密級： 論文編號： 中國農業(yè)科學院 碩士學位論文 型應用于黃淮海平原冬小麥估產的研究 以欒城為例 - A 士 研 究 生：余 福 水 指 導 教 師：陳 仲 新 研究員 王 利 民 副研究員 申 請 學 位 類 別：工學碩士 專 業(yè)：環(huán) 境 工 程 研 究 方 向：農 業(yè) 環(huán) 境 遙 感 培 養(yǎng) 單 位：中國農業(yè)科學院研究生院 農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所 提交日期 2007 年 1 月 - A 007 獨 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指導下 進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中國農業(yè)科學院或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名： 時間： 年 月 日 關于論文使用授權的聲明 本人完全了解中國農業(yè)科學院有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：中國農業(yè)科學院有權保留送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。同意中國農業(yè)科學院可以用不同方式在不同媒體上發(fā)表、傳播學位論文的全部或部分內容。 (保密的學位論文在解密后應遵守此協(xié)議 ) 論文作者簽名： 時間： 年 月 日 導師簽名： 時間： 年 月 日 論文評閱人、答辯委員名單 論文題目 型應用于黃淮海平原冬小麥估產的研究 以欒城為例 論文作者 余福水 指導教師陳仲新 王利民 培養(yǎng)單位農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃 （研究所） 姓名 職稱職務 導師類別 單位 專業(yè) 潘耀忠 教授 博導 北京師范大學 遙感 評 閱 人 周國民 研究員 博導 中國農業(yè)科學院信息所 農業(yè)信息技術 答辯 主席 王長耀 研究員 博導 中國科學院遙感所 遙感 諸葉平 研究員 碩導 中國農業(yè)科學院信息所 計算機 潘學標 教授 博導 中國農業(yè)大學 農業(yè)氣象模型 周清波 研究員 博導 中國農業(yè)科學院區(qū)劃所 農業(yè)遙感 劉佳 副研究員 中國農業(yè)科學院區(qū)劃所 農業(yè)遙感 答 辯 委 員 答辯時間、地點 2007 年 2 月 9 號資源區(qū)劃所南樓二樓會議室 10： 30 分 會議記錄 李志斌 摘 要 本文針對我國糧食安全中糧食估產問題，選擇我國糧食主產區(qū)之一的黃淮海平原為研究區(qū)域，以提高冬小麥產量估測精度與技術水平為目標，探索利用作物生長模型與空間信息技術結合進行區(qū)域作物產量估計的技術方法。 本文首先綜述分析各類作物估產方法。綜合考慮農業(yè)生產的獨特性和不同估產方法的優(yōu)缺點，本文最終選取作物生長模擬模型估產方法。由于 型較準確模擬了作物生長的全過程并考慮了其它因素對作物生長的影響，而且其估產具有較高的精度，本文探討了其應用于黃淮海平原冬小麥產量估計的可行性。其次對研究區(qū)域的選擇本著單點研究的基礎向區(qū)域研究拓展的思路，選取具有較好研究基礎的河北欒城作為單點模型校準的試驗區(qū)，選取具有良好空間數據基礎的河北石衡邢試驗區(qū)為區(qū)域試驗區(qū)。在單點模型校準研究中，首先對 型進行模型校正，實現模型的本地化；接著根據實測產量數據，對模型進行了參數校準、部分參數的靈敏度分析等工作；然后對 型進行了空間化，使其能夠應用于大區(qū)域估產的研究中；在區(qū)域模型應用研究中，探討了 型應用于黃淮海平原冬小麥產量估計的可行性。主要結論如下： 0 年預測平均產量要比 10 年實測平均產量要低 對誤差為 之間變化。預測產量的均方根誤差（為 到實測產量平均值（的 這個誤差范圍要低于型通常誤差范圍之內（15 ）。準確的能量生物量轉換因子、收獲指數、潛熱等參數或者溫度、太陽輻射等輸入數據有利于提高模型最終的模擬精度。