中國木本植物春季物候期的預(yù)測方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種中國木本植物春季物候期的預(yù)測方法和系統(tǒng)。所述方法包括以下步驟：將歷史木本植物的物候觀測數(shù)據(jù)及對應(yīng)地理位置的逐日平均氣溫導(dǎo)入到初始建立的物候模型中；對所述物候模型進(jìn)行參數(shù)擬合，以得到使物候模型的預(yù)測結(jié)果與物候觀測數(shù)據(jù)誤差最小的最優(yōu)參數(shù)組合；將待預(yù)測地理位置的任意逐日氣溫導(dǎo)入到以最優(yōu)參數(shù)組合建立的物候模型中；根據(jù)所述最優(yōu)參數(shù)組合建立的物候模型預(yù)測得到所述待預(yù)測地理位置在所述導(dǎo)入的氣溫下的木本植物物候期。上述中國木本植物春季物候期的預(yù)測方法和系統(tǒng)，通過參數(shù)化的物候模型對待預(yù)測地理位置的木本植物物候期進(jìn)行預(yù)測，得到的結(jié)果較為準(zhǔn)確，提高了預(yù)測的準(zhǔn)確性。
【專利說明】中國木本植物春季物候期的預(yù)測方法和系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及物候?qū)W領(lǐng)域，特別是涉及中國木本植物春季物候期的預(yù)測方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]物候?qū)W是研究自然界的植物(包括農(nóng)作物)、動(dòng)物和環(huán)境條件(氣候、水文、土壤條件)的周期變化之間相互關(guān)系的科學(xué)。它的目的是認(rèn)識自然季節(jié)現(xiàn)象變化的規(guī)律，以服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究。物候?qū)W的研究對象包括各種植物的發(fā)芽、展葉、開花、葉變色、落葉等；候鳥、昆蟲及其它動(dòng)物的遷移、始鳴、終鳴、始見、絕見等；也包括一些周期性發(fā)生的自然現(xiàn)象，如初雪、終雪、初霜、終霜、融冰及河湖的封凍、融化、流凌等。
[0003]物候作為指示氣候與自然環(huán)境變化的綜合指標(biāo)，不但能直觀地指示自然季節(jié)的變化，而且還能表現(xiàn)出動(dòng)植物生命現(xiàn)象對自然環(huán)境變化的響應(yīng)和適應(yīng)過程。這種響應(yīng)的時(shí)間序列，對于揭示全球環(huán)境變化具有重要意義。它不僅反映了當(dāng)年、當(dāng)?shù)氐臍夂蚝铜h(huán)境狀態(tài)，也反映了氣候和環(huán)境變化在此前相當(dāng)長一段時(shí)間的累加效應(yīng)。在揭示環(huán)境變化的狀態(tài)和反映環(huán)境變化的趨勢兩方面都具有重要的指示作用。因此，無論科學(xué)如何發(fā)展，氣象儀器如何改進(jìn)，生物物候現(xiàn)象仍然是全球變化最敏感、最精確的指示體。物候已經(jīng)成為全球變暖的“診斷指紋”，在氣候變化研究中，將發(fā)揮越來越大的作用。
[0004]物候模型是物候?qū)W研究的一個(gè)重要方面。利用物候模型預(yù)測植物物候是物候?qū)W的一個(gè)基礎(chǔ)問題。準(zhǔn)確地預(yù)測物候有以下作用:
[0005](I)增強(qiáng)對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和氣體交換預(yù)測的準(zhǔn)確性，因而能更準(zhǔn)確的預(yù)測未來的氣候變化；
[0006](2)在多個(gè)物種相關(guān)聯(lián)的生態(tài)群落中更好的掌握不同種群的動(dòng)態(tài)；
[0007](3)幫助農(nóng)業(yè)和林業(yè)的管理者選取更適應(yīng)于未來氣候變化的植物種；
[0008](4)掌握不同觀賞植物物候期的具體時(shí)間，為季節(jié)性的旅游活動(dòng)，例如桃花節(jié)、牡丹節(jié)，芍藥節(jié)等提供指導(dǎo)。
[0009]目前，國內(nèi)外常見的物候模型分為三種類型:理論模型，統(tǒng)計(jì)模型和過程模型。理論模型主要是通過權(quán)衡葉片生產(chǎn)的成本-收益以優(yōu)化資源的獲取。理論模型的設(shè)計(jì)是用來說明樹木葉壽命策略的進(jìn)化過程，而不是植物物候的年際變化。統(tǒng)計(jì)模型主要是建立物候期與氣候因子的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，但是缺少機(jī)理性的解釋。過程模型通常通過假設(shè)生物過程和環(huán)境因子之間的因果關(guān)系來推測物候期，屬于一種半機(jī)理性的模型，在一定程度上反映了植物物候變化的生理生態(tài)學(xué)機(jī)制。過程模型最初只考慮靜止期(quiescence)，即休眠期(dormancy)打破后，芽的發(fā)育受外界因子(通常是氣溫)驅(qū)動(dòng)的時(shí)期。春暖(SpringWarming)模型就是只考慮靜止期的典型例子。實(shí)驗(yàn)表明，休眠期是木本植物適應(yīng)寒冷氣候的一個(gè)重要特征，是植物發(fā)育的一個(gè)重要階段，因而在后來的物候模型構(gòu)建時(shí)，很多模型均已考慮到植物休眠過程。
