本文關(guān)鍵詞： 作物需水量 尺度轉(zhuǎn)換 多源信息融合 WebGIS 信息熵 voronoi圖 分形理論 地理加權(quán)回歸　出處：《西北農(nóng)林科技大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：作物需水量是農(nóng)業(yè)高效用水評(píng)價(jià)和灌區(qū)灌溉管理不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于人、財(cái)、物及科學(xué)認(rèn)知水平的限制,作物需水量只能以離散的方式在較小的空間尺度上進(jìn)行測(cè)定,使得區(qū)域作物需水估算存在不少困難。另外,隨著大型計(jì)算機(jī)和數(shù)值預(yù)報(bào)模式的發(fā)展,目前的天氣預(yù)報(bào)信息已經(jīng)具有一定的精度,如何充分利用精度尚可的天氣預(yù)報(bào)信息提高未來一段時(shí)間區(qū)域作物需水量估算精度也是長(zhǎng)期困擾灌區(qū)管理部門的問題之一。本文針對(duì)區(qū)域作物需水量估算存在的主要問題和灌區(qū)管理部門的重大需求,以作物需水量尺度轉(zhuǎn)換、基于天氣預(yù)報(bào)信息的區(qū)域作物需水量估算和基于WebGIS的作物需水量管理系統(tǒng)研發(fā)為主要內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究的具體成果包括:1、提出了基于PCA和GWR的作物需水量空間分布估算方法。綜合考慮宏觀地形因子、微觀地形因子、氣象因子等對(duì)作物需水量的影響,將能夠有效消除各影響因子共線性的主成分分析(PCA)和更好地解釋作物需水量空間差異的地理加權(quán)回歸(GWR)方法有機(jī)結(jié)合,提出了基于PCA和GWR的作物需水量空間分布估算方法。2、實(shí)現(xiàn)了多源作物需水信息的有效整合。將實(shí)際測(cè)定的作物需水量和利用氣象資料計(jì)算的作物需水量作為硬數(shù)據(jù),文獻(xiàn)數(shù)據(jù)、灌溉試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中部分年份缺失的數(shù)據(jù)、利用GWR和克立格空間化處理的數(shù)據(jù)以及遙感估算的數(shù)據(jù)做為軟數(shù)據(jù),探討了各種軟數(shù)據(jù)及概率密度函數(shù)的表達(dá)方法,采用最大熵構(gòu)建先驗(yàn)概率密度函數(shù),根據(jù)貝葉斯條件概率公式對(duì)先驗(yàn)概率分配函數(shù)進(jìn)行修正得到后驗(yàn)概率分配函數(shù),從而實(shí)現(xiàn)多源作物需水信息的整合。3、闡釋了華北冬小麥需水量空間分布的異質(zhì)性。采用ESDA技術(shù)分析了華北地區(qū)冬小麥需水量全局、局部及不同尺度的空間異質(zhì)性。結(jié)果表明:在1%顯著水平下,冬小麥需水量在華北地區(qū)具有顯著的自相關(guān)性,河南南部、河北中北部冬小麥需水量也具有較強(qiáng)的自相關(guān)。在南北方向和東南-西北方向,冬小麥需水量在400km以下尺度具有較強(qiáng)的空間自相關(guān),表明在這兩個(gè)方向監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的布設(shè)距離可適當(dāng)大些;冬小麥需水量在南北方向的平均尺度約為430km。在東西方向空間自相關(guān)性較弱。4、改進(jìn)了作物需水量尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn)的確定方法。借鑒確定灌溉試驗(yàn)站網(wǎng)空間結(jié)構(gòu)和遙感圖像尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn)的思路,將作物需水在整個(gè)研究區(qū)幅度范圍內(nèi)的平均局部方差作為衡量作物需水偏離平均值的程度,提出了研究幅度內(nèi)局部方差平均值隨不同空間粒度的變化情況來確定尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn)的方法。5、確定了不同尺度的影響作物需水的主導(dǎo)因子。根據(jù)研究尺度內(nèi)作物需水的變化特點(diǎn),分別采用主導(dǎo)分析法、主成分分析和偏相關(guān)分析方法分析確定了典型站點(diǎn)、華北冬麥區(qū)和不同空間粒度影響作物需水的主導(dǎo)因子。結(jié)果表明:影響河南省冬小麥需水量的主要因素是日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速,相對(duì)濕度和最高溫度也起一定的作用。從整個(gè)華北冬麥區(qū)來說,影響作物需水量的主要因素為熱力因子和水分因子,其次是動(dòng)力因子,微觀地形因子對(duì)作物需水量也具有一定的影響。在不同的空間粒度,日照時(shí)數(shù)均是影響冬小麥需水的主要因素。6、探索了作物需水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)及代表性強(qiáng)弱的表達(dá)方法。將經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和空間統(tǒng)計(jì)學(xué)有機(jī)結(jié)合,提出了作物需水量監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)方法及主要步驟,確定了不同監(jiān)測(cè)精度條件下華北地區(qū)冬小麥需水量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的布設(shè)方案。