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RSE最新成果|北京师范大学刘绍民团队面向遥感蒸散发估算的物理约束机器学习模型构建与验证

GEE遥感训练营 • 4 月前 • 137 次点击  

论文摘要



精准估算陆地蒸散发(ET)对理解水循环与碳循环至关重要。卫星遥感(RS)技术的进步极大推动了蒸散发模型的发展,但受结构误差与参数化误差影响,模型在不同生态区的表现存在明显差异。机器学习(ML)可提供数据驱动的建模思路,却往往缺乏基于物理机理的泛化能力。为此,本文采用自动机器学习(AutoML)构建三类模型:无约束机器学习与深度学习(DL)模型、将物理估算蒸散发融入训练数据的输入数据约束模型、在深度学习损失函数中嵌入物理方程的损失函数约束模型。基于黑河流域(HRB)站点观测数据开展验证(75% 数据用于训练,25% 用于验证),结果表明所有模型均实现日均均方根误差(RMSE)低于 0.6 毫米 / 天,且物理约束能够提升模型在极端环境下的泛化性能。样本外测试表明,物理约束可增强模型空间外推能力,其中深度学习模型提升效果最显著,均方根误差由 0.47 毫米 / 天降至 0.32 毫米 / 天。本文选取最优无约束模型(MLU)、输入数据约束模型(MLI_SGC)与损失函数约束模型(DLL_PM),生成黑河流域 2000—2021 年逐日蒸散发数据集。基于水量平衡法的验证结果显示,相较于 MLU 模型,DLL_PM 模型在上游、中游、下游区域的平均绝对百分比误差(MAPE)分别降低 53.9%、5.2% 和 4.1%,同时性能优于 MLI_SGC 模型及 ETMonitor、PML‑V2 两款主流遥感蒸散发产品。研究进一步表明,输入数据约束通过强化物理相关蒸散发特征的重要性,提升模型物理一致性;损失函数约束则通过调整网络权重与偏置,重塑深度学习的学习过程。赤池信息准则(AIC)结果证实,物理约束模型在训练过程中仅小幅增加模型复杂度,即可显著提升估算精度。该研究为探究如何将物理约束有效融入机器学习模型开展蒸散发估算提供了重要参考,对变化环境下大尺度水循环与能量循环评估具有重要应用前景。

关键图表



图 1.物理约束机器学习技术流程图。自动机器学习(AutoML)流程可实现特征工程、超参数优化、模型生成等自动化过程。基于自动机器学习生成无约束模型,并在最优无约束模型基础上构建输入数据约束模型与损失函数约束模型

图 2.最优机器学习(ML)与深度学习(DL)模型融入物理约束的概念示意图。在输入数据约束机器学习模型中,需优化最敏感的超参数(如梯度提升机模型中的树数量);在基于深度学习的输入数据约束模型中,仅自动更新权重与偏置;基于深度学习的损失函数约束模型同样自动更新权重与偏置,但其训练数据与损失函数和输入数据约束深度学习模型存在差异。
图 3.黑河流域主要土地覆被类型及观测站点分布。ENF、DBF、OSH、GRA、WET、CRO、BAR 分别代表常绿针叶林、落叶阔叶林、开阔灌丛、草地、湿地、农田与裸地。站点依次为:阿柔(AR)、冠潭(GT)、西大笼(SDL)、大沙龙(DSL)、垭口(YK)、景阳岭(JYL)、大满(DM)、花寨子(HZZ)、沙沙窝(SSW)、八吉滩(BJT)、湿地(SD)、胡杨(HYL)、混交林(HHL)、四道桥(SDQ)、荒漠(HM)。
图 4.2008—2022 年交叉验证期间,无约束、输入数据约束、损失函数约束模型在站点尺度蒸散发(ET)估算结果的精度验证,验证样本量为 3490 个。第一列为基于机器学习的无约束模型与输入数据约束模型,第二列为基于深度学习的无约束模型与输入数据约束模型,第三列为基于深度学习的损失函数约束模型。红色虚线为 1:1 拟合线。

图 5.独立验证期间,三类模型在垭口(YK)、大满(DM)、荒漠(HM)三个站点尺度的蒸散发估算精度,验证样本量为 4810 个。第一列为基于机器学习的无约束模型与输入数据约束模型,第二列为基于深度学习的无约束模型与输入数据约束模型,第三列为基于深度学习的损失函数约束模型。红色虚线为 1:1 拟合线。

图 6.不同环境条件下模型均方根误差(RMSE)差异:(a‑b) 风速、(c‑d) 气温、(e‑f) 相对湿度、(g‑h) 叶面积指数、(i‑j) 净辐射、(k‑l) 土壤含水量。第一列为基于机器学习的无约束模型与输入数据约束模型,第二列为基于深度学习的无约束、输入数据约束、损失函数约束模型。

图 7.训练数据占比由 75% 降至 25% 时,无约束、输入数据约束、损失函数约束模型均方根误差的小提琴图。虚线分别代表四分位距(短虚线)与中位数(长虚线)。

图 8.典型站点(阿柔、大满、四道桥、花寨子)处,不同约束类型模型估算蒸散发时序与实测蒸散发的对比。左列为基于机器学习的无约束与输入数据约束模型,右列为基于深度学习的无约束、输入数据约束、损失函数约束模型。2017 年时序由 2018—2022 年数据训练的模型估算,2018 年时序由 2008—2017 年数据训练的模型估算。

图 9.以水量平衡法估算蒸散发为真值的模型验证结果(平均绝对百分比误差 MAPE)。上游验证时段为 2002—2014 年,中游、下游验证时段分别为 2003—2013 年。

图 10.上游 (a)、中游 (b)、下游 (c) 区域内,机器学习无约束模型(MLU)、机器学习输入约束模型(MLI_SGC)、深度学习损失约束模型(DLL_PM)、ETMonitor、PML‑V2 产品及水量平衡蒸散发(ETwb)的蒸散发月尺度季节变化。

图 11.采用 TCH 方法估算的 2001—2019 年相对不确定性:(a) MLU、(b) MLI_SGC、(c) DLL_PM、(d) ETMonitor、(e) PML‑V2。

图 12.2001—2019 年年均蒸散发空间分布图:(a) MLU、(b) MLI_SGC、(c) DLL_PM、(d) ETMonitor、(e) PML‑V2、(f) 降水产品,及对应纬度剖面 (g)。

图 13.全流域 (a)、上游 (b)、中游 (c)、下游 (d) 区域内,本文三类模型、两类主流遥感产品与年降水的蒸散发年际变化。

图 14.特征贡献差异:(a‑b) MLU 与 MLI_SGC、(c‑d) DLU 与 DLI_SGC;(e‑f) DLU、DLI_SGC、DLL_PM 的平均权重与偏置差异。左列为 75% 训练数据下的评价指标,右列为 25% 训练数据下的评价指标。

图 15.融合输入数据约束与损失函数约束的组合物理约束模型,在站点尺度蒸散发估算中的验证结果。

版权声明

声明:本推文仅用于学习交流,不做其他任何目的。若有侵权,请联系微信号:GeeStudy_2020删除或修改!论文doi链接:https://doi.org/10.1080/15481603.2025.2594344点赞、收藏、关注

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