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Extracting Soil Moisture from Fengyun-3D Medium Resolution Spectral Imager-Ⅱ Imagery by Using a Deep Belief Network 被引量:2
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作者 Wenwen WANG Chengming ZHANG +3 位作者 Feng LI Jiaojie SONG Peiqi LI Yuhua ZHANG 《Journal of Meteorological Research》 SCIE CSCD 2020年第4期748-759,共12页
Obtaining continuous and high-quality soil moisture(SM) data is important in scientific research and applications,especially for agriculture, meteorology, and environmental monitoring. With the continuously increasing... Obtaining continuous and high-quality soil moisture(SM) data is important in scientific research and applications,especially for agriculture, meteorology, and environmental monitoring. With the continuously increasing number of artificial satellites in China, the acquisition of SM data from remote sensing images has received increasing attention.In this study, we constructed an SM inversion model by using a deep belief network(DBN) to extract SM data from Fengyun-3 D(FY-3 D) Medium Resolution Spectral Imager-Ⅱ(MERSI-Ⅱ) imagery;we named this model SM-DBN.The SM-DBN consists of two subnetworks: one for temperature and the other for SM. In the temperature subnetwork, bands 1, 2, 3, 4, 24, and 25 of the FY-3 D MERSI-Ⅱ imagery, which are relevant to temperature, were used as inputs while land surface temperatures(LST) obtained from ground stations were used as the expected output value when training the model. In the SM subnetwork, the input data included LSTs generated from the temperature subnetwork, normalized difference vegetation index(NDVI), and enhanced vegetation index(EVI);and the SM data obtained from ground stations were used as the expected outputs. We selected the Ningxia Hui Autonomous Region of China as the study area and used selected MERSI-Ⅱ images and in-situ observation station data from 2018 to 2019 to develop our dataset. The results of the SM-DBN were validated by using in-situ SM data as a reference, and its performance was also compared with those of the linear regression(LR) and back propagation(BP) neural network models. The overall accuracy of these models was measured by using the root mean square error(RMSE) of the differences between the model results and in-situ SM observation data. The RMSE of the LR, BP neural network, and SM-DBN models were 0.101, 0.083, and 0.032, respectively. These results suggest that the SM-DBN model significantly outperformed the other two models. 展开更多
关键词 deep learning deep belief network(DBN) Fengyun-3D(FY-3D) Medium Resolution Spectral Imager-Ⅱ(MERSI-Ⅱ)Imagery data fitting soil moisture(sm) Ningxia
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A Cloud Framework for High Spatial Resolution Soil Moisture Mapping from Radar and Optical Satellite Imageries
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作者 GUO Tianhao ZHENG Jia +8 位作者 WANG Chunmei TAO Zui ZHENG Xingming WANG Qi LI Lei FENG Zhuangzhuang WANG Xigang LI Xinbiao KE Liwei 《Chinese Geographical Science》 SCIE CSCD 2023年第4期649-663,共15页
