农作物单产预测的运行化方法

农作物单产预测的运行化方法内容摘要：

遥 感 学 报 JOURNAL OF REMOTE SENSING 第 8卷 第 6 期 2004 年 11 月 Vol. 8, No. 6 Nov. , 2004 文章编号: 1007- 4619 ( 2004) 06-0602- 09 农作物单产预测的运行化方法 孟庆岩, 李强子, 吴炳方 ( 中国科学院 遥感应用研究所, 北京 摘 要: 100101) 提出了适于运行化农作物单产预测的方法。即以农 作物单产 区划为基础, 通过 搜集不同地 区不同 作物的单产预测模型, 分析每个模型的空间适用范围, 并 从模型参数等角度筛选模型, 然后利用这些模型进行 气象站点的作物单产预测, 并以 NDVI 分布图为参考数据将点上的单产数据 空间外推 到区域尺度。 借助耕地 分布估计区域水平的农作物单产。最后以 2003 年冬 小麦为 例, 进行了 全国 10 个 省的冬 小麦平均 单产估 算, 花费了较少的人力和时间, 符合运行化遥感估产要求。 关键词: 农作物单产; 运行化; 农业气象模型 中图分类号: 文献标识码: TP79 A 之间的关系很难标定, 而中国各地农作物种植制度 1 引言 的差异使得各农学参数本身在不同地域之间具有较 大的复杂性, 更加剧了标定的难度, 因此农学模型的 农作物单产的运行化预测是农情遥感监测技术 使用具有较大的难度。 中的一个重要组成部分。实时、准确地进行农作物 统计模型主要是根据统计数据与作物单产之间 单产预测是农情遥感监测的基本要求。在全国农作 建立相关关系, 预测农作物单产, 最典型的统计模型 物总产量预测中, 单产估计与面积 监测缺一不可。 是中国科学家陈锡康先生以投入产出技术为核心的 中国自 20 世纪 80 年代初开始, 陆续开展了多次、多 系统综合因素预测法, 通过建立影响作物单产的统 尺度的农作物遥感监测, 在农作物单产估算方面积 计因子, 如灌溉投入、 化肥用量、机械动力等与农作 [ 1) 6] 累了很多经验 。本文介绍中国农情遥感速报系 统采用的农作物单产预测方法。 物单产之间的系统模型, 预测每年的粮食产量 [ 8] 。 这种方法具有很好的运行性, 基本上在精度和预测 时效性上都能保证。 2 单产模型的类型与运行化要求 遥感模型是根据生物学原理, 在分析收集农作 物光谱特征的基础上, 通过光谱来获取作物的生长 目前国内外对农作物单产预测的模型很多, 可 信息, 并在作物光谱与产量之间建立关联。目前经 分为 农 学模 型、农 业 气象 模 型、统计 模 型和 遥 感 常采用的思路有 3 个[ 9] : ¹ 植被指数统计估产模式, 模型。 利用作物生长全过程或部分时期的植被指数累加值 农学模型主要是在作物生长状况与作物产量构 或某一时期的植被指数与产量建立统计关系; º 植 成要素之间建立关系, 进而实现预 测农作物产量。 被指数- 气象因子综合估产模式, 把遥感信息与气象 其中作物产量构成要素因作物类型的不同而不同, 条件相结合建立统一的估产模型; » 以热红外信息 如冬小麦的产量构成要素是有效穗数、每穗粒数和 为基础的估产模式, 用卫星的热红外信息估算作物 千粒重。从全国性运行化农作物单产估算角度看, 的冠层温度, 并用冠层温度估计作物产量。从全国 农学模型由于在中国的适用性前例还较少, 仅黄淮 性运行化农作物单产估算角度看, 遥感模型是最理 海平原的冬小麦有过使用 [ 7] 。农学参数与影响因子 想的单产估算途径, 但是植被指数与作物单产之间 收稿日期: 2003-09-30; 修订日期: 2004-03-08 基金项目: 中国科学院 95 重大项目( KZ951-A1-302-02) 和特别支持项目( KZ95T-03-02) 。 作者简介: 孟庆岩( 1971 ) ) , 博士, 副研究员, 黑龙江省肇东市人。研究方向为农业与生态环境遥感, 已发表科研论文 10 余篇。 第 6期 孟庆岩等: 农作物单产预测的运行化方法 603 的关系模式还没有标定, 而植被指数- 气象因子综合 估产模式, 本身模型标定的工作还没有进行全国性 实验, 且这种标定难度可能更大于农学模型, 因此用 建立自己的单产预测模型, 而是通过文献调查, 总结 中国农气模型的历史经验及成果分析, 直接借用前 植被指数建立的遥感模型还无法完成全国性运行化 单产估算的要求, 而温度与单产之间的关系模式在 重新标定模型参数, 实现了中国农作物单产的区域 全国的标定也有很大困难。 在农作物单产预测研究中, 应用最多的还是农 业气象模型 [ 10] , 欧盟与美国的遥感估产系统也采用 [ 11) 13] 农业气象模型进行农作物单产估计 。该类模 型依据对作物产量有较大影响的气象因子和产量建 立的关系模式预测作物产量。目前主要采取的方法 是将作物单产分解为趋势产量、气象产量和随机产 人建立的预测模型, 通过规范化模型使用空间范围, 水平预测。 采用农业气象模 型作为运行化的单产预测模 型, 一个基本考虑是农业气象模型在全国具有较多 的应用例子, 检验精度和预测时效性基本能够满足 农情遥感监测运行的需要。基本思路可总结为模型 搜集整理、 筛选与膨化、单点模拟与检验、空间外推 与区域单产估算 5 个技术过程( 图 1) 。 