采用arcgis擴(kuò)展模塊的鄰域分析功能,分別計(jì)算了研究幅度內(nèi)坡度、高程、土壤類型和土地利用的熵值,對(duì)上述不同因素的熵值采用熵權(quán)法確定權(quán)重,計(jì)算得到不同空間位置的綜合熵值,分別將綜合熵值的倒數(shù)作為加權(quán)voronoi圖的權(quán)重,綜合熵值視作監(jiān)測(cè)站點(diǎn)向外擴(kuò)張或影響所需要付出的代價(jià)或成本,探索了基于信息熵和加權(quán)voronoi圖、信息熵和成本距離法的作物需水信息監(jiān)測(cè)站點(diǎn)代表性的表達(dá)方法。7、提出了基于站點(diǎn)實(shí)測(cè)和遙感信息的作物需水量尺度推繹方法。站點(diǎn)監(jiān)測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力,在監(jiān)測(cè)較大空間尺度時(shí)存在不少困難,遙感技術(shù)可以方便快速地獲取較大尺度數(shù)據(jù),但估算精度較低,為了充分利用遙感數(shù)據(jù)空間優(yōu)越性和站點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,提出了以站點(diǎn)監(jiān)測(cè)作物需水信息為基礎(chǔ),結(jié)合遙感數(shù)據(jù)提供的作物需水空間變異信息,實(shí)現(xiàn)作物需水信息由點(diǎn)到面的尺度轉(zhuǎn)換方法和可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)框架。8、構(gòu)建了基于天氣預(yù)報(bào)信息的作物需水量估算模式。針對(duì)p-m公式計(jì)算所需參數(shù)較多,且未來這些參數(shù)更難獲得,為了充分利用目前精度尚可的天氣預(yù)報(bào)信息,首先對(duì)基于溫度的et0估算方法進(jìn)行了篩選,進(jìn)而對(duì)篩選出的公式相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了屬地化訂正,繪制了華北地區(qū)主要參數(shù)的空間分布圖;將積溫與葉面積指數(shù)、葉面積指數(shù)與作物系數(shù)關(guān)系相耦合,得到了主要作物不同生育期的基于積溫的作物系數(shù)模型,構(gòu)建了基于天氣預(yù)報(bào)信息的作物需水量估算模式,經(jīng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證,模型預(yù)測(cè)精度達(dá)到了80%以上。9、研發(fā)了基于webgis的作物需水量管理查詢系統(tǒng)。該系統(tǒng)集作物需水估算、作物信息查詢、作物需水空間分布等功能于一體,充分利用superis.net提供的顯示操作、分析操作、數(shù)據(jù)存取操作、空間對(duì)象操作、輸出操作等功能;另外,該系統(tǒng)不僅可進(jìn)行屬性查詢和點(diǎn)擊查詢,還可利用鼠標(biāo)進(jìn)行范圍查詢,使得查詢更加方便快捷。本研究將多種新理論新方法有機(jī)結(jié)合,針對(duì)區(qū)域作物需水量估算存在的主要問題和灌溉管理的重大需求,提出了區(qū)域作物需水量估算方法、構(gòu)建了基于天氣預(yù)報(bào)信息的作物需水量估算技術(shù)體系、研發(fā)了基于webgis的作物需水量管理查詢系統(tǒng),為灌溉工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理提供了理論和技術(shù)支撐,但是由于區(qū)域作物需水量估算和灌溉管理的復(fù)雜性,研究結(jié)果還存在很多問題和不足,仍需進(jìn)一步深入研究。
[Abstract]:This paper presents a method for estimating crop water demand based on PCA and GWR . In order to make full use of the forecasting information of crop water demand in North China , this paper proposes a method for estimating crop water demand based on the information entropy and weighted vortical graph , the information entropy and the cost distance method . This paper presents a new method for estimating crop water demand based on webgis , which provides theoretical and technical support for the planning design and management of irrigation works . However , due to the complexity of water demand estimation and irrigation management in regional crops , the research results still have many problems and deficiencies .

【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S274;S126

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本文編號(hào)：1461047