粒子滤波同化方法在CERES-Wheat作物模型估产中的应用

姜志伟陈仲新任建强周清波

【摘要】：为验证粒子滤波同化算法在作物模型估产应用中的可行性和精度,应用该算法构建了CERES-Wheat(crop environment resource synthesis for wheat)作物模型同化系统,并应用地面观测数据研究了同化系统的估产能力以及粒子扰动维数和方差对同化结果和效率的影响。研究结果表明,构建的作物模型同化系统能够利用作物关键生育期内观测LAI数据,较好地校正模型状态轨迹,显著提高作物产量模拟预测精度。同化前后冬小麦产量模拟结果与实测产量间的决定系数由0.68增加为0.83,归一化均方根误差由4.93%减小为3.4%,相对误差由4.15%减小为2.93%。粒子扰动维数和方差同化试验结果显示,粒子维数由50增加为250时,同化估产精度无显著改善,但计算代价增加5倍;随粒子扰动方差增加,估产归一化均方根误差和相对误差均呈增加趋势,两者的平均增加幅度分别为0.32%和0.26%。因此,作物模型同化系统业务化应用时需折中考虑估产精度和计算代价设置合适的粒子扰动维数和方差。该文为进一步利用多源卫星遥感数据监测区域作物长势和估算产量等同化研究和应用提供参考。

【作者单位】：农业部农业信息技术重点实验室;中国农业科学院农业资源与农业区划研究所;
【关键词】：遥感作物模型 粒子滤波 数据同化 叶面积指数 估产
【基金】：农业部“948计划”项目(2011-G6,2010-S2) 科技部国际科技合作项目(2010DFB10030) 国家自然科学基金(40971218) 国家高技术研究发展计划(863计划)课题“全球大宗作物遥感定量监测关键技术”(2012AA12A307)
【分类号】：S127;TP873
【正文快照】：

0引言作物生长模型研究起步于20世纪60年代,是随着对作物生理生态过程机理认识的不断深入和计算机技术的迅猛发展而兴起的[1-2]。经过多年的发展和完善,各种机理作物生长模型[3-8]在区域作物产量评估、气候变化对产量影响[9-11]、作物长势监测[12]、生产潜力评价[13]、作物生

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	【参考文献】
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前1条

1	林忠辉,莫兴国,项月琴;作物生长模型研究综述[J];作物学报;2003年05期

	【共引文献】
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前10条

1	莫兴国,林忠辉,李宏轩,项月琴;基于过程模型的河北平原冬小麦产量和蒸散量模拟[J];地理研究;2004年05期
2	宋朝建;王季春;;甘薯高产潜力研究进展[J];耕作与栽培;2007年02期
3	黄静;邱崇践;张艳武;;一种利用卫星红外遥感资料反演晴空大气参数的物理统计方法[J];红外与毫米波学报;2007年02期
4	王亚莉,贺立源;作物生长模拟模型研究和应用综述[J];华中农业大学学报;2005年05期
5	艾施荣,何火娇,吴瑞梅;虚拟作物研究综述[J];江西农业大学学报(自然科学版);2003年S1期
6	叶宏宝;刘小军;朱艳;曹卫星;;基于生长模型的稻麦轮作生产管理决策支持系统研究[J];麦类作物学报;2007年02期
7	王琳;郑有飞;于强;王恩利;;农田生产系统模型(APSIM)在土地和水肥资源管理中的应用[J];农业环境与发展;2007年03期
8	陈春宏;向邦银;;大型温室黄瓜生长发育特性研究[J];农业工程学报;2005年S2期
9	刘卫红,张正,毕务良;玉米叶片形态的数值模拟[J];数学的实践与认识;2005年06期
10	汪宝卿,张仁和,张春雷,马达灵;油菜生长发育的计算机模拟与应用研究进展[J];西北农业学报;2004年02期

