CN108921351A - 基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法 - Google Patents
基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法，包括：获取历史产量数据，通过历史产量数据按照二次函数模拟历史趋势产量数据；采用调和权重方式对趋势产量进行预测，包括：计算历史趋势产量的增量，根据历史趋势产量的增量进一步计算历史趋势产量增量的调和平均值，然后根据上一年度的趋势产量和调和平均值，对当年的趋势产量进行预测；提取历史气象产量；获取历史气象数据和作物生理参数，得到历史综合气候适宜度指数，根据分离得到的历史气象产量和历史综合气候适宜度指数，建立回归方程，得到当年预测的气象产量；将当年气象产量与趋势产量之和即为当年的预测产量，实现产量动态预报。本发明可以提高最终产量预测结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及农业产量技术领域，特别涉及一种基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法。
背景技术
准确预报作物产量变化可以为农业生产提供预测信息，对保障粮食安全和农业发展具有重要意义。
(1)基于作物生长模型的产量预测，从气象形成时大气的物理变化和作物生理变化开展预报，技术极为复杂，需要的参数多，常常由于数据缺乏而无法使用；
(2)已经应用于北方冬小麦产量预测的遥感预报技术需要大量的观测数据和信息来保证农作物产量气象预报的精准性；
(3)统计预报是目前进行农作物产量气象预报广泛使用的技术，但多数研究是在较长的历史资料序列前提下进行预测的。
(4)预报年趋势产量的预测多数是采用n次曲线、线性滑动平均、指数函数等方法直接外推预测，在较短历史资料情况下，特别是这几年历史产量资料出现小幅波动时，这种外推预测准确性往往不高。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法，可以提高最终产量预测结果的准确性。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法，包括如下步骤：
步骤S1，获取历史产量数据，通过所述历史产量数据按照二次函数模拟历史趋势产量数据；
步骤S2，采用调和权重方式对趋势产量进行预测，包括：计算历史趋势产量的增量，根据历史趋势产量的增量进一步计算历史趋势产量增量的调和平均值，然后根据上一年度的趋势产量和调和平均值，对当年的趋势产量进行预测；
步骤S3，提取历史气象产量，包括：从获取的历史产量数据中减去模拟历史趋势产量，分离得到历史气象产量；
步骤S4，获取历史气象数据和作物生理参数，得到历史综合气候适宜度指数，根据分离得到的历史气象产量和历史综合气候适宜度指数，建立回归方程，得到当年预测的气象产量；
步骤S5，将步骤S4的当年气象产量与步骤S3的趋势产量之和即为当年的预测产量，实现产量动态预报。
进一步，在所述步骤S1中，所述历史产量数据至少为4年产量数据。
进一步，在所述步骤S1中，二次函数方程如下：
Yt＝ax2+bx+c
其中，x为时间序列，Yt为模拟历史趋势产量，实际产量Yt作为因变量，时间序列作为自变量，abc是二次函数的系数，用实际产量和时间序列建立二次函数模拟方程，模拟历史趋势产量。
进一步，在所述步骤S2中，
计算历史趋势产量的增量：wt+1＝yt+1-yt，其中，yt为第t年的趋势产量，则wt+1为第t+1年趋势产量的增量；
计算历史趋势产量增量的调和平均值：其中，ct+1为调和权重系数，调和权重满足：ct+1>0；∑ct+1＝1；
计算趋势产量预测值：
进一步，在所述步骤S4中，所述获取历史气象数据和作物生理参数，得到历史综合气候适宜度指数，包括：
(1)计算气候适宜度，包括计算每日温度适宜度和旬降水适宜度；
(2)计算综合气候适宜度参数，包括：计算旬温度适宜度和播种-任意旬的温度和降水适宜度、播种至某旬的综合气候适宜度指数。
