及时、高效的作物生长和产量模拟对指导农业生产、维持粮食市场稳定、确保国民生命健康具有重大意义。WOFOST(World Food Study)作物生长模型可以准确、动态的描述作物的生长发育过程,在作物的产量模拟中具有一定潜力,已广泛应用于玉米、小麦等主粮作物估产中。油菜是世界上重要的油料作物,具有很高的经济价值,在我国国民生活中占有极其重要的地位。但油菜植株结构复杂,基于WOFOST作物模型的油菜估产研究较少。因此,本研究结合油菜的植株和生育期特点,基于WOFOST作物模型对长江中下游地区的油菜进行生长和产量模拟,研究WOFOST作物模型对该地区油菜的适用性。
本文以湖南省衡阳、永州地区的油菜为研究对象,基于衡阳县、衡东县等8个县的地面观测数据,基于WOFOST作物模型分别对潜在条件和水分限制条件下的油菜生长状况进行单点模拟,并探索区域尺度的油菜产量模拟情况。主要工作及研究结果如下:
(1)潜在生产条件下,基于最大叶面积指数(LAIMAX)、地上总生物量(TAGP)及贮藏器官总干质量(TWSO)三个指标,利用Sobol敏感性分析方法对WOFOST作物模型进行参数敏感性分析。其中,贮藏器官的同化物转化效率(CVO)、出苗到开花的积温(TSUM1)、特定角果面积(SPA)、40℃下单叶有效光能利用率(EFFTB40.0)和温度变化10℃时呼吸作用变化率(Q10)等参数均表示出了较强的敏感性。
(2)本文研究了4种模型校正方案,包括LAI校正法、总光合面积指数(Total photosynthetic area index,TPAI)校正法、总光合面积指数-特定角果皮面积(Total photosynthetic area index-Specific pod area,TPAI-SPA)校正法及TPAI-拟合校正法,并将这四种校正方案分别应用于油菜的生长监测和产量模拟中,基于研究区地面单点观测数据,研究油菜在潜在和水分限制不同生产水平条件下的产量模拟情况,对模拟结果进行分析和精度验证,探讨不同校正方案在油菜估产中的可行性,为油菜的产量模拟提供解决方案。研究结果表明,在提出的4种校正方法中,TPAI-SPA校正法校正的模型精度最高,TAGP与TWSO指标的决定系数R2分别为0.920和0.921。研究结果表明,基于TPAI-SPA校正法优化后的WOFOST作物模型可以准确的模拟单点尺度的油菜产量,证明了所提WOFOST作物模型优化方法在油菜产量模拟中的可行性。
(3)本研究在基于县级、市级单点产量准确模拟的基础上,将模型优化参数应用于周边样点,对WOFOST作物模型油菜估产区域适用性进行了研究。研究发现,在一定空间范围内,县域不同样点、市域不同县的样点使用同一套模型优化参数进行油菜产量模拟,油菜模拟生长曲线符合油菜生长规律,产量模拟具有较高精度。但随着迁移区域的增大,产量模拟结果与实测值间的误差增大,产量模拟精度降低。此外,本研究对不同县域样点的模拟结果及WOFOST作物模型参数进行了分析,发现不同县域样点的模型参数和产量模拟结果均存在一定的空间变异性。
开展户外南疆红枣品质快速无损检测技术,对当地红枣产业发展有重要意义。在户外开展近地面红枣品质定量检测时,标准白板起到定标的作用。在其进行检测时须固定位置且不能被其它杂散光线所干扰。理论上,标准白板在0°~180°区间反射率都为1,但在实际户外测量时,受户外条件影响,反射率会发生改变,这一定程度上影响测量结果。针对上述问题,本文基于朗伯比尔定理和二向反射分布函数BRDF(Bidirecrional reflecrivity distriburion funcrion),从不同距离、角度和偏振方位三个因素开展标准白板不同方位对检测精度的影响规律研究,主要研究结果如下:(1)标准白板在不同角度下对检测精度的影响:标准白板试验采用控制变量法,在户外采用两块标准白板一块保持原位不动,另一块变换角度,为了更准确的对比数据本次实验也在暗箱中进行试验。通过建立模型对比不同标准白板角度标定下的检测效果。利用方差分析对户外与暗箱数据分析得出结论:户外标准白板标定时角度发生变化会影响检测效果。在对比不同角度定标的标准白板方位角在90°时检测效果最佳。后续对各个角度数据进行校正并通过数据拟合得出红枣标定角度散射核函数。(2)标准白板距样品的距离对检测精度的影响:标准白板试验采用控制变量法,研究结果表明标准白板在样品后方时,距样品越远,含水率的检测精度越低;标准白板在样品前方时,仅冬枣在5cm处的检测精度大于0cm处的检测精度,其他果品均在标准白板距样品越远,含水率的检测精度越低。同时冬枣含水率的相关系数R(5cm)>R(-5cm)、库尔勒香梨含水率的相关系数R(5cm)>R(-5cm)、红提含水率的相关系数R(5cm)>R(-5cm)。因此,标准板在样品前面5cm处的农产品含水率检测精度大于在样品后5cm处的检测精度,有实验结果得出三种果品(冬枣、红提、香梨)在离标准白板0cm时相关系数最大为别为:0.75502、0.78693、0.79307,户外近地面实验时标准白板距离样品越近误差越小,在标准板距离样品10cm内误差很小可以忽略不计。(3)在不同偏振态下不同标准白板角度对检测精度的影响:探究在不同偏振度下光谱的变化规律采用对比法,通过建立标准白板角度标定线偏振度(degree of linear polarization,DOLP)模型对比试验结果,通过数据分析时发现在线偏振图像中干燥红枣与新鲜红枣光谱在(1000nm~1400nm)区间光谱差异很大,证明D OLP图像可以强化其水分特征信息,后续通过对比得出:DOLP模型建模效果最佳的标准白板角度为90°,并将DOLP模型反演得出水分分布图。为进一步减小误差建立DOL P标准白板角度修正模型,后续通过户外冠层试验验证该模型可提升其检测精度5%以上。通过上述研究获得了红枣的多角度散射核函数、水分反演图。经后续户外试验验证了该模型可提高户外标准白板在不同角度下的检测精度,为后续南疆红枣品质的近地面检测提供一定的参考。
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