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前9条

1	李国;张心珂;杨国庆;高庆吉;;一种自适应的运动目标实时跟踪算法[A];2006年首届ICT大会信息、知识、智能及其转换理论第一次高峰论坛会议论文集[C];2006年
2	何文波;刘士荣;李文磊;;基于非线性滤波方法的非线性随机系统的故障诊断[A];第25届中国控制会议论文集（中册）[C];2006年
3	Xiaojian Jing Xiaojun Liu Liang Tang Yan Zhu Weixing Cao Hi-Tech Key Laboratory of Information Agriculture of Jiangsu Province,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China;DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A MODEL AND 3S-BASED DIGITAL RICE FARMING SYSTEM[A];Progress of Information Technology in Agriculture--Proceedings of the 4th International Symposium on Intelligent Information Technology in Agriculture(ISIITA)[C];2007年
4	董志坚;;数字化烟草生产技术的构想[A];2005年全国学术年会农业分会场论文专集[C];2005年
5	杨玉建;仝雪芹;朱建华;;基于空间分析技术的农业模型区域模拟研究[A];中国农业信息科技创新与学科发展大会论文汇编[C];2007年
6	王金成;李建平;;基于SVD与EOF的4DSVD同化方法的比较及误差分析[A];中国气象学会2006年年会“首届研究生年会”分会场论文集[C];2006年
7	胡亚南;许吟隆;熊伟;张颍娴;;未来气候变化对吉林敦化玉米生产的影响分析[A];中国气象学会2007年年会气候变化分会场论文集[C];2007年
8	袁静;许吟隆;;区域气候模式与作物模型嵌套模拟能力的验证[A];中国气象学会2007年年会生态气象业务建设与农业气象灾害预警分会场论文集[C];2007年
9	黄志珍;;节水灌溉信息系统研究[A];水资源配置学术研讨会论文集[C];2005年

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前10条

1	宋有洪;玉米生长的生理生态功能与形态结构并行模拟模型[D];中国农业大学;2003年
2	劳彩莲;基于蒙特卡罗光线跟踪方法的植物三维冠层辐射传输模型[D];中国农业大学;2005年
3	施泽平;温室甜瓜生长模型的研究及栽培管理专家系统的建立[D];南京农业大学;2005年
4	王仰仁;考虑水分和养分胁迫的SPAC水热动态与作物生长模拟研究[D];西北农林科技大学;2004年
5	王锡平;玉米冠层光合有效辐射三维空间分布模型的构建与验证[D];中国农业大学;2004年
6	黄静;利用卫星红外辐射资料反演大气温湿廓线的算法研究[D];兰州大学;2006年
7	孙成明;FACE水稻生长发育模拟模型研究[D];扬州大学;2006年
8	李卫国;水稻生长模拟与决策支持系统的研究[D];南京农业大学;2005年
9	吴盘龙;防区外空面导弹制导系统关键技术研究[D];西北工业大学;2006年
10	陈丽梅;人参生长的土壤理化环境及生长模型的研究[D];吉林大学;2007年

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前10条

1	王宗明;黄土塬区农田生产力模拟与潜力开发试验研究[D];西北农林科技大学;2002年
2	熊淑萍;烟草生长发育动态模拟模型系统（Tobacco-DSMS）的研究[D];河南农业大学;2003年
3	张晓煜;宁夏优质枸杞形成的环境条件研究[D];中国农业大学;2003年
4	许善祥;基于生长模型的温室番茄栽培管理专家系统研究[D];浙江大学;2003年
5	张艳红;基于CERES玉米模型的黄淮海夏玉米水肥管理技术研究[D];中国农业大学;2004年
6	张强;河北省小麦生产力估算及施肥案例分析[D];河北农业大学;2004年
7	任正龙;水稻氮素的动态模拟与管理决策[D];扬州大学;2004年
8	许承保;油菜生产智能决策支持系统的研究与建立[D];安徽农业大学;2004年
9	马利;西北麦后油菜生长动态模拟[D];华中农业大学;2004年
10	刘凤丽;控制灌溉对水稻冠层结构和干物质增长影响研究[D];河海大学;2005年

