基于随机过程的中稻平均单产预测组合模型研究

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1、灌溉排水学报２０１４年８月第３３卷第４／５期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄＤｒａｉｎａｇｅ文章编号：１６７２－３３１７（２０１４）０４／０５－０３５６－０４＊基于随机过程的中稻平均单产预测组合模型研究汪文超，谭君位，崔远来（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉４３００７２）摘要：基于随机过程，将中稻平均单产分离为趋势产量和气候产量，联合运用灰色系统ＧＭ（１，１）模型、多元线性回归、自回归模型建立了漳河灌区中稻平均单产预测组合模型。该模型在率定期（１９８８—２００９年）和验证期（２０１０—２０１３年）的相对误差均为６％左右，模型Ｎａｓｈ

2、－Ｓｕｔｃｌｉｆｆｅ效率系数为０．６５。其预测结果与传统的直接模拟相比，预测精度有很大提高，与ＢＰ神经网络模型的预测结果基本一致，具有可靠的精度，考虑到该组合模型能给出具体的表达式且预测结果更为稳定，故更利于实际应用。关键词：随机过程；中稻；平均单产；预测模型中图分类号：Ｓ５１１文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１３５２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｇｇｐｓ．２０１４．０４／０５．０７６汪文超，谭君位，崔远来．基于随机过程的中稻平均单产预测组合模型研究［Ｊ］．灌溉排水学报，２０１４，３３（４／５）：３５６－３５９．目前，关于粮食产量的预测模型主要有３类：时间序列模型、回归模型以

3、及人工智能模型，最常见的有单［１－３］指数平滑预测模型、自回归移动平均模型、灰色系统预测模型以及近年来发展起来的人工神经网络模型、［４－６］遗传算法等智能计算模型。粮食产量受自然因素和非自然因素的影响，国内一些学者将其分离为趋势产量和波动产量（也称为气候产量），其中趋势产量由生产水平和社会经济条件等非自然因素决定，呈现一定的［７－９］阶段性增长趋势；波动产量主要受气候条件等自然因素随机变化的影响，呈现年际间的波动变化。基于［１０］此分离方法建立的粮食产量预测组合模型比单一预测模型具有更高的精度。１组合模型构建１．１研究区域介绍漳河灌区位于湖北省江汉平原西部，地

4、形以丘陵为主，灌区地势西北高，东南低；粮食作物以中稻为主。漳河灌区属亚热带大陆性气候区，灌区内多年平均降雨量为９７０ｍｍ，多年平均蒸发量为１４２５ｍｍ，年平均气温为１６℃左右，全年无霜期为２４６～２７０ｄ，灌区内径流和降雨年内、年际分配十分不均匀。１．２中稻产量多年变化规律分析根据漳河灌区１９８８—２０１２年的灌溉台账资料计算得到历年中稻平均单产变化过程，如图１所示。图１显示，１９８８—２０１２年期间，漳河灌区中稻平图１漳河灌区中稻平均单产逐年变化均单产总体呈现上升趋势，根据其变化规律大致可分为２个阶段：第一阶段，１９８８—１９９７年，上升阶段。漳河灌区从２０

5、世纪８０年代后期开始推广种植杂交水稻，与此同＊收稿日期：２０１４－０３－０８基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金项目（２０１３０１４１１１００１４）作者简介：汪文超（１９９０－），男，湖北宜昌人。硕士研究生，主要从事节水灌溉理论与技术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：２００９３０１５８０２６６＠ｗｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ通讯作者：崔远来（１９６６－），男，江西武宁人。教授，主要从事节水灌溉理论与技术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ＹＬＣｕｉ＠ｗｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ３５６时灌区内节水灌溉试验研究不断发展并推广应用，中稻产量得到了极大的提高。第二阶段，１９９８—２０１２年，产量稳定阶段。该阶段

6、中稻产量呈现一定的上下波动，但基本保持平稳，主要是由于年际间气候条件存在一定的差异性，水稻生长环境受到了一定的影响，导致了产量年际间的波动。基于随机过程分析，将漳河灌区中稻产量分离为趋势产量和气候产量，即：Ｙ＝Ｙ趋势＋Ｙ气候（１）式中：Ｙ为中稻平均单产（ｋｇ／ｈｍ２）；Ｙ为中稻平均单产的趋势项（ｋｇ／ｈｍ２）；Ｙ为中稻平均单产的气候项趋势气候（ｋｇ／ｈｍ２）。趋势产量是指主要由于品种改良、灌溉施肥水平提高及其他农业耕作技术进步等非自然因素引起的产量变化；气候产量指主要由于气候条件在年际间的周期及随机变化而引起的产量变化。采用Ｋｅｎｄａｌｌ秩次法检验漳河灌区各阶

7、段中稻单位面积产量的变化趋势，在０．０５显著水平下，１９８８—１９９７年统计量为１．９８＞１．９６，呈上升趋势；１９９８—２０１３年，统计量为０．７４＜１．９６，无趋势变化。１．３趋势产量预测模型采用灰色ＧＭ（１，１）模型对第一阶段的趋势产量进行建模分析。ＧＭ（１，１）模型是具有１个变量、一阶导数的灰色系统模型。根据１９８８—１９９７年中稻平均单产资料，建立灰色系统模型（具体过程略），求解第一阶段中稻平均单产趋势项，见表１。可见，除１９８９年外，中稻平均单产趋势项呈逐年递增的趋势，年平均增幅４０５．３ｋｇ／ｈｍ２。由１．２节分析，第二阶段趋势产量取平均值８７４

8、５ｋｇ／ｈｍ２。表１漳河灌区１９８８—