基于机器学习算法的青藏高原土壤湿度数据重建

发布时间：2020-06-06 16:57

【摘要】：土壤湿度在全球陆地表面能量、水分和物质交换中起重要作用,是水文、生态等多学科领域的重点研究对象。青藏高原地区土壤湿度监测站点较少,且空间分布不均、覆盖范围有限、监测时间不统一等问题,研究区复杂的地形条件又给观测结果带来很大的不确定性。近年来,基于卫星的微波遥感以其敏感、全天候、重复周期短的优点实现了对土壤湿度大面积的实时动态监测,为开展大尺度长时间序列的土壤湿度研究提供了便利。但是,由于卫星遥感土壤湿度数据容易受到无线电信号、植被信号、反演算法等因素的影响,导致遥感监测数据的缺失和空间不连续,从而限制了卫星遥感土壤湿度数据在大尺度、长时间序列分析中的应用。因此,遥感数据的重建及对重建数据的时序分析逐渐成为遥感应用领域一个新的研究热点。本研究以全球气候变化的敏感区青藏高原为研究区域,选择目前时间序列最长的欧洲宇航局(ESA)的CCI卫星土壤湿度数据产品(ESA-CCI-SM),基于土壤湿度与相关的地表环境变量因子的非线性关系,利用常用的4种机器学习算法对土壤湿度数据进行时空序列重建,并对不同机器学习算法的重建结果进行定量验证和对比分析,探讨不同机器学习算法的适用性。进而在重建数据的基础上,分析青藏高原土壤湿度的空间分布特征和变化趋势。论文的主要研究内容和研究结论如下:(1)2005-2014年重建前的青藏高原土壤湿度数据(ESA-CCI-SM)产品受扫描条带和反演算法的影响,获取的数据存在大量的缺失值。在生长季(5-10月)内,数据缺失主要发生在生长季初期和末期,即5月和10月。缺失的区域主要集中在青藏高原的西部即干旱、半干旱地区,数据的可用性较差。为提高青藏高原土壤湿度遥感监测数据的完备性,重建ESA-CCI-SM的时空序列数据是恢复数据质量的可用方法。(2)利用基于机器学习算法的数据重建原理,选取归一化植被指数NDVI、地表温度LST(day/night)、地表反照率Albedo(WSA/BSA)、地形DEM、土地覆被类型LUCC和经度、.纬度(lon/lat)等与土壤湿度有紧密的非线性关系的地表环境因子作为辅助变量,利用常用的随机森林(RF)、K最近邻(KNN)、贝叶斯(Bayes)和支持向量机(SVM)四种机器学习算法,建立数据样本集并进行训练,在构建好的训练模型的基础上对土壤湿度进行预测,结果表明机器学习算法可以有效模拟土壤湿度与相关辅助变量之间的关系并以此来预测土壤湿度。(3)在RF、KNN、Bayes和SVM4种算法对青藏高原2005-2014年土壤湿度数据进行时空序列重建的基础上,从原始数据、地面站点实测数据、ERA和ITPLDAS-SM三个不同角度对比分析各类算法的拟合优度。结果表明:因算法原理的不同,各类算法的重建结果存在较大的差异,总体上RF算法长时序数据重建的精度优于其他算法,并具有较好的空间可拓展性和稳定性,重建的结果能在填充缺失值的基础上较好的保留原始数据的真实值,并能反映土壤湿度的变化趋势。(4)选取重建精度较高的RF算法的预测结果作为土壤湿度分析的数据源,对青藏高原地区2005-2014年土壤湿度分布规律进行分析。结果表明:生长季土壤湿度多年平均值为0.21 m3 ·m-3,8月份达到生长季中的最大值(0.225m3 ·m-3),空间上整体呈现自西北向东南逐渐增加的趋势,北部的塔里木盆地,土壤湿度最低。2005-2014年间,土壤湿度整体呈现不显著的增加趋势(0.001 m3·m-3(10a)-1),其中5月份增加趋势最大,为0.027 m3·m-3(10a)-1。不同生态地理分区土壤湿度差异显著,土壤湿度最高的区域为VA6,土壤湿度的低值区位于HⅡD1、HⅡD2。由于植被覆盖度、土壤特性、地形等因素,不同生态地理分区土壤湿度对降水的响应也有所差异,其中土壤湿度与降水相关性最高的是HIBI区,也说明了高寒草甸具有良好的水源涵养功能,对于区域的水文循环具有重要的意义。
【图文】：

技术路线图,论文,技术路线,研究工作

第七章：结论与展望。总结论文的主要成果和结论，提出论文的创新点以及逡逑研究中存在的不足，并针对不足之处提出下一步研究工作的方向。逡逑本文的技术路线如图１－１所示：逡逑６逡逑

空间分布,位置图

川省西北部、甘肃省南部以及新疆、云南的部分地区。其平均海拔４０００ｍ以上，逡逑地势西北闻、东南低，是中国最大、世界海拔最局的局原，被称为“世界屋脊”逡逑和“地球第三极”（图２－１）。逡逑十逦Ｒｖ，，邋逦逦逦邋Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ（ｍ）逡逑Qi！：逡逑ｒ￣雀撈行ａｓ逦｜邋＊？逡逑图２－１青藏高原地区位置图逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｔｈｅ邋ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋Ｔｉｂｅｔａｎ邋Ｐｌａｔｅａｕ逡逑２．１．２自然地理概况逡逑青藏高原地区自然环境独特，在巨大的高原动力和热力作用下，气候具有辐逡逑射强、日照多、气候最冷、湿度最小、风速最大的特点。年平均气温在零下２．８°Ｃ逡逑到１１．９°Ｃ之间，空间上由东南向西北逐渐递减，多数地区的最暖月均温低于１５°Ｃ，逡逑气温日温差较大，年际变化小。与气温的空间分布相似，由于南部海洋暖湿气流逡逑受多重高山阻留，青藏高原降水量少，自东南向西北逐渐递减，降水主要集中在逡逑５－９月，季节性分配不均匀且空间差异较大。青藏高原由于海拔高且云量偏低，成逡逑９逡逑
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S152.71

【参考文献】