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38900字硕士毕业论文基于遥感信息概念的区域农业干旱模拟技术研究

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:38900字
论点:干旱,作物,模型
论文概述:

以河南省冬小麦为研究对象,在调整模型参数的基础上,将土壤水分的微波遥感反演信息(AMSR-E)嵌入作物模型中,进而实现两者的结合。作物模型分别采用链接遥感技术(模型Ⅱ)和不链接遥

论文正文:

第一章导言

1.1研究背景
(1)社会意义
作为一个拥有13亿多人口的农业大国,中国人均农业资源份额极其有限,农业生产的脆弱性非常明显。在气候变化的背景下,中国目前的农业模式空正在逐步改变,农业生产环境日益恶化,脆弱的农业生产陷入混乱(气专委,2007年;林尔达,2005,2008)。保障农业生产安全可以缓解粮食供应压力,对维护国家粮食安全和社会稳定具有极其重要的现实意义。近年来,各种气象灾害频繁发生,对农业生产造成了一定的不利影响(任方毅等人,2011年)。其中,干旱是最严重的气象灾害之一,具有灾害范围广、持续时间长、灾情严重的特点(Willhite等人,2000)。2005年,云南发生了严重的春旱。2006年,重庆发生旱灾,受灾农作物约197934万亩,经济损失71.55亿元。2008年,云南农作物旱灾面积超过1500万亩。2009年,华北、黄淮等地的农业生产和生活用水均出现缺水现象。2010年,中国西南地区发生了自气象记录以来最严重的气象干旱事件,直接经济损失236.6亿元。2011年,冬小麦种植区发生严重干旱,华北干旱面积超过1亿亩。2012年,6010万亩耕地受到干旱影响。多年来的干旱记录表明,主要粮食产区频繁干旱给当地农业生产带来巨大损失,严重影响国家粮食安全和社会稳定。河南省是中国主要小麦产区之一。干旱导致小麦减产将直接影响国家粮食供应,并对当地乃至整个国民经济产生严重影响。国家高度重视该地区农业干旱的预防,迫切需要及时准确的农业干旱预警信息。因此,河南省农业干旱监测预报研究可以为农业抗旱提供可靠的技术保障,对促进农业生产的可持续发展具有重要的指导意义。

(2)理论意义
目前,一些学者将干旱分为四类,即气象干旱、水文干旱、社会经济干旱和农业干旱(杨少娥等,2010)。气象干旱是指降水和蒸发不平衡造成的缺水(杨志勇等人,2011年);水文干旱是指地表水或地下水缺乏的现象。社会经济干旱主要考虑水资源异常短缺对社会经济和人类活动的影响(王彦岭,2007年);与其他干旱不同,农业干旱是一个综合概念,其中作物干旱是指作物水分持续短缺影响作物正常生长发育的现象(李原华,1999;张蔡阳等人,1999)。土壤水分是决定作物水分盈亏的关键因素,也是监测农业干旱最重要的参数之一。目前,传统方法主要进行土壤水分的单点观测,其区域代表性有限,难以满足实时大规模干旱监测的需要(王利民等,2008)。随着科学技术的发展,卫星遥感和作物模拟模型这两项新技术可以在一定程度上弥补传统方法的不足,在区域农业干旱监测中发挥越来越积极的作用。
作物生长模拟模型基于物质平衡、节能和物质能量转换的原则。它以土壤、气象等条件为驱动变量,利用数学物理方法和生态环境数值模拟技术人工再现作物生长和产量形成的过程(王世李等人,2008)。它综合考虑了土壤、天气、气候、作物特性甚至人类活动对作物生长发育的影响,是作物生长发育过程的数值模拟模型(Liu Buchun等人,2002)。随着对作物生长发育机理认识的加深,作物生长模拟模型的研究取得了很大进展,在作物生长监测、作物产量估算、气候变化影响评价和农业干旱监测与预测领域得到了广泛推广和应用(潘学标等,2001;张宇等人,2000年;熊伟等人,2005年;杨晓光等人,2003年;《李冯平等》,2004年)。然而,作物模型在实际应用中仍然不太成功。例如,模型中对土壤水分的模拟还存在一些不足,不利于农业干旱的准确监测。土壤水分受到许多因素的影响,如降水、蒸发、蒸腾、径流、土壤、地形、灌溉和人类活动。该模型不能准确描述这些因素的真实情况及其相互作用对土壤水分的影响。因此,模型模拟土壤水分的准确性和合理性仍然难以保证。此外,由于管理参数和环境变量的不一致,当基于单点研发的作物模型应用于区域尺度时,在参数的区域化和宏观数据的获取方面仍然存在一些问题(Laura Dente等人,2008;Mignolet等人,2007年).例如,模型很难确定模型参数(如作物参数和土壤参数)以及区域内土壤和作物的初始条件。由于土壤质地和地形的复杂性,模型中作物蒸腾、土壤蒸发和土壤含水量等关键变量的模拟水平不够理想。上述问题制约了作物模型在区域农业干旱监测中的发展和应用。然而,遥感技术的出现使作物模型应用于区域农业干旱模拟成为可能。