模型模擬最終精度值受田間管理文件的影響較大。對于區(qū)域作物產量估計時最終模擬的決定系數慮了田間管理數據存在地區(qū)差異時的值要比沒有考慮田間管理數據存在地區(qū)差異時的值高，兩者分別為 模型需要的數據均為實測數據的時候，型能夠很好地應用于黃淮海平原冬小麥產量估計。 本文對作物生長模型本身、作物模型和遙感信息結合等方面進行了探討，獲得了一些初步結論。但是由于本研究涉及的方面較多，限于資料和時間的相對缺乏、方法上不足，還存在一些問題有待于下一步深入探討。如模型對氣象數據的模擬、模型對越冬期作物生長的模擬、遙感數據與作物模型尺度轉換和空間匹配、模型中更多參數遙感數據反演等。 關鍵詞：糧食安全；黃淮海平原；冬小麥；估產；型i on of of is of as of to of to on of in of of on to s In as of to s by of of on so it be it to s to up to as s s of is 15%). It to as to of of ii of it s of in by by of of of as in of in on to 錄 摘 要 . i .一章 緒 論 . 1 究背景. 1 物產量估計方法簡介 . 1 于統(tǒng)計模型的估產方法 . 2 于遙感信息數據的估產方法 . 2 于作物生長模型的估產方法 . 3 合估產方法 . 6 究目的與意義 . 8 淮海平原冬小麥估產的研究意義 . 8 . 8 內外研究進展 . 9 外研究進展 . 9 內研究進展 . 10 究目標研究內容和研究方法 . 11 究目標 . 11 究內容 . 11 究方法 . 12 體技術路線 . 12 第二章 研究區(qū)域和研究方法簡介 . 14 究區(qū)域簡介 . 14 北試驗區(qū)簡介 . 14 城簡介 . 15 . 17 型檢驗. 21 第三章 . 22 據輸入. 22 象數據 . 22 壤數據 . 23 間管理數據和產量數據 . 24 . 25 擬氣象數據模塊驗證 . 25 數調整 . 26 小麥產量模擬 . 26 敏度分析 . 28 敏度分析簡介 . 28 敏度分析 . 28 景分析. 30 式分析 . 30 播種時間，收獲日期對產量的影響 . 32 果與討論 . 34 第四章 遙感數據應用于型的可行性分析 . 36 術路線. 36 驗布置. 37 據準備與處理過程 . 39 象數據 . 39 壤數據 . 41 間管理數據 . 42 量數據 . 43 果 . 44 一田間管理數據下模擬產量 . 44 同田間管理數據下模擬產量 . 46 論 . 47 第五章 結果與討論 . 48 論 . 48 論 . 49 望 . 49 參考文獻 . 51 致 謝 . 56 附 錄 . 57 作者簡歷 . 67 第一章 緒 論 1第一章 緒 論 研究背景 20 世紀以來，隨著我國人口的急劇增長，自然資源的不合理利用、氣候變化、土地退化、環(huán)境污染、水資源短缺等問題的出現，糧食安全和宏觀調控政策的實施等一直都是我國一個主要的問題。 1994 年 9 月，美國世界觀察研究所所長萊斯特 布朗發(fā)表了長達 144 頁的誰來養(yǎng)活中國來自一個小行星的醒世報告。布朗認為，中國日益嚴重的水資源短缺、高速的工業(yè)化進程對農田的大量侵蝕、破壞，加上每年增長的人口，到 2030 年，中國將達到人口高峰期。為了養(yǎng)活 10 多億人口，可能得從國外進口大量糧食，這可能引起世界糧食價格的上漲。由于全球經濟的一體化，中國的糧食問題可能會對世界的糧食供應產生巨大的影響。這一論斷引起了全世界極大震動。雖然布朗的說法有點駭人聽聞，但也從一方面反映了我國糧食生產面臨的嚴峻形勢。因為糧食生產，對于人類生存至關重要。國以民為本，民以食為天，只有豐衣足食，才能國泰民安，如果人民生活所需食物來源不能保障，就可能會造成社會的不穩(wěn)定。因此，國家制定合理的糧食政策、宏觀調控糧食市場價格對于保障國家的糧食安全和維護社會的長治久安有著重要的意義。 合理的糧食政策要以及時、準確、快速監(jiān)測農作物長勢和預報糧食產量為前提。過去的幾十年里，很多種方法應用于農作物長勢監(jiān)測和產量預報的研究中。