	【二级参考文献】
	【二级参考文献】

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前10条

1	李晓明;孙红敏;;作物生长模拟模型的研究与应用[J];东北农业大学学报;2005年06期
2	邵晓梅,严昌荣;黄河流域节水高效农业建设的紧迫性及途径探讨[J];地理科学进展;2005年04期
3	胡娅敏;丁一汇;沈桐立;;基于遗传算法的四维变分资料同化技术的研究[J];大气科学;2006年02期
4	高山红,吴增茂,谢红琴;Kalman滤波在气象数据同化中的发展与应用[J];地球科学进展;2000年05期
5	王康,沈荣开,覃奇志;不同水分、氮素条件下夏玉米生长的动态模拟[J];灌溉排水学报;2003年02期
6	黄春林;李新;;基于集合卡尔曼滤波的土壤水分同化试验[J];高原气象;2006年04期
7	张风超,杨杰;红外图像序列的目标增强和检测[J];红外与激光工程;2004年04期
8	王亚莉,贺立源;作物生长模拟模型研究和应用综述[J];华中农业大学学报;2005年05期
9	李新,黄春林;数据同化——一种集成多源地理空间数据的新思路[J];科技导报;2004年12期
10	胡洪涛,敬忠良,胡士强;基于辅助粒子滤波的红外小目标检测前跟踪算法[J];控制与决策;2005年11期

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前4条

1	黄冲平;马铃薯生长发育的动态模拟研究[D];浙江大学;2003年
2	侯加林;温室番茄生长发育模拟模型的研究[D];中国农业大学;2005年
3	李建明;温室厚皮甜瓜幼苗生长模型与生态生理变化规律研究[D];西北农林科技大学;2006年
4	王东伟;遥感数据与作物生长模型同化方法及其应用研究[D];北京师范大学;2008年

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前4条

1	王会军;温室黄瓜生长发育模拟模型的研究[D];中国农业大学;2004年
2	郑凌云;基于卫星遥感与BEPS生态模式的藏北草地变化及NPP动态研究[D];中国气象科学研究院;2006年
3	闫岩;基于定量遥感产品和作物生长模型同化的农作物长势监测与估产方法研究[D];中国科学院研究生院（遥感应用研究所）;2006年
4	花登峰;基于构件化生长模型的作物管理决策支持系统[D];南京农业大学;2007年

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前10条

1	杨会民;曹卫彬;孟庆建;许西盼;;新疆兵团农场土地利用遥感监测及影响因素分析——以新疆兵团农八师148团为例[J];石河子大学学报(自然科学版);2011年03期
2	齐述华;蒋梅鑫;于秀波;;基于遥感和ULSE模型评价1995～2005年江西土壤侵蚀[J];中国环境科学;2011年07期
3	庄丽;王进;白丽;蒋桂英;孙蜀江;杨鹏;王绍明;;基于高光谱的中国干旱区棉花遥感估产(英文)[J];农业工程学报;2011年06期
4	刘镕源;黄文江;任华忠;杨贵军;谢东辉;王纪华;;夏玉米冠层光合有效辐射垂直分布模型[J];农业工程学报;2011年09期
5	刘国水;刘钰;许迪;;基于涡度相关仪的蒸散量时间尺度扩展方法比较分析[J];农业工程学报;2011年06期
6	徐永明;覃志豪;沈艳;;基于MODIS数据的长江三角洲地区近地表气温遥感反演[J];农业工程学报;2011年09期
7	彭代亮;周炼清;黄敬峰;周斌;王福民;;基于抽样调查地块实测数据的省级水稻单产遥感估算[J];农业工程学报;2011年09期
8	王晓慧;陈永富;陈尔学;雒艳兰;;基于遥感和GIS的黄土高原中阳县土壤侵蚀评价[J];山地学报;2011年04期
9	刘荣高;;全球500m分辨率遥感物候数据集[J];地球信息科学学报;2011年04期
10	王莺;夏文韬;梁天刚;;基于CASA模型的甘南地区草地净初级生产力时空动态遥感模拟[J];草业学报;2011年04期

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前10条

1	钱永兰;侯英雨;延昊;毛留喜;吴门新;何延波;;基于遥感的国外作物长势监测与产量趋势估计[A];第28届中国气象学会年会——S11气象与现代农业[C];2011年
2	姚玉增;巩恩普;姚志宏;王燕;;铁岭地区泥沙输移规律及供给模式研究[A];中国环境科学学会2009年学术年会论文集（第三卷）[C];2009年
3	蔺文静;;华北平原区域蒸发蒸腾的遥感估算[A];全国农业遥感技术研讨会论文集[C];2009年
4	岳耀杰;高路;张峰;赵金涛;;基于地面实测的土壤风蚀遥感定量反演研究——以毛乌素沙地榆阳沙区为例[A];中国地理学会百年庆典学术论文摘要集[C];2009年
5	于杰;曹江源;;浅谈“ 3S”技术在水土保持工作中的应用[A];全国第一届水土保持监测学术研讨会论文集[C];2001年
6	李春强;李红军;;河北省冬小麦春季干旱遥感监测研究[A];农业生态与卫星遥感应用技术学术交流会论文摘要集[C];2006年
7	王纯枝;毛留喜;吕厚荃;陈健;宇振荣;;基于作物缺水指数的区域旱情遥感监测[A];中国气象学会2007年年会生态气象业务建设与农业气象灾害预警分会场论文集[C];2007年
8	肖继东;党军;石玉;冯志敏;李聪;;吐鲁番地区葡萄种植面积遥感调查研究[A];2007农业环境科学峰会论文摘要集[C];2007年
9	罗志军;;基于RS与GIS的秭归县植被覆盖度与水土流失关系研究[A];中国土壤学会第十一届全国会员代表大会暨第七届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会论文集（中）[C];2008年
10	李卫国;;基于TM遥感的冬小麦产量分级监测预报[A];第十七届中国遥感大会摘要集[C];2010年