[0010]目前物候模型研究領(lǐng)域，尚沒有在中國推廣使用的物候模型，并且已有的物候模型亦沒有評估過預(yù)測的準(zhǔn)確性，不一定能準(zhǔn)確地預(yù)測中國木本植物的物候期。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]基于此，有必要提供一種能提高預(yù)測準(zhǔn)確性的中國木本植物春季物候期的預(yù)測方法。
[0012]此外，還有必要提供一種能提高預(yù)測準(zhǔn)確性的中國木本植物春季物候期的預(yù)測系統(tǒng)。
[0013]一種中國木本植物春季物候期的預(yù)測方法，包括以下步驟:
[0014]將歷史木本植物的物候觀測數(shù)據(jù)及對應(yīng)地理位置的逐日平均氣溫導(dǎo)入到初始建立的物候模型中；
[0015]對所述物候模型進(jìn)行參數(shù)擬合，以得到使物候模型的預(yù)測結(jié)果與物候觀測數(shù)據(jù)誤差最小的最優(yōu)參數(shù)組合；
[0016]將待預(yù)測地理位置的任意逐日氣溫導(dǎo)入到以最優(yōu)參數(shù)組合建立的物候模型中；
[0017]根據(jù)所述最優(yōu)參數(shù)組合建立的物候模型預(yù)測得到所述待預(yù)測地理位置在所述導(dǎo)入的氣溫下的木本植物的物候期。
[0018]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述初始建立的初始物候模型公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種中國木本植物春季物候期的預(yù)測方法，包括以下步驟: 將歷史木本植物的物候觀測數(shù)據(jù)及對應(yīng)地理位置的逐日平均氣溫導(dǎo)入到初始建立的物候模型中； 對所述物候模型進(jìn)行參數(shù)擬合，以得到使物候模型的預(yù)測結(jié)果與物候觀測數(shù)據(jù)誤差最小的最優(yōu)參數(shù)組合； 將待預(yù)測地理位置的任意逐日氣溫導(dǎo)入到以最優(yōu)參數(shù)組合建立的物候模型中； 根據(jù)所述最優(yōu)參數(shù)組合建立的物候模型預(yù)測得到所述待預(yù)測地理位置在所述導(dǎo)入的氣溫下的木本植物物候期。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中國木本植物春季物候期的預(yù)測方法，其特征在于，所述初始建立的初始物候模型公式為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中國木本植物春季物候期的預(yù)測方法，其特征在于，所述對所述物候模型進(jìn)行參數(shù)擬合，得到以使物候模型的預(yù)測結(jié)果與物候觀測數(shù)據(jù)誤差最小的最優(yōu)參數(shù)組合的步驟為: 采用模擬退火算法對所述物候模型進(jìn)行參數(shù)擬合，得到以使物候模型的預(yù)測結(jié)果與物候觀測數(shù)據(jù)誤差最小的最優(yōu)參數(shù)組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的中國木本植物春季物候期的預(yù)測方法，其特征在于，所述采用模擬退火算法對所述物候模型進(jìn)行參數(shù)擬合，得到以使物候模型的預(yù)測結(jié)果與物候觀測數(shù)據(jù)誤差最小的最優(yōu)參數(shù)組合的步驟包括: 初始化退火算法參數(shù)，設(shè)定初始溫度、當(dāng)前溫度、終止溫度、物候模型的參數(shù)組合初始值、退火速率及每個(gè)溫度值的迭代次數(shù)； 將參數(shù)組合初始值增加一個(gè)隨機(jī)量，計(jì)算參數(shù)組合初始值時(shí)建立的物候模型預(yù)測出的物候期與歷史物候觀測數(shù)據(jù)的均方根誤差，計(jì)算參數(shù)組合初始值增加隨機(jī)量后形成的新參數(shù)組合時(shí)建立的物候模型預(yù)測出的物候期與歷史物候觀測數(shù)據(jù)的均方根誤差，以及計(jì)算新參數(shù)組合時(shí)得到的均方根誤差減去參數(shù)組合初始值得到的均方根誤差得到增量； 當(dāng)增量小于零時(shí)，以新參數(shù)組合作為當(dāng)前參數(shù)組合，當(dāng)增量大于或等于零時(shí)，以e的負(fù)的所述增量與當(dāng)前溫度比值的次方將新參數(shù)組合作為當(dāng)前參數(shù)組合，e為自然對數(shù)； 通過迭代直到當(dāng)前溫度小于終止溫度，將當(dāng)前參數(shù)組合作為以使物候模型的預(yù)測結(jié)果與物候觀測數(shù)據(jù)誤差最小的最優(yōu)的參數(shù)組合； 然后將當(dāng)前溫度乘以退火速率得到新的當(dāng)前溫度，進(jìn)行新的當(dāng)前溫度的迭代計(jì)算。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中國木本植物春季物候期的預(yù)測方法，其特征在于，在所述對所述物候模型進(jìn)行參數(shù)擬合，得到以使物候模型的預(yù)測結(jié)果與物候觀測數(shù)據(jù)誤差最小的最優(yōu)參數(shù)組合的步驟之后，還包括步驟: 對物候模型的參數(shù)組合進(jìn)行檢驗(yàn)，且以物候模型預(yù)測值與物候觀測值的均方根誤差進(jìn)行檢驗(yàn)。
