[發明專利]一種基于耦合作物模型同化光譜反射率的水稻估產方法

在審

• 申請號: 201710997425.8
• 申請日: 2017-10-17
• 公開（公告）號: CN107941713A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 王衛光;王曉宇;丁一民;鄭佳重;邢萬秋;傅健宇;董青
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 姜慧勤

技術領域

本發明涉及一種基于耦合作物模型同化光譜反射率的水稻估產方法，屬于農業遙感技術領域。

背景技術

在作物估產應用過程中，基于光合、呼吸、蒸騰等機理過程的作物模型依靠其內在的物理過程和動力學機制，可以準確模擬作物在時間和空間上的連續變化，可以準確的模擬單點作物的生長狀況和產量。但是運用到區域尺度時，由于地表環境的非均勻性，導致模型中的一些參數數據很難以獲得。而衛星遙感方法具有空間連續和時間動態變化的優勢，能夠有效解決這個問題。但是遙感對地觀測由于受衛星時空分辨率等因素的制約，還不能真正揭示環境氣候條件與作物生長發育內在機理過程之間的關系，但這正是作物模型的優勢所在。因此，通過同化的方法將二者結合起來，互相補充，發揮各自的優勢，能夠更加精確地反映作物的產量。

遙感信息與作物生長模型集成的方法分為驅動法和同化法，其中，同化法受到更多的關注也被更為廣泛的采用。優化算法為同化法中的一個重要方法，目前比較通用的方法有以下兩種：1、通過對比遙感反演和模型模擬獲得的葉面積指數(Leaf Area Index，LAI)；2、對比遙感反演和模型模擬獲得的作物光譜信息或者植被指數。如ACRM(A Two-Layer Canopy Reflectance Model)模型，需要與作物生長模型相耦合。

目前，中分辨率成像光譜儀(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)作為主要的遙感數據源被廣泛應用于區域農作物長勢監測和產量估算研究。不過在農田地塊較小、分布較為零散、破碎化程度較高的區域，很難保證MODIS像元是純像元，此時需要結合更高空間分辨率的遙感影像進行數據同化研究。將時序遙感觀測信息加入到耦合模型中，通過調整模型的運行軌跡，使其更接近遙感觀測的“客觀”狀態，模型模擬的LAI能夠反應作物生長的“真實”情況，使得模擬的作物產量更接近“真實值”。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：提供一種基于耦合作物模型同化光譜反射率的水稻估產方法，將時序遙感觀測信息加入到耦合作物模型中，有效改進了農田地塊破碎化區域的農作物產量估算結果，使模擬值更接近真實值。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

一種基于耦合作物模型同化光譜反射率的水稻估產方法，包括如下步驟：

步驟1，利用待估算區域的氣象、土壤、植被數據對EPIC作物模型的參數進行適應性調整和修正，并采用待估算區域基準年描述作物品種的遺傳參數對EPIC作物模型進行校驗和標定，確定EPIC作物模型中描述作物品種的遺傳參數的取值；

步驟2，獲取待估算區域的遙感數據并與待估算區域的地面參數進行空間匹配，構建同化所需的時間序列遙感觀測數據集，從數據集中獲取地表反射率；所述遙感數據包括MODIS數據、LAI數據、TM數據；

步驟3，利用葉面積指數耦合EPIC作物模型和ACRM輻射傳輸模型，得到耦合模型，并對耦合模型進行參數敏感性分析；

步驟4，在待估算區域運行經參數敏感性分析后的耦合模型，得到待估算區域的模擬反射率；

步驟5，以模擬反射率和地表反射率之間的觀測誤差為權重，按以下五個待優化參數建立代價函數，所述五個待優化參數包括種植日期、種植密度、光周期敏感參數、葉片紅光、近紅外波段反射率，采用模擬退火算法對代價函數進行最小化，當代價函數滿足收斂條件時，輸出待優化參數的最優值；

步驟6，將待優化參數的最優值代入EPIC作物模型，計算得到水稻的產量結果。

作為本發明的一種優選方案，步驟1所述描述作物品種的遺傳參數包括幼苗期生長特性參數、灌漿期特性參數、光周期敏感參數、出葉間隔特性參數。

作為本發明的一種優選方案，所述步驟2的具體過程如下：

將待估算區域的MODIS數據與待估算區域的土地利用圖進行疊加，判斷MODIS像元中旱地作物所占比例，利用MODIS數據分別在像元和亞像元尺度提取水稻作物種植面積和空間分布，結合TM數據，提取MODIS數據分別在像元和亞像元尺度的水稻冠層發射率信息，從而構建同化所需的時間序列遙感觀測數據集。

作為本發明的一種優選方案，步驟3所述參數敏感性分析所采用的方法為直方圖比較法。

作為本發明的一種優選方案，步驟5所述收斂條件為以下條件中的其中一個：

(1)連續5次循環后待優化參數的取值收縮到指定的范圍；

(2)代價函數的目標函數值連續5次循環后提高的百分比小于0.0001％；