第二章研究区域试验和研究方法

2.1研究区概况
河南省具有代表性的冬小麦种植区被选为研究区,位于中国中部和东部,黄河中下游,是中国最重要的农业生产基地之一。河南省以北纬31° 23 \'-36° 22 \'和东经110° 21 \'-116° 39 \'为界。地势西部高,东部低。它的北、西、南分布在太行山和大别山的省际边界上。南阳盆地位于中部和西南部,黄淮海平原位于东部(孙红霞,2007)。全省总面积约16.7万平方公里,其中山地、丘陵、盆地和平原分别占总面积的26.6%、17.7%和55.7%。河南位于中国南北的交汇处,属大陆性季风气候。年平均气温12.7 ~ 15.7℃,年平均降雨量532.5 ~ 1380.6毫米,年平均日照时数1840.0 ~ 2488.7小时,无霜期189 ~ 240天,适合各种作物生长。它横跨淮河、黄河、海河和长江,年均水资源405亿立方米。河南省光、热、水、土地等资源丰富,是我国小麦、棉花、石油等农产品的重要生产基地。2007年,全省粮食总产量达到5425.2万吨(居全国首位),其中小麦产量约为2980.1万吨(居全国首位)。

2.2研究数据及其处理

2.2.1气象数据
气象数据是中国气象局提供的1961-2010年河南省16个气象站的日气象要素值(图2.1),包括辐射、最高温度、最低温度、水汽压、风速和降雨量。有些站没有辐射观测。左大康等人(1991年)用常规数据处理了这些台站的辐射数据。

第三章作物干旱模型参数的调整与验证........17
3.1模型参数调整.........17
3.1.1土壤参数调整.......17
3.1.2作物参数调整.......17
3.2参数调整效果测试.......18
3.2.1新一代模拟结果的评估........19
3.2.2外推模拟结果的评估........20
3.3摘要........22
第4章基于指数滤波的土壤水分遥感指数滤波方法介绍........23
4.1........23
4.2表层土壤水分遥感反演结果……24
4.3深层土壤水分反演(0-20厘米土层).....26
4.3.1特征时间长度最佳值的确定.......26
4.3.2深层土壤水分反演和验证.......27
4.4概述.......28
第五章微波遥感技术与作物干旱模型…… 29
5.1微波遥感技术与作物干旱模型之间的联系…… 29
5.2基于微波遥感信息的作物生长模拟与验证…… 31
5.3摘要.......33

结论

(1)作物干旱模型适应性调整效果好:结合相关研究成果和实测数据,对模型的一些关键参数进行了调整,调整后的参数在生物学意义的允许范围内。之后,对模型的反代和外推效果进行了检验。反代模拟结果表明,叶面积指数和干物质重量随时间的变化趋势与实测值吻合较好,成熟期反代模拟误差为5d。外推模拟结果表明,叶面积指数和干物质重量模拟结果接近实测值,成熟时外推模拟误差为5.3天。因此,可以认为模型参数的调整是合理的,调整后的作物干旱模型在代表点具有较好的适应性。
(2)基于指数滤波法的土壤水分遥感反演效果良好:通过分析表层(0-1cm土层)土壤水分遥感反演值与实测降水量之间的关系,可以看出历史天气条件的变化确实可以通过表层土壤水分的时间序列反映出来。这不仅验证了指数滤波的原理,也从侧面反映了地表土壤水分遥感反演结果的合理性。在确定特征时间长度最优值(Topt=11天)的基础上,利用指数滤波方法对地表土壤水分遥感数据的时间序列进行平滑,进而反演0-20厘米土层的含水量。将该层土壤水分反演结果与实测值进行了比较。结果表明,两者的均方根误差RMSE为6.3%,反演结果接近实际情况。因此,指数滤波法对0-20厘米土层的土壤水分恢复有很好的效果。
(3)遥感信息引入后,模型模拟冬小麦生长发育的能力有所提高。以0-20厘米土层含水量为交汇点,将土壤水分遥感反演信息嵌入作物干旱模型,使模型中土壤水分的“流动”更加真实,进一步优化作物干旱模型。随着遥感信息的引入,叶面积指数的模拟误差(RMSE)从1.76降低到1.751,干物质重量模拟值随时间的变化趋势更接近实测值。此外,两种模型的仿真成熟度完全相同。这主要是因为冬小麦成熟期与土壤水分关系不大,其主要决定因素是温度。
(4)与简单模型相比,基于遥感信息的作物干旱模型在模拟区域农业干旱方面更加现实:作物模型相关参数和变量的区域化为模型从单点到区域尺度的应用奠定了基础。然后,该模型分别采用链接遥感技术和非链接遥感技术模拟研究区的农业干旱,并结合实际情况验证了基于遥感信息的作物干旱模型模拟区域农业干旱的能力。结果表明,引入遥感信息后,该模型模拟区域农业干旱及其时间空动态变化的能力显著提高。综上所述,微波遥感技术与作物干旱模型相结合,可以在一定程度上提高模型对作物生长过程和农业干旱的模拟能力,为农业干旱监测提供更强有力的科学技术支持。

参考
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