基于辐射传输模型SAIL-PROSPECT的棉花生长模型COTTON2K的区域应用尺度扩展研究

An assimilation system for cotton growth model COTTON2K and remote sensing data based on GIS is to be set up to solve the problem of the limitation of the regional application of the crop growth model. The procedure of the assimilation is: (1) through combining the radiative transfer model SAIL-PROSPECT and cotton growth model COTTON2K, reflectance of cotton canopy is simulated. (2) the observed value of reflectance is attained by the calibrated data from Modis. (3) The variety parameters and initial state variables of COTTON2K are to be optimized through the process of searching the minimum value between simulated and observed reflectance. Thus the the parameters required by COTTON2K in regional scale are attained. Then the cotton yield in North China Plain will be simulated by the assimialtion system and the driving force of its spatial and temporal distribution will be anaylysed. The main contents of this project include (1)the research on reflectance spectrum of cotton canopy based on the fied experiments; (2) setting up the assimilation system of the remote sensing data and COTTON2K; (3) simulation and valuation of the cotton growth in North China Plain.

针对棉花生长模拟模型COTTON2K在区域应用上的局限问题，探讨作物模型区域应用尺度扩展的方法，建立基于GIS的作物模型和遥感数据的同化系统。同化系统的基本原理为：以辐射传输模型SAIL-PROSPECT为纽带，通过与作物模型COTTON2K结合模拟棉花冠层的反射率，并以此作为模拟子；利用校正过的modis数据获得的棉花冠层反射率为观测子；通过寻优程序，调整作物模型的品种参数和初始状态变量，使观测值和模拟值无限接近，从而达到区域上模型参数的优化。利用优化的同化系统研究华北平原近10年棉花产量的时空变化规律并分析其驱动因素。主要研究内容包括：（1）基于田间试验和SAIL-PROSPECT模型的棉花冠层光谱反射规律研究；（2）遥感数据与COTTON2K模型的同化系统的建立；（3）华北平原棉花生产的时空分布规律。

传统的作物模型具有明确的生物学意义，但对于大尺度上的应用，模型只能选择有代表性的点进行模拟，难以处理空间现象。因此探讨基于遥感和作物模型结合的方法解决棉花生产区域评估与监测的精度对我国的棉花生产具有非常重要的意义。本研究利用以辐射传输模型SAIL-PROSPECT为纽带，通过与作物模型COTTON2K结合模拟棉花冠层的反射率，并以此作为模拟子；利用MOSDIS反演的地表反射率为观测子；通过寻优程序，调整作物模型的品种参数和初始状态变量，使观测值和模拟值无限接近，从而达到区域上模型参数的优化。本项目所取得主要进展包括：（1）在大田试验的基础上，研究了不同品种和氮肥施用水平下棉花冠层反射规律；获取了辐射传输模型SAIL-PROSPECT的运行参数，并对主要的模拟结果进行了较正。（2）以SAIL-PROSPECT为纽带，以集合卡尔曼滤波方法为基本算法，构建基于GIS平台的作物模型COTTON2K和遥感数据的同化系统。（3）利用同化系统分析了河北平原2006-2010年棉花产量的时空分布，并对模拟的结果和实际的产量数据进行了比较。主要成果为：发表SCI文章一篇。