Soil moisture plays an important role in crop yield estimation,irrigation management,etc.Remote sensing technology has potential for large-scale and high spatial soil moisture mapping.However,offline remote sensing da... Soil moisture plays an important role in crop yield estimation,irrigation management,etc.Remote sensing technology has potential for large-scale and high spatial soil moisture mapping.However,offline remote sensing data processing is time-consuming and resource-intensive,and significantly hampers the efficiency and timeliness of soil moisture mapping.Due to the high-speed computing capabilities of remote sensing cloud platforms,a High Spatial Resolution Soil Moisture Estimation Framework(HSRSMEF)based on the Google Earth Engine(GEE)platform was developed in this study.The functions of the HSRSMEF include research area and input datasets customization,radar speckle noise filtering,optical-radar image spatio-temporal matching,soil moisture retrieving,soil moisture visualization and exporting.This paper tested the performance of HSRSMEF by combining Sentinel-1,Sentinel-2 images and insitu soil moisture data in the central farmland area of Jilin Province,China.Reconstructed Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)based on the Savitzky-Golay algorithm conforms to the crop growth cycle,and its correlation with the original NDVI is about 0.99(P<0.001).The soil moisture accuracy of the random forest model(R 2=0.942,RMSE=0.013 m3/m3)is better than that of the water cloud model(R 2=0.334,RMSE=0.091 m3/m3).HSRSMEF transfers time-consuming offline operations to cloud computing platforms,achieving rapid and simplified high spatial resolution soil moisture mapping. 展开更多
关键词 soil moisture(sm) Google Earth Engine(GEE) Cloud Computing Platform High Spatial Resolution Soil moisture Estimation Framework(HSRsmEF) remote sensing Sentienl-1 Sentinel-2 Northeast China
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A Diagnostic Study of the Influence of Early Spring Soil Moisture in Southeastern China on Interannual Variability of the East Asian Subtropical Summer Monsoon Onset
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作者 Zifan NING Renhe ZHANG 《Journal of Meteorological Research》 SCIE CSCD 2023年第1期45-57,共13页
The effect of soil moisture(SM)on the onset of East Asian subtropical summer monsoon(EASSM)is investigated based on multiple sets of reanalysis data in the period of 1981–2010.It is found that the EASSM is characteri... The effect of soil moisture(SM)on the onset of East Asian subtropical summer monsoon(EASSM)is investigated based on multiple sets of reanalysis data in the period of 1981–2010.It is found that the EASSM is characterized by persistent 2-m s^(−1) southerly winds for about 3 months in spring at 850 hPa over the subtropical region of East Asia.Considering this feature of the meridional winds,we define the EASSM onset date,and obtain that the climatological onset date is pentad 17.7,around 26 March.On the interannual timescale,the onset date of EASSM exhibits statistically significant correlation with the SM in southeastern China in the month preceding the onset,with wetter(drier)conditions being associated with later(earlier)onset.The physical process by which the preceding SM affects the EASSM onset is further explored by examining the surface energy balance as well as its impacts.Positive(negative)SM