[发明专利]一种土壤水分多尺度综合感知方法

说明书

本发明公开了一种土壤水分多尺度综合感知方法，本发明方法基于多源异构的土壤水分及其关联变量，通过时空重建技术生成高分辨率土壤水分关联变量；并基于高分辨率关联变量，采用深度置信网络DBN对土壤水分进行降尺度；最后基于像元分类的多规则误差校正方案，对降尺度土壤水分进行误差订正。和现有技术相比，本发明方法能够生成一种同时具备高分辨率、高精度且时空连续的土壤水分数据，并且本发明方法具有多尺度特性，可以适用于不同尺度范围下高质量土壤水分数据的生成。

技术领域

本发明涉及一种土壤水分感知方法，特别涉及一种土壤水分多尺度综合感知方法，属于地球空间信息领域。

背景技术

作为一种典型的陆地表层系统要素，土壤水分不仅是气象、水文和生态等诸多研究领域的核心变量之一，也是支撑国家发展智慧农业、构建重大灾害监测预警系统和建立高精度气象预报系统等诸多实际应用领域的重要数据。同时，高精度高分辨率且空间无缝时间连续的土壤水分产品也是全球水资源管理、生态系统建模、极端天气分析预测(比如洪涝、干旱)等研究中的核心输入数据。

在过去几十年里，土壤水分的获取手段主要依赖于地面传感器监测以及遥感卫星监测两种手段。地面传感器提供了离散化的点位土壤水分监测能力，一般具备直接测量的特性，受外部环境影响小、稳定性强且精度可靠，但是其布设和维护成本较高、空间覆盖范围有限，在全球范围仍然存在着不小的空白监测区域。目前，地面土壤水分数据的最主要获取来源是国际土壤水分传感网络(International Soil Moisture Network,ISMN)。截至2020年12月，ISMN共享发布的全球土壤水分站网已经达到65个，站点数量也达到了2678个，最早可以追溯到1952年。另一方面，从上个世纪以来发射的一些在轨卫星也提供了空间较为连续的面域土壤水分和关联变量监测能力。卫星遥感一般采用间接监测的方式，目前有许多研究针对监测到的变量反演出土壤水分。其中，被动微波传感器可以测量获取具备高时间分辨率且空间基本连续陆地表面的自然辐射(比如来自土壤的热微波辐射)。而主动微波的优势则主要在于获取的空间分辨率往往更高。目前，光学卫星影像通常被用来生成高分辨率(米级)土壤水分数据，然而其受大气和地表条件影响大、时空分辨率差异大、精度无法完全保证。换句话说，地面监测与卫星监测代表着土壤水分获取手段中最为普遍、也最为典型的两种异质监测能力，但是单独其中一种都无法同时达到高精度、高时空分辨率和连续覆盖的特性。因此，这两种异质监测能力能否融合，以及如何融合，构建形成一种新的感知能力，实现优势互补，成为了近些年土壤水分监测与分析领域的一个前沿科学问题。

土壤水分产品质量的提升往往指提高产品的精度、时空分辨率或者时空连续性。目前主流的土壤水分产品质量提升方法主要有三种。第一种是基于多种相同或不同类型传感器遥感产品进行融合，例如主动微波与被动微波遥感监测之间的融合、光学与微波遥感监测之间的融合。第二种是基于各种陆面同化模型或者全球水文模型等，在融入一定物理机理的同时，提高土壤水分产品的质量。近年来，越来越多的研究开始关注基于统计学习算法的数据融合，结合多源土壤水分关联变量，提高土壤水分产品的分辨率、精度或者连续性。

综合分析，目前用于提升土壤水分产品质量的方法还存在着以下的问题和改进空间：

(1)站点数据使用不够充分，星地数据未能得到充分融合。

以往的研究大多关注单一或者同质面域遥感监测数据的融合，例如主被动微波融合、光学与微波的融合，针对土壤水分点面监测能力的融合研究一直相对匮乏。土壤水分地面监测数据在研究中往往被视为真值，点面监测能力之间也具有天然的互补关系。因此，如果能够系统性地破解多源点面监测能力融合的难题，将能够充分利用空天地传感网中的异质监测能力和多源大数据，充分发挥空天地集成的核心优势。

(2)难以生成同时具备高分辨率、高精度、高时空连续性的数据。