粒子濾波同化方法在CERES-Wheat作物模型估產(chǎn)中的應(yīng)用.pdf

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1、第28卷第14期1382012年7月農(nóng)業(yè)工程學報TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering、，01．28No．14Jul．2012粒子濾波同化方法在CERES．Wheat作物模型估產(chǎn)中的應(yīng)用姜志偉1’2，陳仲新1，2※，任建強1．一，周清波1，2(1．農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室，北京100081；2．中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081)摘要：為驗證粒子濾波『司化算法在作物模型估產(chǎn)應(yīng)用中的可行性和精度，應(yīng)用該算法構(gòu)建了CERES—Wh

2、eat(cropenvironmentresourcesynthesisforwheat)作物模型同化系統(tǒng)，并應(yīng)用地而觀測數(shù)據(jù)研究了同化系統(tǒng)的估產(chǎn)能力以及粒子擾動維數(shù)和方差對『司化結(jié)果和效率的影響。研究結(jié)果表明，構(gòu)建的作物模型H化系統(tǒng)能夠利用作物關(guān)鍵生育期內(nèi)觀測LAI數(shù)據(jù)，較好地校正模型狀態(tài)軌跡，顯著提高作物產(chǎn)量模擬預測精度。同化前后冬小麥產(chǎn)量模擬結(jié)果與實測產(chǎn)量蚓的決定系數(shù)m0．68增加為0．83，歸一化均方根誤差由4．93％減小為3．4％，相對誤差由4．15％減小為2．93％。粒子擾動維數(shù)和方差同化試驗結(jié)果顯示，粒子維數(shù)由

3、50增加為250時，同化估產(chǎn)精度無顯著改善，但計算代價增加5倍；隨粒子擾動方差增加，估產(chǎn)歸一化均方根誤籌和相對誤差均旱增加趨勢，兩者的平均增加幅度分別為0．32％和0．26％。因此，作物模型同化系統(tǒng)業(yè)務(wù)化應(yīng)用時需折中考慮估產(chǎn)精度和汁算代價設(shè)置合適的粒子擾動維數(shù)和方差。該文為進一步利用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測區(qū)域作物長勢和估算產(chǎn)量等問化研究和應(yīng)用提供參考。關(guān)鍵詞：遙感，作物，模型，粒子濾波，數(shù)據(jù)同化，葉面積指數(shù)，估產(chǎn)doi：10，3969／j．issn．1002—6819．2012．14．022中圖分類號：TP79；S127文獻標

4、志碼：A文章編號：1002～6819(2012)一14-0138—09姜志偉，陳仲新，任建強，等．粒子濾波同化方法在CERES-Wheat作物模型估產(chǎn)中的應(yīng)用【J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(14)：138—146．JiangZhiwei，ChenZhongxin，RenJianqiang，eta1．EstimationofcropyieldusingCERES·Wheatmodelbasedonparticlefilterdataassimilationmethod[J]．TransactionsoftheChines

5、eSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE)，2012，28(14)：138—146．(inChinesewithEnglishabstract)0引言作物生長模犁研究起步于20世紀60年代，是隨著對作物生理生態(tài)過程機理認識的，1i斷深入和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展而興起的【l-21。經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，各種機理作物生長模型【}8J在區(qū)域作物產(chǎn)量評估、氣候變化對產(chǎn)量影響‘9。11、作物長勢監(jiān)測”21、生產(chǎn)潛力評價【‘3I、作物生態(tài)系統(tǒng)過程研究[14-161、生產(chǎn)

6、管理措施的制定與評價117-19]、以作物模型為核心的決策支持系統(tǒng)開發(fā){20-21】、生物能源模擬研究122】等方面得到廣泛應(yīng)用。但是，單點作物牛長模型區(qū)域擴展應(yīng)用時存在卒間升尺度連接、適用性和參數(shù)校準等關(guān)鍵問題。常規(guī)區(qū)域作物統(tǒng)計調(diào)含和監(jiān)測手段也較難獲取作物生長模型所需的人量窄間輸入?yún)?shù)，同時也存在時效性、經(jīng)濟成本和準確性等不足。近年來，大量研究表明[23-381，基于多源數(shù)據(jù)的作物模型數(shù)據(jù)同化方法收稿¨期：201l—10—27修訂日期：2012．06。06基金項目：農(nóng)業(yè)部“948汁劃”項目(2011．G6。2010．S2)

7、；科技部同際科技合作項目(2010DFBl0030)；國家自然科學基金(409712l8)：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃l課題“全球大宗作物遙感定量監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)”(2012AAl2A307)作者簡介：姜志偉(1981一)男，內(nèi)蒙古赤峰人．博士生，主要從事農(nóng)業(yè)遙感心崩研究。北京中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，100081。Emaihzhiweijt@163．com※通信作者：陳仲新(1970一)男，河北唐IJJ人，研究員，博士，博上生導師．主要從事GIS及農(nóng)qk遙感應(yīng)I{j、信息農(nóng)qE和數(shù)字農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)牛態(tài)等方面研

8、究。北京中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源’i農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，10008l。Emaihzxchen【@mail．ca∞．net．en是解決這些問題的有效途徑，能夠改善區(qū)域模擬預測精度，具有巨大的應(yīng)用潛力[=19]。近年來，作物模型數(shù)據(jù)同化研究主要以參數(shù)優(yōu)化算法和集合卡爾曼濾波算法為主。應(yīng)用參數(shù)優(yōu)化算法