[發明專利]基于動態貝葉斯平均的土壤濕度融合方法及系統

有效

• 申請號: 202010736872.X
• 申請日: 2020-07-28
• 公開（公告）號: CN111859303B
• 公開（公告）日: 2023-09-05
• 發明（設計）人: 陳勇;袁慧玲
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G06F17/18
• 分類號: G06F17/18;G01N33/24;G01S19/42
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 盧亞麗

本發明公開了一種基于動態貝葉斯的土壤濕度融合算法及系統，該方法包括以下步驟：數據獲取和訓練、測試集劃分；數據變換及偏差訂正；根據動態貝葉斯算法獲取動態權重；動態權重分配并進行數據逆變換；生成土壤濕度融合產品。本發明具有以下優點:(1)動態貝葉斯權重算法可以自適應快速變化天氣和土壤濕度記憶性之間的平衡，動態調整多產品的權重，可以有效地提高土壤濕度產品的精度。(2)本發明中的動態貝葉斯權重算法參數少，僅有一個需要確定的最優時間尺度參數，減少了參數選取的不確定性。(3)本發明中的動態貝葉斯權重算法，它是一種基于概率密度分布的貝葉斯算法，能夠有效提高概率預測評分，對于干旱監測和預報更加有效。

技術領域

本發明涉及一種基于動態貝葉斯平均的土壤濕度融合算法，該方法采用動態貝葉斯平均算法，將多個土壤濕度產品根據動態權重進行融合，提高土壤濕度產品的精度。

背景技術

土壤濕度(水分)是水文過程、陸氣相互作用以及氣候變化過程中一個非常重要的物理量。土壤濕度通過控制水分的輸送影響徑流，同時它也會影響感熱、潛熱交換，進而影響地表能量平衡。此外，第五次IPCC報告也指出土壤濕度是衡量和評估干旱程度的一個關鍵指標。從2010年起，全球氣候觀測系統(GCOS)將土壤濕度作為關鍵氣候變量之一。由于土壤濕度初始狀態估計的不確定性，天氣、氣候模式的預測能力常常受到限制。雖然水文、天氣、氣候研究均提出了對土壤濕度資料的迫切需求，但是獲取長時間、大尺度的精確土壤濕度是非常困難的。隨著陸面模式的發展和衛星觀測技術的進步，多模式、衛星土壤濕度產品的出現使得設計融合的土壤濕度產品成為了可能。

貝葉斯平均方法在土壤濕度領域已有應用，但傳統的貝葉斯平均方法所采用的靜態權重無法捕捉快速變化的天氣和土壤濕度記憶性之間的平衡關系。

發明內容

為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種基于動態貝葉斯平均的土壤濕度融合算法，本發明采用動態權重進行貝葉斯融合的算法，其目的在于利用變權重的特性改進靜態權重的不足，綜合考慮多種土壤濕度產品的不確定性，提高土壤濕度估計的精度。

本發明的算法系統主要分為4個模塊：數據獲取模塊、數據變換模塊、動態權重獲取模塊、數據逆變換模塊。其中，

數據獲取模塊用于獲取土壤濕度模式、衛星以及觀測數據；

數據變換模塊用于將數據獲取模塊獲取的數據進行正態化處理和偏差訂正；

動態權重獲取模塊用于對變換后的數據分配動態的產品權重；

動態逆變換模塊用于處理動態權重，融合產品，并進行正態逆變換處理。

本發明首先由數據獲取模塊獲取所需數據集，包括劃分訓練集和測試集，生成動態貝葉斯算法基礎數據庫；然后，由數據變換模塊根據動態貝葉斯算法需要進行數據處理，包括數據變換和偏差訂正；再由動態權重獲取模塊根據訓練集估計動態貝葉斯算法的最優參數，來獲取動態權重；最后由數據逆變換模塊根據動態權重，進行數據逆變換生成土壤濕度貝葉斯融合產品。

為了實現上述目的，本發明實施案例提供的技術方案如下：

步驟1：數據獲取(模式、衛星、觀測)和訓練、測試集劃分；模式產品用戶可通過陸面、水文模式模擬或國際機構陸面數據同化產品獲取，衛星產品可通過主流的遙感數據中心下載。步驟2：數據變換及偏差訂正；通過數據變換將土壤濕度資料進行正態化處理，推薦使用Box-Cox轉換，其變換公式為：

其中y為需要轉換的變量，γ為Box-Cox參數。步驟3：根據動態貝葉斯算法獲取動態權重；步驟4：動態權重分配并進行數據逆變換；

步驟5：生成土壤濕度融合產品。

其中，所述步驟3的動態貝葉斯算法流程具體包括：