量 3 部分, 其中趋势产量代表了社会平均生产水平, 气象产量是由气象因子所反映的产量, 随机产量可 忽略不计。农 业气象模型在中 国气象部门广 泛使 用, 具有很好的运行化 特征, 只 要气象数据搜 集准 确, 即可建立农业气象模型, 进行作物单产预测, 而 且从大量的研究文献分析, 农业气象模型在全国具 有普遍性的适用例子, 且精度基本满足农作物单产 预测需求。但是, 农业气象模型进行全国性农作物 产量估算需要处理以下几个问 题: ( 1) 空间外 推问 题。由于农业气象数据是基于气象站采集, 农业气 象模型大多是以点为基础进行产量估算, 因此, 必须 解决如何根据点估算得到的作物产量外推到省级水 平和全国水平的问题。( 2) 农气模型所依赖的气象 因子基本上都是气温、 降水、 日照等气象因子及其派 生数据, 由于这些因子本身具有一定的影响范围, 使 得农气模型本身存在一个使用范围问题, 因此对于 农气模型的空间适用范围界定问题也必须解决。 我国自然条件复杂, 多丘陵山地, 南北跨度和东 西差异均比较大, 使得农作物生长环境复杂多样, 造 成本身作物单产水平的区域差异。同时中国现有土 地使用制度使得农作物种植在轮作、 兼作等方面明 显不同, 更加剧了作物单产水平的区域差异。从运 行化的角度看, 农作物单产模型需要满足以下几方 面要求: ( 1) 通用性。要求模型 具有全国性应 用实 例, 能够通过全国性的参数标定; ( 2) 可用性。模型 要求的输入数据能够满足, 也就是说能够在运行模 型时能够得到输入数据; ( 3) 速度快。模型运算过程 中尽量避免过多的人工参与, 以期能够在较短的时 间内完成模型运算。 3 运行化农作物单产预测思路 中国农情遥感系统, 没有直接针对农作物单产 图 1 中国农作物单产估算技术路线 Fig. 1 Flowchart of crop yield estimation 农作物单产预测, 不需要也不可能建立一个普 遍适用于全国的农业气象模型, 一方面全国各地影 响农作物单产的气象因子具有地域性差异, 另一方 面, 我国已经完成了适用于不同地域、 不同作物、不 同生产条件的各种农业气象模型, 而且这些模型根 据经验与检测结果, 精度可靠, 能够满足农情遥感监 测需要。因此, 模型搜集是整个农作物单产估算技 术思路的出发点。通过搜集全国现有的各种农业气 象模型, 标定其适用的作物类型、空间范围等要素, 既可以对我国过去 20 多年的农业气象模型的研究 工作进行总结, 充分利用前人的成果, 同时通过利用 现有的农业气象模型结构, 节省大量人力、物力、财 力和时间。模型搜集过程中, 还需要同时完成模型 的筛选工作, 去掉那些无法满足其农业气象因子要 求的模型。比如有的模型需要同时指定准静止锋的 位置, 这 样的模 型不适 合进 行区域 性农 作物 单产 遥 604 感 估算。 模型搜集整理后, 需要对各个模型进行膨化, 模 学 报 第 8卷 量与农作物物候历作为主导因子, 反映中国粮食生 型膨化的目的是确定模型的空间适用范围, 或为某 产水平的地域分布特征。生产类型区划的第二级采 用农作物产量和物候条件作为主导因子进行二级区 个区域找到合适的模型, 为了方便模型膨化, 或为了 划, 从而使得每个区划单元的农作物产量相对一致。 简化模型膨化的难度, 对全国范围的作物单产进行 分级归类, 制定作物单产区划。单产区划是农作物 对每个一级区划单元内的县级行政单元, 利用最近 生产水平的区域分割, 通过将全国分作生产力水平 一级区划分成 39 个二级区划单元( 表 2) [ 15] 。 相近、种植制度类似和单产影响因子相同的若干区 域, 在每个区划单元内部, 作物单产水平相近, 影响 作物单产的农业气象因子和模型结构也基本一致。 因此, 单产区划的一个重要用途就是将模型由原来 的实验区延伸到一个合适的区划单元。 单点模拟与检验, 是根据搜集到的模型及其适 几年的作物平均产量进行多指标聚类分析, 将 11 个 表 1 农作物生产类型区划指标体系 Table 1 Factors considered in productivity zoning 区级 区划指标 一级区划 温度、降水、 太阳辐射、农区土壤、农区地貌 二级区划 小麦单产、水稻单产、玉米单产、大豆单产、物候 用范围, 根据对应的实测站点农气资料和以县为单 位的历史单产数据, 在每个区划单元内, 选定一些代 表性县, 在县级水平上进行单产模拟和精度检验。 空间外推与区域单产估算, 是根据农作物单产 水平的空间变异规律, 将单点模拟生成的单产数据 外推到整个区划单元。在完成了每个区划单元的单 产预测后, 通过对耕地像元上的单产值进行统计平 均, 得到区域内的平均作物单产。 4 农作物单产区划 农作物单产区划包括农作物生产类型区划和农 作物气候区划两个阶段。其中, 农作物生产类型区 划是根据农作物生产的自然条件和生产水平出发, 412 农作物单产区划 生产类型区划在使用中存在一些问题。最典型 的是, 一个区划单元中包括的县跨越许多省份, 对于 这些较大的区划单元, 要为其赋予一个统一的农业 气象单产模型, 比较困难。因为较大的区划