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融合地形参数的CYGNSS青藏高原土壤湿度反演

张云 师丽云 杨树瑚 潘海燕 韩彦岭 洪中华

张云,师丽云,杨树瑚,等. 融合地形参数的CYGNSS青藏高原土壤湿度反演[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(3):643-654
引用本文: 张云,师丽云,杨树瑚,等. 融合地形参数的CYGNSS青藏高原土壤湿度反演[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(3):643-654
ZHANG Y,SHI L Y,YANG S H,et al. Integrating topography parameters for soil moisture retrieval using CYGNSS on the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(3):643-654 (in Chinese)
Citation: ZHANG Y,SHI L Y,YANG S H,et al. Integrating topography parameters for soil moisture retrieval using CYGNSS on the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(3):643-654 (in Chinese)

融合地形参数的CYGNSS青藏高原土壤湿度反演

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0789
基金项目: 

国家自然科学基金 (42176175,42271335); 国家重点研发计划 (2019YFD0900805)

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:shyang@shou.edu.cn

  • 中图分类号: P715.6

Integrating topography parameters for soil moisture retrieval using CYGNSS on the Qinghai-Tibet Plateau

Funds: 

National Natural Science Foundation of China (42176175,42271335); National Key Research and Development Program of China (2019YFD0900805)

More Information
  • 摘要:

    青藏高原的土壤湿度是影响全球大气环流和气候变化的重要因素,旋风全球导航卫星系统(CYGNSS)使用全球导航卫星系统反射信号技术(GNSS-R),为监测青藏高原的土壤湿度提供了新的手段,但高原复杂的地形环境使得CYGNSS的反射率难以被直接用于土壤湿度的反演。基于此,提出了融合修正后CYGNSS反射率、CYGNSS入射角、地形参数(海拔、坡度和地表粗糙度)等5 个特征参数的星载GNSS-R土壤湿度机器学习反演模型。对 CYGNSS 反射率进行发射功率的系统误差修正、地表植被和地表粗糙度衰减误差修正;将修正后反射率等5个参数作为输入特征量,SMAP土壤湿度作为验证数据,使用2020年解冻期(6—9月)数据按5∶5随机分为训练集和验证集,分别建立随机森林(RF)和人工神经网络(ANN)青藏高原土壤湿度反演模型,以2021年解冻期的数据作为测试集,考察模型的泛化能力。随机森林模型的结果优于人工神经网络模型,测试集上反演结果的均方根误差(RMSE)为0.0586 $ \text{c}{\text{m}}^{\text{3}}\text{/c}{\text{m}}^{\text{3}} $,皮尔逊相关系数为0.7033,模型具有较好的泛化性能,且反演得到的青藏高原土壤湿度的空间变化和降水的空间变化趋势相吻合。将CYGNSS土壤湿度与那曲实测土壤湿度进行对比,均方根误差为0.070 $ \text{c}{\text{m}}^{\text{3}}\text{/c}{\text{m}}^{\text{3}} $,具有较高的精度。研究结果表明,融合修正后CYGNSS反射率、CYGNSS入射角和地形参数建立的反演模型能够较为准确地反演青藏高原大范围的土壤湿度。

     

  • 图 1  修正前后的反射率对比

    Figure 1.  Comparison of reflectivity before and after correction

    图 2  入射角与反射率的关系

    Figure 2.  Relationship between incident angle and reflectivity

    图 3  青藏高原的海拔和坡度分布

    Figure 3.  Elevation and slope distribution of the Qinghai-Tibet Plateau

    图 4  2020年青藏高原地表粗糙度分布

    Figure 4.  Surface roughness distribution of the Qinghai-Tibet Plateau in 2020

    图 5  RF算法流程

    Figure 5.  Flowchart of RF algorithm

    图 6  ANN网络模型

    Figure 6.  ANN network model

    图 7  青藏高原土壤湿度反演流程

    Figure 7.  Flow chart of soil moisture inversion of the Qinghai-Tibet Plateau

    图 8  RF反演结果的密度散点图

    Figure 8.  Density scatter plot of RF inversion results

    图 9  ANN反演结果的密度散点图

    Figure 9.  Density scatter plot of ANN inversion results

    图 10  2020年青藏高原解冻期RF模型对比密度散点图

    Figure 10.  Density scatter plot of RF model comparison during thawing period of the Qinghai-Tibet Plateau in 2020