歸納起來主要有四種方法：基于統(tǒng)計模型的估產方法、基于遙感信息數據的估產方法、基于作物生長模型的估產方法和多種方法相結合的綜合估產方法。由于農業(yè)生產有生產區(qū)域的廣泛性、單位面積比較效益低、年際與季節(jié)變化波動大等區(qū)別與其它產業(yè)的特點，因此常規(guī)的統(tǒng)計調查與監(jiān)測方法在時效、經濟成本和準確性上難以滿足農業(yè)生產管理對農情監(jiān)測信息的需求。作物生長模型具有快速、準確、低成本、精度高等特點，在理解、預測和調控作物的生長與產量等方面具有一定廣泛性和較強的機理性。同時，隨著遙感技術的發(fā)展，作物生長模擬技術和遙感技術相結合應用于農作物長勢監(jiān)測和估產方面取得了顯著進步。因此，在過去 20 多年的研究和應用中，作物生長模擬模型在作物產量預測方面表現出良好的發(fā)展趨勢，受到國內外眾多學者的廣泛關注，成為估產領域的熱點之一。 冬小麥是我國主要的糧食作物之一，其播種面積占糧食播種面積的五分之一。而在北方，尤其是我國最大的小麥產區(qū)：黃淮海平原，其地位更加重要。黃淮海平原小麥種植面積占全國小麥總面積的 68，產量占全國小麥總產的 76。由于黃淮海平原獨特的地理位置，是中國主要糧食產區(qū)，在區(qū)域及國家食物安全中占有重要地位。因此，對具有 13 億人口的農業(yè)大國，針對農作物進行長勢監(jiān)測和產量早期預報和估算，特別是對冬小麥進行長勢監(jiān)測和產量估計，對國家實現及時、準確地掌握糧食生產狀況和在糧食宏觀調控、國際農產品貿易中爭取到主動權具有重要意義。 作物產量估計方法簡介 在產量估算的研究上，國內外做了相當多的研究。目前對農作物長勢監(jiān)測和估產的方法很多，中國農業(yè)科學院碩士學位論文 第一章 緒 論 歸納起來主要有四種方法：基于統(tǒng)計模型的估產方法、基于遙感信息數據的估產方法、基于作物生長模型的估產方法、各方法相結合的綜合估產方法。 于統(tǒng)計模型的估產方法 統(tǒng)計模型是一種經驗回歸的方法，它包括兩種方法：農學預報方法和氣象預測方法。 農學預報方法是通過監(jiān)測預測產量構成三要素( 即有效穗數、每穗粒數、千粒重 )來預報冬小麥的產量，即： y=a有效穗數每穗粒數千粒重 其中 a 為換算系數。 據研究，對于特定品種、特定的地點，冬小麥的每穗粒數和千粒重主要取決于品種的遺傳特性，以有效穗數受環(huán)境影響最大，也容易采取相應的栽培技術措施加以改變。農學預測方法已經成功地應用在小麥、棉花、玉米等作物估產上（黃敬峰等， 1999；王秀珍， 1997），其精度達到業(yè)務運行的水平。但是農學預測因子獲得較困難，所以不適合大面積估產和推廣應用。 氣象預測方法是農作物天氣氣候模式的一種，是冬小麥產量和自然環(huán)境條件之間各種復雜關系的概括，能很好地反映作物對氣候條件的反應，也是目前發(fā)展最為完善的產量預測評價方法。 一般認為，作物產量 Y 主要是由趨勢產量 氣象產量 部分構成。趨勢產量由農業(yè)技術水平、土地條件、農業(yè)政策等確定，氣象產量則是由當年氣象條件所確定的那一部分產量。這樣作物產量可以表示成： =式中：Y 代表實際產量，表趨勢產量，表氣象產量，Y 代表隨機產量，為不可控制因素，一般可以忽略不計。 氣象預測方法主要分為兩個步驟：第一步是從作物產量序列中分別提取出趨勢產量 氣象產量 二步是對上述提取出來的兩類產量進行預報。對趨勢產量的預測一般采用直線回歸、滑動平均法、指數函數、正交多項式回歸等方法（劉可群等， 1996；南都國等， 1997；史永臣等，2001）。氣象產量由作物的實際產量與趨勢產量之差獲得，再對氣象產量進行分析并建立預報模型。預報年的作物產量即為當年趨勢產量的預報值和氣象產量的預報值之和。 農業(yè)氣象預測方法預報的作物已經包括小麥、水稻、玉米、棉花等（吉文娟等， 2006；黃敬峰等， 1999；楊海鷹等， 2005；姜麗霞等， 2004），建立了比較完善的農業(yè)氣象作物產量預報系統(tǒng)。但是氣象預報系統(tǒng)存在對大范圍地區(qū)作物面積較難估測、作物產量預報不能動態(tài)化等問題，因此還有待進一步研究和完善。 