进一步，所述每日温度适宜度为：
所述旬降水适宜度为：
其中，F(t)、F(r)分别为作物生长期逐日气温适宜度值、逐旬降水适宜度值，t为某日的日平均气温，tl、th、t0分别为作物某发育期所需的最低温度、最高温度和适宜温度，当t＝t0时，温度适宜度为1；当tl≤t≤th时，温度适宜度取值在0和1之间；当 t＜tl或t＞th时，温度适宜度为0，r为旬降水量，在计算时为当旬的降水量加上前期过量降水，r0为作物生育期内逐旬的需水量，rl＝ur0，rh＝vr0，设该作物品种生育期内降水量 /需水量<u为轻旱，降水量/需水量>v为轻涝，所以定义u≤降水量/需水量≤v为降水适宜标准。
进一步，所述旬温度适宜度为各旬内日温度适宜度取均值；
所述播种-任意旬的温度和降水适宜度为：通过计算各个旬气温、降水适宜度与气象产量之间的相关系数的大小来确定各旬的权重系数大小，则各旬的温度和降水适宜度权重系数Ki如下式：
其中，Ri为各旬气候适宜度与气象产量的相关系数，n为播种至某一发育时间期间的旬数，则播种至某一旬的气候适宜度的表达式为：
其中，FI(c)i是播种至某一旬的气候适宜度，F(c)i、Ki分别是第i旬的温度或降水适宜度和权重系数；
所述播种至某旬的综合气候适宜度指数为该时间段内温度和降水适宜度相乘开平方。
根据本发明实施例的基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法，具有以下有益效果：
(1)在资料序列较短的情况下进行各气象站点的更准确的产量预测；
(2)趋势产量一般占总产的80％以上，利用调和权重法外推预报年的趋势产量，尤其是当近4年历史产量序列出现小幅波动时，这种外推预测准确性高于直接用回归方程的外推结果，从而在一定程度上提高了最终产量预测结果的准确性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供一种基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法，输入数据包括以下：
1、历史数据：日均温、日降雨量；作物产量、播种期。
2、作物生理参数：作物三基点温度、作物理论旬需水量。
3、当年数据：日均温、日降雨量；作物播种期。
一般来说，作物产量可分为3个部分，趋势产量、气象产量和随机“噪声”，即：
Y＝Yt+Yw+ε
Y为作物历年单产，Yt为趋势产量，Yw为气象产量，ε为随机“噪声”，略不计，因此简化为：Y＝Yt+Yw。
下面结合图1和图2对本发明实施例的基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法，进行详细说明。
步骤S1，获取历史产量数据，通过历史产量数据按照二次函数模拟历史趋势产量数据。
在步骤S1中，历史产量数据至少为4年产量数据。即，在4年资料序列情况下，结合二次曲线和调和权重法实现趋势产量的模拟和预测。
在本发明的一个实施例中，二次函数方程如下：
Yt＝ax2+bx+c
其中，x为时间序列，比如用1、2、3、4…依次代替2008、2009、2010、2011…，Yt为模拟历史趋势产量，实际产量Yt作为因变量，时间序列作为自变量，abc是二次函数的系数，在此文中无特殊含义，用实际产量和时间序列建立二次函数模拟方程，模拟历史趋势产量。
步骤S2，采用调和权重方式对趋势产量进行预测，调和权重是一种对趋势产量进行外延的算法，包括：计算历史趋势产量的增量，根据历史趋势产量的增量进一步计算历史趋势产量增量的调和平均值，然后根据上一年度的趋势产量和调和平均值，对当年的趋势产量进行预测。
具体的，计算历史趋势产量的增量：wt+1＝yt+1-yt，其中，yt为第t年的趋势产量，则wt+1为第t+1年趋势产量的增量。
计算历史趋势产量增量的调和平均值：其中，ct+1为调和权重系数，ct+1按下式计算：
………
显然，调和权重满足：ct+1>0；∑ct+1＝1。
计算趋势产量预测值：
步骤S3，提取历史气象产量，包括：从获取的历史产量数据中减去模拟历史趋势产量，分离得到历史气象产量。