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前10条

1	本报记者林莉君;王鹏新：描绘遥感测旱全新图景[N];科技日报;2009年
2	记者张兆军;遥感预报农情成为省政府的千里眼[N];科技日报;2000年
3	本报记者王晓平通讯员孙太;引进高新技术服务黄河水保[N];中国水利报;2002年
4	记者张兴军;农作物生长精细监测[N];新华每日电讯;2009年
5	杨敏华胡慧敏;迎来农业遥感的春天[N];中国测绘报;2001年
6	冯仲科熊妮娜董斌蔡华利;GIS在农林领域的应用前景[N];中国测绘报;2008年
7	李德新;遥感技术给农业装上“千里眼”[N];江苏经济报;2004年
8	王京紫晓;资源卫星与农业[N];中国教育报;2000年
9	张秀华;遥感技术监测农业生产[N];山东科技报;2002年
10	王兵李宁;安徽:气象保障夏粮增产[N];中国气象报;2006年

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1	周月敏;面向小流域管理的水土保持遥感监测方法研究[D];中国科学院研究生院（遥感应用研究所）;2005年
2	李智广;区域土壤侵蚀遥感定量监测技术研究[D];西北农林科技大学;2001年
3	周为峰;基于遥感和GIS的区域土壤侵蚀调查研究[D];中国科学院研究生院（遥感应用研究所）;2005年
4	刘振波;遥感技术支持下东亚飞蝗发生与土壤水分含量关系研究[D];南京师范大学;2005年
5	蒙继华;农作物长势遥感监测指标研究[D];中国科学院研究生院（遥感应用研究所）;2006年
6	王萍;遥感土地利用/土地覆盖变化信息提取的决策树方法[D];山东科技大学;2004年
7	陈思宁;基于集合卡尔曼滤波的遥感信息和作物模型结合研究[D];南京信息工程大学;2012年
8	王秀珍;水稻生物物理与生物化学参数的光谱遥感估算模型研究[D];浙江大学;2001年
9	齐述华;干旱监测遥感模型和中国干旱时空分析[D];中国科学院研究生院（遥感应用研究所）;2004年
10	高清竹;农牧交错带长川流域土地利用安全格局研究[D];北京师范大学;2003年

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前10条

1	蓝士斌;基于遥感与GIS的水土保持应用研究[D];中国人民解放军信息工程大学;2005年
2	杨洲;金堂县云合镇景观格局及水土流失风险性评估研究[D];四川农业大学;2006年
3	邢文渊;基于MODIS影像数据反演干旱区土壤湿度方法研究[D];新疆大学;2006年
4	刘丽娟;嫩江荒漠化土地遥感定量评价研究[D];东北林业大学;2008年
5	闫娜娜;基于遥感指数的旱情监测方法研究[D];中国科学院研究生院（遥感应用研究所）;2005年
6	胡楠;基于遥感的玉米产量预测系统的研究[D];吉林农业大学;2011年
7	廖炜;基于GIS和RS的生态恢复效果评价[D];华中农业大学;2007年
8	孙秀邦;基于NOAA/AVHRR卫星数据的农业干旱遥感监测预警研究[D];安徽农业大学;2008年
9	陈婷婷;基于RS与GIS的青岛市土壤侵蚀演变研究[D];山东师范大学;2009年
10	戴清霞;基于GIS和遥感的长汀县水土流失动态监测[D];福建农林大学;2006年

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