干旱条件下基于WOFOST模型与遥感数据同化的玉米产量模拟改进研究

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1、摘要摘要我国是一个农业大国，干旱是对农业生产影响最大的自然灾害之一，严重时甚至导致绝收，对国家粮食安全与农业可持续发展造成了巨大的威胁。然而土壤干旱对作物的胁迫是一个复杂的过程，尤其在极端干旱的条件下，作物生长模型并不能够很好模拟作物生长，从而导致产量模拟结果的不准确。因此有必要改进作物生长模型，以期能更好的模拟干旱条件下作物的产量。本研究以通辽市玉米为研究对象，基于作物生长模型和遥感数据同化，从模型的机理补充、借鉴其他模型对干旱的响应方法以及模型算法改进等三个平行的角度出发，旨在补充描述模型在干旱条件下模

2、拟作物产量的不足之处，提高产量模拟的精度。因此本研究使用WOFOST模型，在地块尺度使用高分一号WFV数据，市县尺度使用HJ-1A/B数据，使用设置膨胀系数、调节因子等参数改进后的集合卡尔曼滤波同化算法将遥感数据同化到模型中，使模型可以进行区域范围的产量模拟；同时对模型中的参数进行敏感性分析，分别使用统计资料、遥感反演等方法标定模型中的参数。然后分别使用基于面向田块的模型生育期改进的产量模拟、基于双胁迫因子的产量模拟改进以及基于双作物系数法的WOFOST模型产量模拟等三种方法对研究区的玉米进行模拟计算，最后

3、从田块和市县两个尺度评价模拟结果，主要结论有：1)对于基于面向田块的模型生育期改进的产量模拟方法，在干旱条件下模拟结果的精度要优于原模型，且提升了地块之间的空间异质性。与原模型相比，2R提高到0.71，RMSE降低到1335.91kg/ha，同时变异系数从0.213提高到0.254。2)对于基于双胁迫因子的产量模拟改进的方法，在田块尺度上提高了模拟结果的精度和空间异质性，但在市县尺度上与统计结果仍有一定的差距。在田块尺度上产量分布范围和地块平均单产略低于原模型的产量模拟结果，与实测2产量更为接近，模拟结果R

4、提高到0.588，RMSE降低到1906.49kg/ha，但是该方法依然没有很好的模拟绝收地块的产量状况。在市县尺度上，使用该方法的模拟结果表明科尔沁左翼后旗受灾较为严重，对通辽市的玉米总产量高I干旱条件下基于WOFOST模型与遥感数据同化的玉米产量模拟改进研究估166.47万吨，平均单产高估723.03kg/ha。3)对于基于双作物系数法的WOFOST模型产量模拟的方法，取得了较为理想的结果。在地块尺度上该方法在保持RMSE略优的情况下，大幅提升了模拟结2果的精度，与原模型相比R提高了18.46%，但是仍

5、然没有很好的描述由于极端干旱造成的作物绝收的现象，此外低估了高产量地块的玉米产量。在市县尺度上，模拟结果表明通辽市西南部玉米产量受灾较为严重，总产量略有高估，但是平均单产有所降低。关键词作物模型，干旱，单产，遥感，数据同化IIAbstractAbstractAgricultureiscrucialtoChina.Soildroughtisthemostseriousnaturaldisasterthataffectsagriculturalproduction,andevenleadstonoharvest

6、,soitcanthreatentonationalfoodsecurityandsustainableagriculturaldevelopment.However,theimpactofsoildroughtoncropsisacomplexprocess,andcropgrowthmodelscannotrespondwelltoitinmanycases,especiallyunderextremelydrought.Asaresult,theproductionforecastisinaccura

7、teunderthiscircumstance.Therefore,itisnecessarytoimprovethecropgrowthmodelsothatitcanforecastcropyieldbetterunderdroughtcondition.Thisstudytakescornsastheresearchobjectandaimstoimprovetheaccuracyofestimatedproductionbasedonthecropgrowthmodelanddataassimila

8、tionalgorithmfromthreedifferentideas:mechanismsupplement,learningfromothermodelsandalgorithmimprovement.Accordingly,weselectedWOFOSTmodelasthemainmodeltosimulatewater-limitedgrowth,GF1-WFVandHJ-1A/Btodrivemod