采用主导分析法、主成分分析和偏相关分析方法分析确定了典型站点、华北冬麦区和不同空间粒度影响作物需水的主导因子。结果表明:影响河南省冬小麦需水量的主要因素是日照时数和风速,相对湿度和最高温度也起一定的作用。从整个华北冬麦区来说,影响作物需水量的主要因素为热力因子和水分因子,其次是动力因子,微观地形因子对作物需水量也具有一定的影响。在不同的空间粒度,日照时数均是影响冬小麦需水的主要因素。6、探索了作物需水监测站网布设及代表性强弱的表达方法。将经典统计学和空间统计学有机结合,提出了作物需水量监测站网布设方法及主要步骤,确定了不同监测精度条件下华北地区冬小麦需水量监测站点的布设方案。采用arcgis扩展模块的邻域分析功能,分别计算了研究幅度内坡度、高程、土壤类型和土地利用的熵值,对上述不同因素的熵值采用熵权法确定权重,计算得到不同空间位置的综合熵值,分别将综合熵值的倒数作为加权voronoi图的权重,综合熵值视作监测站点向外扩张或影响所需要付出的代价或成本,探索了基于信息熵和加权voronoi图、信息熵和成本距离法的作物需水信息监测站点代表性的表达方法。7、提出了基于站点实测和遥感信息的作物需水量尺度推绎方法。站点监测费时费力,在监测较大空间尺度时存在不少困难,遥感技术可以方便快速地获取较大尺度数据,但估算精度较低,为了充分利用遥感数据空间优越性和站点数据的准确性,提出了以站点监测作物需水信息为基础,结合遥感数据提供的作物需水空间变异信息,实现作物需水信息由点到面的尺度转换方法和可实现的技术框架。8、构建了基于天气预报信息的作物需水量估算模式。针对p-m公式计算所需参数较多,且未来这些参数更难获得,为了充分利用目前精度尚可的天气预报信息,首先对基于温度的et0估算方法进行了筛选,进而对筛选出的公式相关参数进行了属地化订正,绘制了华北地区主要参数的空间分布图;将积温与叶面积指数、叶面积指数与作物系数关系相耦合,得到了主要作物不同生育期的基于积温的作物系数模型,构建了基于天气预报信息的作物需水量估算模式,经实测验证,模型预测精度达到了80%以上。9、研发了基于webgis的作物需水量管理查询系统。该系统集作物需水估算、作物信息查询、作物需水空间分布等功能于一体,充分利用superis.net提供的显示操作、分析操作、数据存取操作、空间对象操作、输出操作等功能;另外,该系统不仅可进行属性查询和点击查询,还可利用鼠标进行范围查询,使得查询更加方便快捷。本研究将多种新理论新方法有机结合,针对区域作物需水量估算存在的主要问题和灌溉管理的重大需求,提出了区域作物需水量估算方法、构建了基于天气预报信息的作物需水量估算技术体系、研发了基于webgis的作物需水量管理查询系统,为灌溉工程的规划设计和管理提供了理论和技术支撑,但是由于区域作物需水量估算和灌溉管理的复杂性,研究结果还存在很多问题和不足,仍需进一步深入研究。
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S274;S126

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