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利用机器学习和多种地理数据对 1 公里土壤水分指数进行降尺度,估算 100 米根区土壤湿度。

Estimation of 100 m root zone soil moisture by downscaling 1 km soil water index with machine learning and multiple geodata.

机构信息

Department of Geoecology, Institute of Geosciences and Geography, Martin Luther University Halle-Wittenberg, 06120, Halle (Saale), Germany.

出版信息

Environ Monit Assess. 2024 Aug 19;196(9):823. doi: 10.1007/s10661-024-12969-5.

Abstract

Root zone soil moisture (RZSM) is crucial for agricultural water management and land surface processes. The 1 km soil water index (SWI) dataset from Copernicus Global Land services, with eight fixed characteristic time lengths (T), requires root zone depth optimization (T) and is limited in use due to its low spatial resolution. To estimate RZSM at 100-m resolution, we integrate the depth specificity of SWI and employed random forest (RF) downscaling. Topographic synthetic aperture radar (SAR) and optical datasets were utilized to develop three RF models (RF1: SAR, RF2: optical, RF3: SAR + optical). At the DEMMIN experimental site in northeastern Germany, T (in days) varies from 20 to 60 for depths of 10 to 30 cm, increasing to 100 for 40-60 cm. RF3 outperformed other models with 1 km test data. Following residual correction, all high-resolution predictions exhibited strong spatial accuracy (R ≥ 0.94). Both products (1 km and 100 m) agreed well with observed RZSM during summer but overestimated in winter. Mean R between observed RZSM and 1 km (100 m; RF1, RF2, and RF3) SWI ranges from 0.74 (0.67, 0.76, and 0.68) to 0.90 (0.88, 0.81, and 0.82), with the lowest and highest R achieved at 10 cm and 30 cm depths, respectively. The average RMSE using 1 km (100 m; RF1, RF2, and RF3) SWI increased from 2.20 Vol.% (2.28, 2.28, and 2.35) at 30 cm to 3.40 Vol.% (3.50, 3.70, and 3.60) at 60 cm. These negligible accuracy differences underpin the potential of the proposed method to estimate RZSM for precise local applications, e.g., irrigation management.

摘要

根区土壤水分(RZSM)对农业水资源管理和陆面过程至关重要。哥白尼全球陆地服务提供的 1km 土壤水分指数(SWI)数据集,具有八个固定特征时间长度(T),需要对根区深度进行优化(T),并且由于空间分辨率较低,其应用受到限制。为了以 100m 的分辨率估算 RZSM,我们整合了 SWI 的深度特异性,并采用随机森林(RF)降尺度方法。地形合成孔径雷达(SAR)和光学数据集被用于开发三个 RF 模型(RF1:SAR,RF2:光学,RF3:SAR+光学)。在德国东北部的 DEMMIN 实验场,深度为 10-30cm 时 T(以天为单位)的范围为 20-60,40-60cm 时增加到 100。使用 1km 测试数据,RF3 的表现优于其他模型。在进行残差修正后,所有高分辨率预测都具有很强的空间准确性(R≥0.94)。在夏季,1km 和 100m 的预测结果与观测到的 RZSM 吻合较好,但在冬季高估了 RZSM。观测到的 RZSM 与 1km(100m;RF1、RF2 和 RF3)SWI 的平均 R 值范围为 0.74(0.67、0.76 和 0.68)至 0.90(0.88、0.81 和 0.82),最低和最高 R 值分别在 10cm 和 30cm 深度处获得。使用 1km(100m;RF1、RF2 和 RF3)SWI 的平均 RMSE 从 30cm 处的 2.20Vol.%(2.28、2.28 和 2.35)增加到 60cm 处的 3.40Vol.%(3.50、3.70 和 3.60)。这些微不足道的精度差异为所提出的方法提供了估算 RZSM 的潜力,可用于精确的本地应用,例如灌溉管理。

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