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农业干旱时滞效应及时空分布模型研究

刘新侠  
【摘要】:近年来,随着全球气候变暖,干旱已成为全球最严重的自然灾害之一。河北南部平原区作为我国重要粮食生产基地,多年来一直是我国农业干旱多发区。因此准确监测和评估该地区农业干旱的发生规律对于区域水资源供需调控、水资源高效利用、农业适时适量灌溉以及防旱减灾等工作具有重要意义。本文以精准获取涉及农业干旱的时空信息为目标,基于多源遥感数据、气象数据及现场调查数据,综合运用数学、农水、地理信息及遥感等多学科技术手段,对区域农业精准监测系统相关问题进行研究,主要研究结论及创新点如下:(1)引入广义DEM思想,提出一种新的农作物种植结构及时空分布提取模型。基于高分1号、Landsat、MODIS NDVI等多源遥感数据和地面样本数据,系统对比分析了监督分类法、决策树法等农作物种植结构及时空分布信息提取模型;在此基础上,考虑遥感光谱信息和农作物物候特征,借鉴数字高程模型的构建思想,提出一种基于广义DEM思想的农作物种植结构提取模型,实验结果精度对比分析表明,在同等数据源条件下该模型提取精度高,计算简单,对数据要求低,易于编程实现。结合该思想,本文基于IDL语言开发了一套农作物种植结构及时空分布信息提取软件。(2)基于GIS空间分析技术,提出耦合地表温度(LST)和植被供水指数(VSWI)反演灌溉面积及其时空分布信息提取算法。以农业种植结构提取结果(冬小麦)为空间约束,基于GIS空间分析方法,耦合上述两指数提取结果,提取了典型实验区灌溉面积,并通过现场调查数据对其精度进行验证,研究结果表明本文提取的灌溉面积精度可以达到80%。依据种植结构提取成果,结合灌溉定额和区域节水前后灌溉现状,估算了石津灌区灌溉用水量。(3)针对农作物生长对气象因素变化的滞后性响应问题,提出一种耦合阿尔芒时滞模型和偏最小二乘法(PLS)的农作物滞后性响应时长探测和权重计算流程。实验结果显示,气象因素对农作物生长确有时滞性影响,滞后时长一般在3个月左右;基于气温或降水回归的NDVI与真实NDVI相关系数在P0.01水平上显著;基于地表覆被类型数据和影响权重计算结果,定义了正影响和负影响,并划分了8个定量评价指标,对研究区春季各月份滞后影响程度进行了定量研究,研究结果对于区域农作物灌溉的及时调度具有重要的指导意义。(4)提出考虑不同地表覆被类型的干旱监测模型,在此基础上构建了河北南部平原区温度植被干旱指数(TVDI)、温度供水干旱指数(TSWDI)干旱监测模型。以MODIS EVI,气象数据,土壤相对湿度等数据源为基础,研究了河北南部平原区2000-2016年农作物春季干旱情况,对比分析了两种干旱监测模型的干旱监测效果。研究结果证实,考虑地表覆被类型影响的TVDI指数与土壤相对湿度相关性更高,结果更可靠;在分析TVDI和VSWI干旱监测因子优缺点的基础上,提出了基于权重优化的TSWDI,并结合土壤相对湿度数据建立了河北南部平原区干旱等级划分标准;该模型计算结果与TVDI模型相比与土壤相对湿度相关性更高,适用于农业干旱监测。


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