    图 11  2020年青藏高原解冻期土壤湿度分布

    Figure 11.  Soil moisture distribution during thawing period of the Qinghai-Tibet Plateau in 2020

    图 12  2021年青藏高原解冻期RF模型对比密度散点图

    Figure 12.  Density scatter plot of RF model comparison during thawing period of the Qinghai-Tibet Plateau in 2021

    图 13  2021年6—9月的土壤湿度反演结果

    Figure 13.  Inversion results of soil moisture in June, July, August, and September, 2021

    图 14  2021年6月1日至9月15日CYGNSS土壤湿度、SMAP土壤湿度和那曲实测土壤湿度时序图

    Figure 14.  Time series of CYGNSS soil moisture, SMAP soil moisture, and measured soil moisture from the Naqu observation network from June 1 to September 15, 2021

    表  1  CYGNSS数据筛选条件

    Table  1.   CYGNSS data filtering criteria

    数据类型 筛选条件
    入射角/(°) 0~65
    天线增益/dB >0
    信噪比/dB >0
    DDM 峰值时延位置 第7~10 个
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    表  2  2020年反射率修正前后模型反演结果

    Table  2.   Model inversion results before and after reflectivity correction in 2020

    模型 输入特征量 $ {E}_{{\mathrm{b}}} $/
    (cm3·cm−3)
    $ {E}_{{\mathrm{rms}}} $/
    (cm3·cm−3)
    R
    RF 未修正的反射率$ \varGamma $和入射角 0.0002 0.0941 0.0944
    修正后的反射率$ {\varGamma }_{3} $和入射角 0.0001 0.0675 0.6901
    ANN 未修正的反射率$ \varGamma $和入射角 0.0001 0.1450 0.1612
    修正后的反射率$ {\varGamma }_{3} $和入射角 0.0011 0.0814 0.3952
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    表  3  RF、ANN模型与文献[16]的反演结果

    Table  3.   Inversion results of RF、ANN models and Ref.[16]

    模型 CYGNSS特征量 融合特征量 $ {E}_{{\mathrm{b}}} $/
    (cm3·cm−3)
    $ {E}_{{\mathrm{rms}}} $/
    (cm3·cm−3)
    R
    RF 修正后的反射
    率、入射角
    海拔、坡度、
    地表粗糙度
    0.0007 0.0454 0.8614
    ANN 修正后的反射
    率、入射角
    海拔、坡度、
    地表粗糙度
    0.0009 0.0584 0.7517
    文献[16] 反射率、经度、
    纬度、时间
    地表粗糙度、
    NDVI、高程、
    地物类型
    0.010 0.030 0.857
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    表  4  RF模型2021年解冻期泛化结果与文献[16] 2019年泛化结果

    Table  4.   Generalization results of RF model for 2021 thawing period and Ref. [16] for 2019

    时间 $ {E}_{{\mathrm{b}}} $/(cm3·cm−3) $ {E}_{{\mathrm{rms}}} $/(cm3·cm−3) R
    2021年6月 0.012 0.0589 0.7030
    2021年7月 0.0021 0.0583 0.6792
    2021年8月 0.0079 0.0618 0.6832
    2021年9月 0.0096 0.0551 0.7612
    2021年6—9月 0.0032 0.0586 0.7033
    2019年(文献[16]) 0.010 0.034 0.743
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    表  5  不同区间的泛化精度与对应的数据量

    Table  5.   Generalization accuracy and corresponding data volume of different intervals

    区间号 土壤湿度范围/
    (cm3·cm−3)
    $ {E}_{{\mathrm{rms}}} $/(cm3·cm−3) 训练集数量 测试集数量
    1 (0,0.1] 0.0533 48729 85804
    2 (0.1,0.2] 0.0522 102098 251642
    3 (0.2,0.3] 0.0534 79370 167619
    4 (0.3,0.4] 0.0817 20349 36311
    5 (0.4,0.5] 0.1573 3775 6055
    6 (0.5,0.6] 0.2353 1567 1393
    7 (0.6,0.7] 0.3971 3 32
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-04
  • 录用日期:  2024-02-23
  • 网络出版日期:  2024-03-21
  • 整期出版日期:  2026-03-31

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