步骤S4，获取历史气象数据和作物生理参数，得到历史综合气候适宜度指数，根据分离得到的历史气象产量和历史综合气候适宜度指数，建立回归方程，得到当年预测的气象产量。
在步骤S4中，获取历史气象数据和作物生理参数，得到历史综合气候适宜度指数，包括：
(1)计算气候适宜度，包括计算每日温度适宜度和旬降水适宜度；
每日温度适宜度为：
旬降水适宜度为：
其中，F(t)、F(r)分别为作物生长期逐日气温适宜度值、逐旬降水适宜度值，t为某日的日平均气温，tl、th、t0分别为作物某发育期所需的最低温度、最高温度和适宜温度，当t＝t0时，温度适宜度为1；当tl≤t≤th时，温度适宜度取值在0和1之间；当t＜ tl或t＞th时，温度适宜度为0，r为旬降水量，在计算时为当旬的降水量加上前期过量降水 (有效降水量大于作物需水量的部分)，r0为作物生育期内逐旬的需水量，rl＝ur0，rh＝vr0，设该作物品种生育期内降水量/需水量<u为轻旱，降水量/需水量>v为轻涝，所以定义u≤降水量/需水量≤v为降水适宜标准。
以玉米生育期内降水量/需水量<70％为轻旱，降水量/需水量>150％为轻涝，所以定义70％≤降水量/需水量≤150％为降水适宜标准，即rl＝0.7r0，rh＝1.5r0。
冬小麦生育期内降水量/需水量<60％为轻旱，降水量/需水量>150％为轻涝，所以定义60％≤降水量/需水量≤150％为降水适宜标准，即rl＝0.6r0，rh＝1.5r0。
(2)计算综合气候适宜度参数，包括：计算旬温度适宜度和播种-任意旬的温度和降水适宜度、播种至某旬的综合气候适宜度指数。
旬温度适宜度为各旬内日温度适宜度取均值；
播种-任意旬的温度和降水适宜度为：发育期内自播种开始至某一个时段，逐旬的适宜度的加权集成即构成了不同时段的适宜度指数。通过计算各个旬气温、降水适宜度与气象产量之间的相关系数的大小来确定各旬的权重系数大小，则各旬的温度和降水适宜度权重系数Ki如下式：
Ri为各旬气候(温度、降水)适宜度与气象产量的相关系数，n为播种至某一发育时间期间的旬数(不足一旬时，按一旬计算)。则播种至某一旬的气候(温度、降水)适宜度的表达式为：
其中，FI(c)i是播种至某一旬的气候(温度、降水)适宜度，F(c)i、Ki分别是第i旬的温度或降水适宜度和权重系数。
播种至某旬的综合气候适宜度指数为该时间段内温度和降水适宜度相乘开平方。
将最近4年的气象产量与对应年播种至某一旬综合气候适宜度指数建立回归方程，代入当年播种至某一旬综合气候适宜度指数，即得当年预测的气象产量。
步骤S5，将步骤S4的当年气象产量与步骤S3的趋势产量之和即为当年的预测产量，实现产量动态预报。例如，预测年气象产量可以随着玉米发育进程，在不同生育进程作出气象产量动态预测。
本发明实施例的基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法，可以实现以下功能：作物产量可分离为趋势产量和气象产量，通过二次函数模拟历史趋势产量，实际产量与趋势产量的差值为气象产量。对作物历年气象产量和播种至某一旬的综合气候适宜度进行回归分析，建立直线回归方程，将预测年播种至某一旬综合气候适宜度代入回归方程得出预报年的气象产量，预报年气象产量与通过调和权重法外推预报年的趋势产量之和即为预报年预测产量。利用播种至某一旬的综合适宜度与气象产量的回归方程可以建立各气象站站点从作物播种至任意旬止的产量动态预报模型。
根据本发明实施例的基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法，具有以下有益效果：
(1)在资料序列较短的情况下进行各气象站点的更准确的产量预测；
(2)趋势产量一般占总产的80％以上，利用调和权重法外推预报年的趋势产量，尤其是当近4年历史产量序列出现小幅波动时，这种外推预测准确性高于直接用回归方程的外推结果，从而在一定程度上提高了最终产量预测结果的准确性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。