anomalies in southeastern China in the month before onset may induce negative(positive)surface temperature anomalies.The decreased(increased)surface temperature in southeastern China before the EASSM onset weakens(strengthens)the zonal sea–land thermal contrast in the surface and low-level atmosphere in the subtropical East Asia.The zonal sea–land thermal contrast in wetter(drier)years induces anomalous northerly(southerly)winds over southeastern China,which tends to delay(advance)the zonal thermal seasonal transition in spring and is conducive to a later(earlier)onset of EASSM.These results are helpful for understanding and prediction of the variability of EASSM and the EASSM onset. 展开更多
关键词 soil moisture(sm) East Asian subtropical summer monsoon(EASsm) sea-land thermal contrast ONSET
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利用OSC算法消除土壤含水量变化对Vis-NIR光谱估算有机质的影响 被引量:6
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作者 洪永胜 于雷 +5 位作者 朱亚星 李思缔 郭力 刘家胜 聂艳 周勇 《中国农业科学》 CAS CSCD 北大核心 2017年第19期3766-3777,共12页
【目的】快速、准确地监测土壤有机质对于精准农业的发展具有重要意义。可见光-近红外(visible and near-infrared,Vis-NIR)光谱技术在土壤属性估算、数字化土壤制图等方面应用较为广泛,然而,在田间进行光谱测量,易受土壤含水量(soil mo... 【目的】快速、准确地监测土壤有机质对于精准农业的发展具有重要意义。可见光-近红外(visible and near-infrared,Vis-NIR)光谱技术在土壤属性估算、数字化土壤制图等方面应用较为广泛,然而,在田间进行光谱测量,易受土壤含水量(soil moisture,SM)、温度、土壤表面状况等因素的影响,导致光谱信息中包含大量干扰信息,其中,SM变化是影响光谱观测结果最为显著的因素之一。此研究的目的是探讨OSC算法消除其影响,提升Vis-NIR光谱定量估算土壤有机质(soil organic matter,SOM)的精度。【方法】以江汉平原公安县和潜江市为研究区域,采集217份耕层(0—20 cm)土壤样本,进行风干、研磨、过筛等处理,采用重铬酸钾-外加热法测定SOM;将总体样本划分为3个互不重叠的样本集:建模集S^0(122个样本)、训练集S^1(60个样本)、验证集S^2(35个样本);设计SM梯度试验(梯度间隔为4%),在实验室内获取S^1和S^2样本集的9个梯度SM(0%—32%)的土壤光谱数据;分析SM对土壤Vis-NIR光谱反射率的影响,采用外部参数正交化算法(external parameter orthogonalization,EPO)、正交信号校正算法(orthogonal signal correction,OSC)消除SM对土壤光谱的干扰;利用主成分分析(principal component analysis,PCA)的前两个主成分得分和光谱相关系数两种方法检验消除SM干扰前、后的效果;基于偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)方法建立EPO和OSC处理前、后的SOM估算模型,利用决定系数(coefficient of determination,R^2)、均方根误差(root mean square error,RMSE)和RPD(the ratio of prediction to deviation)3个指标比较PLSR、EPO-PLSR、OSC-PLSR模型的性能。【结果】土壤Vis-NIR光谱受SM的影响十分明显,随着SM的增加,土壤光谱反射率呈非线性降低趋势。OSC处理前的湿土光谱数据主成分得分散点相对分散,与干土光谱数据主成分得分空间的位置不重叠,不同SM梯度之间的光谱相关� 展开更多
关键词 Vis-NIR光谱 土壤有机质 土壤含水量 正交信号校正 偏最小二乘回归 江汉平原
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基于空间权重分解的降尺度土壤水分产品的中国土壤水分时空格局研究 被引量:5
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作者 孟祥金 毛克彪 +3 位作者 孟飞 师春香 赵冰 袁紫晋 《高技术通讯》 EI CAS 北大核心 2019年第4期402-412,共11页
为应对微波遥感监测土壤水分(SM)空间分辨率相对较粗(10~50 km)的问题,本文结合微波遥感在大尺度监测方面的优势和温度-植被干旱指数对局部土壤水分的表现力,利用TVDI与土壤水分负相关关系,建立了基于温度植被干旱指数(TVDI)的空间权... 为应对微波遥感监测土壤水分(SM)空间分辨率相对较粗(10~50 km)的问题,本文结合微波遥感在大尺度监测方面的优势和温度-植被干旱指数对局部土壤水分的表现力,利用TVDI与土壤水分负相关关系,建立了基于温度植被干旱指数(TVDI)的空间权重分解模型,将AMSR-E、SMOS、AMSR2微波遥感土壤水分数据空间分辨率从25 km、10 km降尺度到1 km。地面气象站实测土壤水分的验证结果表明,与传统干旱指数反演和微波直接反演的土壤水分数据相比,该产品在研究时序内具有较高的精度(RMSE=0.10 m^3/m^3,MAE=0.08 m^3/m^3,Bias=0.05 m^3/m^3,R=0.93)。利用该产品研究分析了2002-2016年中国土壤水分的时空变化规律。结果发现:中国土壤水分在近15年整体呈现周期性震荡变化,并呈现下降趋势(b=-0.167,R=0.750,P=0.05)。中国华北季风区和华南季风区的江淮一带,长江三角洲地区以及环渤海区呈现快速下降趋势;而青藏高寒区北部西北干旱区南部地区却有显著上升趋势,总的可以归纳为"南湿北干,西增东减"。这意味着中国地区的土壤含水量目前处于一个小的减少周期,并且在未来几年中国会面临干旱加剧的风险(特别是夏季的东南季风区和华北季风区)。从不同季节看,春季到冬季土壤水分发生了显著变化,土壤水分的季节变化主要受地球降水的影响;而在西北干旱区逐年递增的降水使得该区域的土壤水分呈现某种上升的态势,这将有效缓解西北干旱地区的干旱灾害。 展开更多
关键词 土壤水分(sm) 降尺度 时空分布 中国 温度植被干旱指数(TVDI)
