农作物空间格局动态变化模拟模型(crops)构建

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1、农作物空间格局动态变化模拟模型(CROPS)构建1,21,2,*1,21,21,21,2夏天,吴文斌,余强毅,杨鹏,周清波,唐华俊（1.农业部农业信息技术重点实验室，北京100081；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081）摘要：农作物空间格局指特定区域内农作物种植结构、空间分布等信息，是农业土地系统的核心内容之一，也是农业结构调整的重要依据。随着空间模拟技术的发展，农业土地系统的时空动态表达成为可能，但传统模型方法更多关注土地利用类型的转化，而忽视耕地内部农作物格局时空特征的表达。本研究基于CLUE-S土地利

2、用变化模拟模型，进行了概念模型设计、框架和模块重建、参数本底化和校正，研究并提出一个适用于我国农作物空间格局动态变化模拟模型（CROPS，CropPatternSimulator）的可行架构，使其能够实现区域尺度土地利用变化与农作物空间格局变化的双层动态模拟。CROPS模型采用了两层次嵌套模拟的模型结构，第一个层次实现对耕地空间格局动态变化过程和状态的表达，第二层次基于第一层次的模拟输出的耕地空间格局，实现耕地内部的农作物空间格局动态变化的有效模拟。CROPS模型主要包括非空间和空间两个大模块，空间模块又包括空间模块I和空间模块II

3、。CROPS模型在东北三省进行了区域应用，结果表明，模型总体模拟效果较好，能够科学合理的表达耕地空间格局和农作物空间格局的动态变化过程。关键词：农作物空间格局；动态变化；CROPS模型0引言[1]农作物空间格局特指一个区域内农作物种植结构、分布、熟制和种植方式等信息，是农业土地系统的核心内容之一。一方面，农作物空间格局能够反映蕴藏于农业土地系统内部的诸多服务功能，如粮食安全、农田碳库、生物质能源生产等；另一方面，其反映了空间范[2-4]围内人类利用农业生产资源的状况，是农作物结构调整和优化的重要依据。因此，开展农作物空间格局变化过程

4、及特征研究具有较高的实用价值和重要的科学意义。[5]近年来，国内外很多学者针对农作物格局及其变化进行了相关研究。统计调查方法是[6,7]较早且较为常用的方法之一，即以一定的行政区为基本单元进行农作物面积统计分析，但这种方法往往忽略了分析单元内部的空间异质性，而且主观性较强。随着遥感、地理信息系统等空间信息技术的发展，农作物格局的空间显性表达(Spatially-explicitrepresentation)逐[8][9]步成为可能。如利用MODIS遥感数据提取了区域农作物种植结构；同样利用MODIS数据，实现了我国南方15省(市、自

5、治区)各类水稻(早稻、晚稻和单季稻)种植面积的快速识别；Gao利用航片和遥感影像(TM/ETM+)分析了中国黑龙江省1958，1980，2000三个时间[10][11][12]段水稻空间格局变化情况。Montero利用GIS技术构建了藤类植物生长分布模型模拟展示了新疆棉花种植面积时空格局演变特征，并揭示当地棉花种植业发展的主要驱动力；吴文斌利建立了农作物播种面积变化模拟系统，分析研究了2005-2035年间世界主要农作物[13](水稻、玉米、小麦和大豆)播种面积变化的数量特征和空间格局。自1997年至今，美国农业部国家农业统计中心（

6、USDA-NASS，NationalAgriculturalStatisticsServiceoftheUSDepartmentofAgriculture）不惜花费大量人力物力，将多源中高分辨率遥感影像与统计调查数据相结合，制作了每年一期的耕地内部作物分布图（CDL，Croplanddatalayers），供后续[14]研究使用。不难发现，遥感技术是提取农作物空间分布信息的有效方法，但其相对成本较高，不利于获取大区域、长时间序列的农作物空间格局及其动态变化特征。而空间模拟技术作为遥感夏天为博士后吴文斌为副研究员余强毅为助理研究员杨鹏

7、为研究员周清波为研究员唐华俊为研究员通讯作者：吴文斌Email：wuwenbin@caas.cn基金项目：国家自然科学基金项目（40930101，40971218，41271112），国家重点基础研究发展计划项目（“973”计划）（2010CB951504）[3]技术的重要补充，能够较为省时省力的表达地理空间要素的分布、格局与变化过程，但目前相关模型研究多停留在土地利用变化模拟方面，较少涉及耕地内部农作物空间格局的模拟[4,15]表达。针对此问题，本研究充分利用CLUE-S（ConversionofLandUseanditsEffe

8、ctsat[16]Smallregionextent）土地利用变化模拟模型的理论和方法，经过改进、重建、参数本地化和校正，研究并提出一个适用于我国的农作物空间格局动态变化模拟模型（CROPS，CropPatternSimulator）