6.一種中國木本植物春季物候期的預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，包括: 調(diào)用模塊，用于將歷史木本植物的物候觀測數(shù)據(jù)及對應(yīng)地理位置的逐日平均氣溫導(dǎo)入到初始建立的物候模型中； 參數(shù)擬合模塊，用于對所述物候模型進(jìn)行參數(shù)擬合，以得到使物候模型的預(yù)測結(jié)果與物候觀測數(shù)據(jù)誤差最小的最優(yōu)參數(shù)組合； 所述調(diào)用模塊還用于將待預(yù)測地理位置的任意逐日氣溫導(dǎo)入到以最優(yōu)參數(shù)組合建立的物候模型中； 預(yù)測模塊，用于根據(jù)所述最優(yōu)參數(shù)組合建立的物候模型預(yù)測得到所述待預(yù)測地理位置在所述導(dǎo)入的氣溫下的木本植物物候期。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的中國木本植物春季物候期的預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，所述初始建立的初始物候模型公式為:

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的中國木本植物春季物候期的預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，所述參數(shù)擬合模塊還用于采用模擬退火算法對所述物候模型進(jìn)行參數(shù)擬合，以得到使物候模型的預(yù)測結(jié)果與物候觀測數(shù)據(jù)誤差最小的最優(yōu)參數(shù)組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的中國木本植物春季物候期的預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，所述參數(shù)擬合模塊包括:初始化模塊，用于初始化退火算法參數(shù)，設(shè)定初始溫度、當(dāng)前溫度、終止溫度、物候模型的參數(shù)組合初始值、退火速率及每個(gè)溫度值的迭代次數(shù)； 增量計(jì)算模塊，用于將參數(shù)組合初始值增加一個(gè)隨機(jī)量，計(jì)算參數(shù)組合初始值時(shí)建立的物候模型預(yù)測出的物候期與歷史物候觀測數(shù)據(jù)的均方根誤差，計(jì)算參數(shù)組合初始值增加隨機(jī)量后形成的新參數(shù)組合時(shí)建立的物候模型預(yù)測出的物候期與歷史物候觀測數(shù)據(jù)的均方根誤差，以及計(jì)算新參數(shù)組合時(shí)得到的均方根誤差減去參數(shù)組合初始值得到的均方根誤差得到增量； 賦值模塊，用于當(dāng)增量小于零時(shí)，以新參數(shù)組合作為當(dāng)前參數(shù)組合，當(dāng)增量大于或等于零時(shí)，以e的負(fù)的所述增量與當(dāng)前溫度比值的次方將新參數(shù)組合作為當(dāng)前參數(shù)組合，e為自然對數(shù)； 參數(shù)輸出模塊，用于通過迭代直到當(dāng)前溫度小于終止溫度，將當(dāng)前參數(shù)組合作為以使物候模型的預(yù)測結(jié)果與物候觀測數(shù)據(jù)誤差最小的最優(yōu)參數(shù)組合； 迭代模塊，用于將當(dāng)前溫度乘以退火速率得到新的當(dāng)前溫度，進(jìn)行新的當(dāng)前溫度的迭代計(jì)算。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的中國木本植物春季物候期的預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括: 參數(shù)檢驗(yàn)?zāi)K，用于對物候模型的參數(shù)組合進(jìn)行檢驗(yàn)，且以物候模型預(yù)測值與物候觀測值的均方根誤差進(jìn)行檢驗(yàn)。
【文檔編號】G06Q10/04GK103927587SQ201310008173
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月10日
【發(fā)明者】葛全勝, 戴君虎, 鄭景云, 王煥炯, 徐瓊瑤, 仲舒穎 申請人:中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所