基于遥感信息和DSSAT-SUBSTOR模型数据同化的区域马铃薯产量估算

发布时间：2020-08-19 15:25

【摘要】：马铃薯是世界第三大粮食作物。从2015年起,我国农业部提出马铃薯“主粮化”战略,马铃薯将成为我国的第四大主粮作物,因此对马铃薯的产量进行估算具有非常重要的现实意义。通过将遥感数据和作物生长模型相结合来提高作物产量的估算精度是近些年的研究热点。本文选取吉林省长春市九区市兴隆镇和纪家镇为研究区域,马铃薯为研究对象。在采集马铃薯冠层反射光谱和叶面积指数(LAI)的基础上,利用高分一号影像提取马铃薯的种植区,并利用统计回归方法实现LAI的遥感反演。利用EFAST全局敏感性分析方法对DSSAT-SUBSTOR作物生长模型的输入参数进行敏感性分析,对马铃薯的产量和LAI敏感的参数将作为数据同化过程中的待优化参数。然后,通过构建遥感反演LAI和模型模拟LAI的最小代价函数将遥感数据和作物生长模型结合起来,通过利用SCE-UA优化算法调整待优化参数从而实现遥感数据和作物生长模型的数据同化。根据数据同化结果进行研究区域内马铃薯产量的估算。论文的主要结论如下:(1)在对高分一号遥感影像进行预处理的基础上,利用最大似然法对研究区域内的土地利用现状进行分类,提取马铃薯的种植区。分类结果表明:不同土地利用类型的总体分类精度为95.22%,kappa系数为0.93,分类精度较高。通过计算马铃薯的植被指数和叶面积指数,利用统计回归方法完成LAI的遥感反演,反演结果表明:研究区内马铃薯的归一化差值植被指数NDVI与叶面积指数LAI的拟合度最高,决定系数(R~2)等于0.73。通过NDVI-LAI统计回归模型得到的遥感反演LAI的精度较高,反演LAI与实测LAI的决定系数(R~2)等于0.88,均方根误差(RMSE)等于0.72。(2)利用EFAST全局敏感性分析方法对DSSAT-SUBSTOR作物生长模型的输入参数进行参数敏感性分析,结果表明:块茎开始生长的临界温度上限、光周期系数、潜在块茎生长率、根生长系数、土壤排水上限、排水率、有机碳含率、土壤总氮含率、土壤溶液PH值、播种日期、灌溉日期、灌溉量和施氮量都是对马铃薯的产量和LAI敏感的参数。在DSSAT-SUBSTOR模型标定过程中,以马铃薯的出苗日、块茎起始日、最大LAI值和产量4个指标评价模型的适用性,标定结果表明:模型模拟的出苗日和块茎起始日均与实测值相同,模型模拟的最大LAI值与实测最大LAI值的平均相对误差(MRE)为1.10%,模型模拟的单产值与实测单产值的平均相对误差(MRE)为5.72%,表明DSSAT-SUBSTOR模型在单点尺度上能够以较高的精度对马铃薯的产量进行模拟。(3)首先将DSSAT-SUBSTOR模型的输入参数进行区域化处理,获得未同化遥感数据的马铃薯估产结果。然后通过构建遥感反演LAI和模型模拟LAI的最小代价函数,利用SCE-UA优化算法调整待优化参数,实现遥感数据和作物生长模型的数据同化。结果表明:未同化遥感数据的模型估产精度较低,同化遥感数据的马铃薯估产结果更接近实测值,估产精度更高,平均相对误差(MRE)为6.17%,比未同化遥感数据的(MRE)降低了9.45%,说明将遥感LAI数据和DSSAT-SUBSTOR模型相结合能够有效地提高区域马铃薯的估产精度。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S532;S127
【图文】：

6图 1- 1 技术路线图Figure 1- 1 Technical route map.3.3 论文结构围绕论文的研究内容，将本文分为以下几个章节：第一章：引言。主要介绍本研究的选题背景及研究意义，马铃薯作物生长模型的发展感数据和作物生长模型数据同化的国内外研究进展和目前研究所存在的不足，及本文的、技术路线和论文结构。第二章：研究区概况及试验数据。主要介绍了研究区概况、田间实测数据、卫星遥感物生长模型数据。

国农业科学院硕士学位论文 第二章 研究区概况与试验数据第二章 研究区概况与试验数据2.1 研究区域概况本文选取我国吉林省长春市九台区兴隆镇和纪家镇为研究区域，经纬度范围为东25°33′00″-125°50′50″，北纬 44°6′12″-44°25′34″。该区域地处东北松辽平原腹地，属于山地向的过渡地带，地势平坦开阔，且气温属于温带季风性气候，不仅光照充足，而且雨水充沛，使得研究区域的自然环境得天独厚，为农业种植及生产提供了良好的自然生长条件。研究区热量及降雨量时间分布特征差异明显，热量主要集中在夏季，5-8 月的平均气温 18-20℃，最（7 月）平均气温 23℃，每年的 5-8 月份的降雨量占全年降雨量的 70%以上；充足的太阳辐及时的降雨量为马铃薯的生长发育提供了良好的生长条件，研究区域的自然气候条件非常适铃薯的种植。研究区域内主要种植的农作物主要有玉米、马铃薯和水稻。马铃薯的种植期始年的 4 月末至 5 月初，6、7、8 月份是马铃薯的关键生育期，而针对不同的早熟、中熟和晚铃薯品种，生育期可持续到当年的 9 月初至 9 月末。

位论文 第三章 马铃薯种植区遥感-1 号多光谱影像进行了大气校正处理。是指纠正因地形起伏和传感器误差而造成像点位移的影控制点，同时利用原来已经获取的该影像范围内的数字自动使用ENVI自带的全球900米的DEM数据（GMTED投影差纠正，将遥感影像重采样成正射影像。将多个正按照应用要求裁切出一定范围内的影像。用基于正射校带来的几何畸变，是遥感数据处理的基础性工作之一（叶F-1 号遥感影像预处理的基础上，根据本研究的应用要理之后的 GF-1 号影像进行了图像镶嵌，并利用兴隆镇的 GF-1 号影像进行裁剪，得到影像预处理后的研究区域续土地利用分类奠定基础。

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本文编号：2797249