一种基于多源卫星遥感数据土壤热通量预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多源卫星遥感数据土壤热通量预测方法，包括以下步骤：首先提出了土壤热指数公式，为无资料地区土壤热通量的评估提供参考，对于有实测资料的测站，采用流行的机器学习方法进行模拟，基于随机森林筛选的模型输入特征值，分别建立了极限学习机模型和贝叶斯优化的随机森林回归模型估算土壤热通量，最后利用GBDT梯度提升树方法，对上述经验指数模型和机器学习模型进行动态组合，建立最优土壤热通量预测模型，该方法计算精度更高，具有现实意义。该方法要优于传统的利用公式推算土壤热通量的结果，提高了利用能量守恒模型反演蒸散发的精度。模型反演蒸散发的精度。模型反演蒸散发的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多源卫星遥感数据土壤热通量预测方法


[0001]本专利技术属于地球系统圈层领域，具体为一种基于多源卫星遥感数据土壤热通量预测方法。

技术介绍

[0002]土壤热通量作为表征地表和深层土壤能量传输状况的特征量，是地表热量平衡的重要组成部分，其大小以及正负转变直接决定土壤热量的收支，控制土壤水分的蒸发和呼吸，并影响植物根系的生长和呼吸以及对营养物质和水分的吸收。土壤的热力学特性影响地表和大气间的物质和能量交换，对地球大气边界层物理过程、大气环流和区域气候产生重要影响。作为重要的热力学指标，它是能量守恒模型和陆面模式中重要的输入量。因此准确有效的测量土壤热通量可以大大提高陆气间能量平衡的闭合率，更好的反映地表能量交换的过程，对于城市而言，土壤热通量的估算有助于了解城市热环境的变化过程以及地表热特性，进而为缓解城市“热堆积”提供新思路。
[0003]土壤热通量的获得主要分为观测和计算两种，观测的方法主要是利用土壤热流板进行数据观测，结合土壤热储存量的计算方法计算地表热通量。尽管这种方法可以较为精确的获得数据，但由于只能对单点数据进行观测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多源卫星遥感数据土壤热通量预测方法，其特征在于:针对包括有实测土壤热通量资料的地区的目标区域，基于目标区域对应的多源卫星遥感数据与再分析数据集，执行以下步骤，实现对目标区域日土壤热通量的预测：步骤A：基于目标区域对应的多源卫星遥感数据与再分析数据集，计算目标区域内有实测土壤热通量资料的地区对应的高时空分辨率短波辐射、高时空分辨率长波辐射，结合能量守恒原理，得到该地区对应的净辐射通量；基于该地区对应的净辐射通量，结合地表温度日变化的正弦模型，得到该地区对应的瞬时净辐射通量，进而得到该地区对应的日平均地表净辐射通量；步骤B：基于土壤热通量与日平均地表净辐射通量、日平均土壤温度、植被指数之间的线性关系，得到一种用于衡量土壤热通量的土壤热指数公式；步骤C：针对有实测土壤热通量资料的地区，基于该地区对应的多源卫星遥感数据与再分析数据集，采集与该地区日平均地表净辐射通量相同时间序列的区域特征数据、以及该地区对应的区域实测日土壤热通量，构成该地区的区域特征数据集；针对该地区的区域特征数据集，以该地区的区域特征数据为输入，该地区的区域日土壤热通量为输出，对随机森林网络进行训练，得到随机森林回归模型；基于随机森林回归模型，结合多折交叉验证方法，对该地区的区域特征数据进行筛选，更新该地区区域特征数据集中的区域特征数据；步骤D：针对有实测土壤热通量资料的地区，基于该地区的区域特征数据集，以该地区的区域特征数据为输入，该地区的区域日土壤热通量为输出，对极限学习机网络进行训练，得到极限学习机回归模型；步骤E：针对有实测土壤热通量资料的地区，基于该地区的区域特征数据集，以该地区的区域特征数据为输入，日土壤热通量为输出，结合贝叶斯优化参数方法，对随机森林网络进行训练，得到优化的随机森林回归模型；步骤F：基于一种用于衡量土壤热通量的土壤热指数公式，以及针对有实测土壤热通量资料的地区的极限学习机模型、优化的随机森林回归模型，采用集成学习的方法，将土壤热指数公式、极限学习机模型、优化的随机森林回归模型进行动态组合，建立最优的土壤热通量评估方程，得到土壤热通量预测模型，实现对目标区域日土壤热通量的预测。2.根据权利要求1所述的一种基于多源卫星遥感数据土壤热通量预测方法，其特征在于：所述步骤A的具体过程包括：步骤A1，基于目标区域对应的多源卫星遥感数据与再分析数据集，计算目标区域内有实测土壤热通量资料的地区对应的高时空分辨率向下短波辐射和向上短波辐射和向上短波辐射和向上短波辐射式中,S0为大气层顶的太阳常数；为太阳天顶角参数；e0为地表水气压；ω为经验系数；α
T
为地表真实反照率；步骤A2，基于目标区域对应的多源卫星遥感数据与再分析数据集，利用斯特藩
‑
玻尔兹曼定律计算目标区域内有实测土壤热通量资料的地区对应的高时空分辨率向上长波辐射
和向下长波辐射和向下长波辐射和向下长波辐射式中，T
a
为空气温度，T
s
为地表温度，ε
a
为空气发射率，ε
s
为地表发射率；σ表示斯特藩
‑
玻尔兹曼常数步骤A3，针对目标区域内有实测土壤热通量资料的地区对应的高时空分辨率向下短波辐射向上短波辐射向上长波辐射和向下长波辐射基于能量守恒原理，得到该地区对应的净辐射通量R
n
；步骤A4，基于该地区对应的净辐射通量，结合地表温度日变化的正弦模型，得到该地区对应的瞬时净辐射通量，进而得到该地区对应的日平均地表净辐射通量R
day
；；式中，t
ovp
为卫星过境时刻，R
n
(t
ovp
)为卫星过境时刻的净辐射通量；t为一天内任意时刻,Rn(t)为一天内任意时刻的瞬时净辐射通量；t
rise
为该地区的日出的时刻，t
set
为该地区的日落的时刻。3.根据权利要求1所述的一种基于多源卫星遥感数据土壤热通量预测方法，其特征在于：所述步骤B中，基于土壤热通量与日平均地表净辐射通量、日平均土壤温度、植被指数之间的线性关系，得到一种用于衡量土壤热通量的土壤热指数公式；该公式如下：SI＝0.12*R
day
+0.583*T
s
‑
40.487*MSAVI
‑
4.97式中，MSAVI为土壤调整植被指数，ρ
NIR
为卫星传感器的近红外波段，ρ
RED
为卫星传感器的红波段，SI为土壤热指数，T

【专利技术属性】
技术研发人员：刘林鑫，张珂，晁丽君，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：