于遙感信息數據的估產方法 農作物遙感估產是近幾十年來發(fā)展起來的一種新的方法，它是建立在作物光譜與產量之間聯(lián)系之上的一種技術。遙感估產一般可以分為八個步驟：遙感估產區(qū)劃、布設地面采樣點、建立背景數據庫系統(tǒng)、農作物面積的提取、不同生長期作物長勢動態(tài)監(jiān)測、建立遙感估產模型、遙感估2中國農業(yè)科學院碩士學位論文 第一章 緒 論 3產精度的分析和確認、遙感估產運行系統(tǒng)的建立。 國際上，關于農作物生長狀況遙感監(jiān)測與估產有三個標志性的實驗計劃，即美國的 劃、 劃和歐盟的 劃。從 1974 年到 1977 年，美國農業(yè)部（ 、國家海洋大氣管理局（ 、美國宇航局（和商業(yè)部合作主持了“ 大面積農作物估產實驗 ”（劃），主要作物是小麥，地區(qū)范圍是美國、加拿大和前蘇聯(lián)；1980 年到 1986 年，執(zhí)行 劃的幾個部門又合作開展了“ 農業(yè)和資源的空間遙感調查計劃” ，即 劃，其中包括了世界多種農作物長勢評估和產量預報；歐盟所屬的聯(lián)合研究中心遙感應用研究所通過實施“ 遙感農業(yè)監(jiān)測” （目，即 劃，也成功地建成了歐盟區(qū)的農作物估產系統(tǒng)，包括作物長勢監(jiān)測系統(tǒng)(，并將結果應用于實施諸如農業(yè)補貼與農民申報核查等歐盟的共同農業(yè)政策。作物的生長過程是一個極其復雜的生物物理過程，生長狀況受多種因素影響，可以用一些能夠通過遙感獲取、能反映作物生長過程且與該過程密切相關的因子或遙感指標進行表征。反映作物生長狀況的相關因子主要包括葉面積指數、植被指數和生物量等。 在我國，利用氣象衛(wèi)星監(jiān)測作物生長狀況始于 20 世紀 80 年代中期。從“ 六五” 計劃開始，開展了農作物遙感估產研究，并在區(qū)域尺度上開展產量估算試驗。 1983 年起農業(yè)部先后組織北京近郊小麥、浙江杭嘉湖地區(qū)水稻及北方 6 省市小麥遙感估產。 1984 年開始，國家氣象局組織北方 11省市開展冬小麥氣象衛(wèi)星遙感綜合測產技術研究，組建了全國冬小麥遙感綜合測產地面監(jiān)測系統(tǒng)，開展了氣象衛(wèi)星監(jiān)測冬小麥長勢的研究，建立了不同類型的氣象衛(wèi)星遙感面積測算與估產方法?！鞍宋濉?期間，遙感估產成為國家技術攻關內容，開展小麥、玉米和水稻大面積遙感估產試驗研究。在 1993的 4 年間分別對 4 省 2 市（河北、山東、河南、安徽北部和北京市、天津市）的冬小麥，湖北、江蘇和上海市的水稻，吉林省的玉米種植面積、長勢和產量開展監(jiān)測預報。在此期間，李郁竹(1988 , 1990 ,1993 ， 1995)、史定珊(1993) 、孟憲錢(1993) 、王延頤 (1993)、張曉陽(1995)等分別探討了利用氣象衛(wèi)星對農作物長勢進行宏觀監(jiān)測的理論和方法。 1997 年開始農業(yè)部農業(yè)遙感應用中心、中國農業(yè)科學院資源區(qū)劃所開發(fā)了冬小麥估產業(yè)務化運行系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括冬小麥主產區(qū)的長勢監(jiān)測。該系統(tǒng)長勢監(jiān)測的主要方法為：利用 星數據，選取適宜的像數據，計算同一監(jiān)測區(qū)相鄰兩年冬小麥的 ，并進行差值計算，依差值大小分成 5 類：差、稍差、持平、稍好和好，繪制等級圖，分區(qū)統(tǒng)計差值，以此來監(jiān)測冬小麥長勢的好壞（吳文斌， 2001）。1999 年楊邦杰用作物的個體與群體定義了作物長勢，提出了基于植被指數與植被表面溫度的長勢遙感監(jiān)測的評估模型與診斷模型的概念與算法。 2000 年吳炳方利用每旬的 R R 最大 像與上年同期對比實現了全國范圍的農作物遙感長勢監(jiān)測；辛景峰探討了作物長勢的參照標準和監(jiān)測指標。 綜上所述，國內外對作物長勢的遙感監(jiān)測進步較早，開展了大量工作，取得了很多研究成果。但是遙感估產存在單點估產精度不高的問題。 于作物生長模型的估產方法 作物生長模擬是一門新興的邊緣技術，它是以系統(tǒng)分析原理和計算機模擬的技術來定量地描述作物的生長、