Claims (7)
1.一种基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，获取历史产量数据，通过所述历史产量数据按照二次函数模拟历史趋势产量数据；
步骤S2，采用调和权重方式对趋势产量进行预测，包括：计算历史趋势产量的增量，根据历史趋势产量的增量进一步计算历史趋势产量增量的调和平均值，然后根据上一年度的趋势产量和调和平均值，对当年的趋势产量进行预测；
步骤S3，提取历史气象产量，包括：从获取的历史产量数据中减去模拟历史趋势产量，分离得到历史气象产量；
步骤S4，获取历史气象数据和作物生理参数，得到历史综合气候适宜度指数，根据分离得到的历史气象产量和历史综合气候适宜度指数，建立回归方程，得到当年预测的气象产量；
步骤S5，将步骤S4的当年气象产量与步骤S3的趋势产量之和即为当年的预测产量，实现产量动态预报。
2.如权利要求1所述的基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述历史产量数据至少为4年产量数据。
3.如权利要求1所述的基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，二次函数方程如下：
Yt＝ax2+bx+c
其中，x为时间序列，Yt为模拟历史趋势产量，实际产量Yt作为因变量，时间序列作为自变量，abc是二次函数的系数，用实际产量和时间序列建立二次函数模拟方程，模拟历史趋势产量。
4.如权利要求1所述的基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，
计算历史趋势产量的增量：wt+1＝yt+1-yt，其中，yt为第t年的趋势产量，则wt+1为第t+1年趋势产量的增量；
计算历史趋势产量增量的调和平均值：其中，ct+1为调和权重系数，调和权重满足：ct+1>0；∑ct+1＝1；
计算趋势产量预测值：
5.如权利要求1所述的基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述获取历史气象数据和作物生理参数，得到历史综合气候适宜度指数，包括：
(1)计算气候适宜度，包括计算每日温度适宜度和旬降水适宜度；
(2)计算综合气候适宜度参数，包括：计算旬温度适宜度和播种-任意旬的温度和降水适宜度、播种至某旬的综合气候适宜度指数。
6.如权利要求5所述的基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法，其特征在于，所述每日温度适宜度为：
所述旬降水适宜度为：
其中，F(t)、F(r)分别为作物生长期逐日气温适宜度值、逐旬降水适宜度值，t为某日的日平均气温，tl、th、t0分别为作物某发育期所需的最低温度、最高温度和适宜温度，当t＝t0时，温度适宜度为1；当tl≤t≤th时，温度适宜度取值在0和1之间；当t＜tl或t＞th时，温度适宜度为0，r为旬降水量，在计算时为当旬的降水量加上前期过量降水，r0为作物生育期内逐旬的需水量，rl＝ur0，rh＝vr0，设该作物品种生育期内降水量/需水量<u为轻旱，降水量/需水量>v为轻涝，所以定义u≤降水量/需水量≤v为降水适宜标准。
7.如权利要求5所述的基于趋势产量和气象产量的作物产量预测方法，其特征在于，所述旬温度适宜度为各旬内日温度适宜度取均值；
所述播种-任意旬的温度和降水适宜度为：通过计算各个旬气温、降水适宜度与气象产量之间的相关系数的大小来确定各旬的权重系数大小，则各旬的温度和降水适宜度权重系数Ki如下式：
其中，Ri为各旬气候适宜度与气象产量的相关系数，n为播种至某一发育时间期间的旬数，则播种至某一旬的气候适宜度的表达式为：
其中，FI(c)i是播种至某一旬的气候适宜度，F(c)i、Ki分别是第i旬的温度或降水适宜度和权重系数；
所述播种至某旬的综合气候适宜度指数为该时间段内温度和降水适宜度相乘开平方。
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