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基于人工智能算法的CYGNSS数据土壤水分反演 被引量:4
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作者 贾燕 金双根 +1 位作者 严清赟 郭献涛 《南京信息工程大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2021年第6期645-652,共8页
"利用CYGNSS数据估计地表土壤水分(SM)近年来获得了极大的关注,但效率和精度有待进一步提升.本文提出了一种预分类策略,结合人工智能算法(AI),利用CYGNSS数据预测土壤水分.此策略能够在人工智能算法的基础上进一步提高土壤水分预... "利用CYGNSS数据估计地表土壤水分(SM)近年来获得了极大的关注,但效率和精度有待进一步提升.本文提出了一种预分类策略,结合人工智能算法(AI),利用CYGNSS数据预测土壤水分.此策略能够在人工智能算法的基础上进一步提高土壤水分预测的精确度,具有较好的普适性和易用性.本文使用了2018年全年中国地区的实地土壤水分数据作为地面真实参考数据进行建模以及预测.结果证实预测土壤水分与参考真实数据具有良好的一致性.基于CYGNSS数据预测的土壤水分与实地土壤水分参考数据比对,其相关系数高达0.8,平均均方根误差(RMSE)和平均无偏均方根误差(ubRMSE)分别为0.059 cm^(3)/cm^(3)和0.050 cm^(3)/cm^(3).研究结果表明,预分类策略的人工智能算法可明显提高CYGNSS预测土壤水分的精确度,其简单易操作性也使其可广泛应用于其他回归和预测研究领域,具有较好的泛化性和拓展性. 展开更多
关键词 全球导航卫星系统反射测量法 土壤水分 CYGNSS 人工智能
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华南暴雨及中尺度对流系统发展对土壤湿度的敏感性 被引量:3
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作者 蒙伟光 张艳霞 +3 位作者 李江南 戴光丰 李昊睿 黄燕燕 《热带气象学报》 CSCD 北大核心 2012年第5期633-645,共13页
采用WRF及其耦合的Noah LSM陆面过程模式,通过对发生在2009年3月28日(个例1)和2010年5月6日(个例2)两次暴雨过程的24 h模拟,研究了华南暴雨及中尺度对流系统(MCS)发展对初始土壤湿度(SM)的敏感性问题。首先采用源自NCEP-FNL和NASA-GLDA... 采用WRF及其耦合的Noah LSM陆面过程模式,通过对发生在2009年3月28日(个例1)和2010年5月6日(个例2)两次暴雨过程的24 h模拟,研究了华南暴雨及中尺度对流系统(MCS)发展对初始土壤湿度(SM)的敏感性问题。首先采用源自NCEP-FNL和NASA-GLDAS的两种不同SM资料驱动模式进行对比试验,在此基础上,以NASA-GLDAS资料模拟结果为控制试验,通过不同程度(20%、60%)增减初始SM开展多个敏感性试验。对比试验分析表明,两种资料应用对24 h累积降水分布的模拟结果影响不大,但某种程度上可影响降水量的大小。预报技巧评分结果表明,采用NASA-GLDAS SM资料进行模拟得到的结果比采用NCEP-FNL SM资料的模拟结果有所改进,尤其是50 mm以上的暴雨预报,TS评分最大可提高5%。敏感性试验分析发现,两次暴雨过程降水与SM之间主要呈正反馈作用,但其表现出的特征不完全相同。暴雨过程中MCS的组织发展形式对SM与降水之间的反馈作用有影响,具有午后局地降水性质、对流组织性发展较弱的个例1,SM增大仅引起微弱的降水增多,SM减少则明显导致降水强度减弱,降水对SM的减少更为敏感;而具有持续降水性质、对流组织性发展较强的个例2,降水对SM的增大更为敏感,SM增大可带来更明显的降水增多。此外还发现,对流系统不同发展阶段的这种反馈作用也存在差异,MCS组织性发展较弱的个例,强的反馈作用主要出现在对流发展初期阶段,而MCS组织性发展较好的个例,强的反馈作用则主要出现在对流系统发展后期。 展开更多
关键词 土壤湿度(sm) 华南暴雨 中尺度对流系统(MCS) 数值模拟
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基于SMOS数据的三江源土壤水分时空变化 被引量:3
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作者 王生春 魏加华 +1 位作者 万佳华 乔禛 《南水北调与水利科技》 CAS 北大核心 2019年第6期20-27,共8页
基于SMOS卫星和GNSS-MET地面土壤水分监测数据,采用皮尔逊相关、滑动平均、反距离权重法等方法,评估SMOS土壤水分数据在三江源地区的适用性,分析土壤水分的变化特征及其影响因素。结果表明:(1)SMOS土壤水分数据能反应研究区(4月-10月)... 基于SMOS卫星和GNSS-MET地面土壤水分监测数据,采用皮尔逊相关、滑动平均、反距离权重法等方法,评估SMOS土壤水分数据在三江源地区的适用性,分析土壤水分的变化特征及其影响因素。结果表明:(1)SMOS土壤水分数据能反应研究区(4月-10月)基本规律,其值略低于地面实测值;(2)SMOS卫星升轨土壤水分值大于降轨土壤水分值,6月-8月SMOS土壤水分值高于其它月份;土壤水分季节性差异明显,夏季显著高于春季;(3)三江源区土壤水分空间分布差异较大,空间格局明显,总体上澜沧江源区相对湿润,长江源区相对干旱。 展开更多
关键词 土壤水分 smOS卫星 三江源 NDVI
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基于CyGNSS数据的土壤水分与植被光学厚度反演研究 被引量:1
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作者 严清赟 金双根 +2 位作者 黄为民 贾燕 魏思远 《南京信息工程大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2021年第2期194-203,共10页
本文提出了一种仅基于CyGNSS数据,能够同时反演土壤水分与植被光学厚度的方案,该方案使用了神经网络与暴力穷举算法.首先考察了2018年以及2020年的数据,并对结果进行了验证.通过分析发现反演结果与参考数据展现了良好的一致性.土壤水分... 本文提出了一种仅基于CyGNSS数据,能够同时反演土壤水分与植被光学厚度的方案,该方案使用了神经网络与暴力穷举算法.首先考察了2018年以及2020年的数据,并对结果进行了验证.通过分析发现反演结果与参考数据展现了良好的一致性.土壤水分的反演结果与2018年和2020年的测试数据比较,其相关系数分别高达0.86和0.84,均方根误差分别为0.064和0.071 cm^(3)/cm^(3);对于植被光学厚度,2018年与2020年的相关系数均为0.98,均方根误差分别为0.079和0.084.研究结果表明,CyGNSS可作为一种新型且独立的泛热带土壤水分与植被光学厚度反演手段. 展开更多
关键词 全球导航卫星系统反射测量 土壤水分 神经网络 植被光学厚度
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