本發(fā)明涉及碳水通量遙感反演，具體而言，涉及一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、碳-水關(guān)鍵要素包括總初級生產(chǎn)力、蒸散發(fā)和生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率等，其準(zhǔn)確估算對于水資源管理和糧食安全至關(guān)重要。其中，生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率是總初級生產(chǎn)力和蒸散發(fā)的比值，連接了碳-水循環(huán)。全球及區(qū)域尺度上，蒸散發(fā)和總初級生產(chǎn)力的遙感反演方法已經(jīng)相當(dāng)成熟，而生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率則主要通過估算全球及區(qū)域尺度上的總初級生產(chǎn)力和蒸散發(fā)求比值得到?，F(xiàn)有的總初級生產(chǎn)力、蒸散發(fā)和生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率估算模型包括兩大類，非碳水耦合產(chǎn)品和碳水耦合產(chǎn)品。非碳水耦合產(chǎn)品，如modis產(chǎn)品，單獨估算總初級生產(chǎn)力和蒸散發(fā)，而后求解得到生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率；碳水耦合產(chǎn)品，如pml_v2產(chǎn)品，利用氣孔導(dǎo)度模型耦合了植被光合作用和蒸騰作用，同時估算蒸散發(fā)和總初級生產(chǎn)力，而后求解得到生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率。雖然現(xiàn)有模型可以獲取精度可靠的蒸散發(fā)和總初級生產(chǎn)力，但是由二者求得的生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率結(jié)果準(zhǔn)確性較差，總初級生產(chǎn)力和蒸散發(fā)的反演誤差均會增加生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率估算結(jié)果的誤差和不確定性。

2、隨著機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的出現(xiàn)，雖然提升了總初級生產(chǎn)力和蒸散發(fā)的估算精度，但仍是對二者開展獨立建模估算，而后求比值得到生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率，未能有效考慮總初級生產(chǎn)力和蒸散發(fā)之間的耦合關(guān)系，使得求得的生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率結(jié)果不準(zhǔn)確，與觀測結(jié)果相比存在較大差異，給全球生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率的變化和歸因研究帶來了較大不確定性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演方法與系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型未能有效考慮總初級生產(chǎn)力和蒸散發(fā)之間的耦合關(guān)系，使得求得的生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率結(jié)果不準(zhǔn)確，與觀測結(jié)果相比存在較大差異，給全球生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率的變化和歸因研究帶來了較大不確定性的問題。

2、本發(fā)明的實施例通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演方法，包括以下步驟：

4、獲取基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演所需數(shù)據(jù)，并構(gòu)建相應(yīng)的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演數(shù)據(jù)庫；其中，所述碳-水關(guān)鍵要素包括生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率、總初級生產(chǎn)力和蒸散發(fā)；

5、對碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理并得到協(xié)同反演驅(qū)動數(shù)據(jù)集；

6、構(gòu)建基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演模型，以協(xié)同反演驅(qū)動數(shù)據(jù)集作為碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演模型的輸入；

7、基于協(xié)同反演驅(qū)動數(shù)據(jù)集對基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演模型進行訓(xùn)練，訓(xùn)練時設(shè)置代價函數(shù)，通過格網(wǎng)搜索的方法獲取代價函數(shù)最小的模型參數(shù)并得到最優(yōu)的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演模型；

8、通過最優(yōu)的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演模型，根據(jù)相應(yīng)的遙感產(chǎn)品和氣象再分析產(chǎn)品，協(xié)同反演全球生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率、總初級生產(chǎn)力與蒸散發(fā)。

9、可選地，所述基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演所需數(shù)據(jù)包括：全球通量網(wǎng)絡(luò)站點觀測數(shù)據(jù)、遙感產(chǎn)品和氣象再分析產(chǎn)品。

10、可選地，所述對碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演數(shù)據(jù)庫進行預(yù)處理并得到協(xié)同反演驅(qū)動數(shù)據(jù)集的具體過程為：

11、基于全球通量網(wǎng)絡(luò)站點觀測的總初級生產(chǎn)力和蒸散發(fā)，獲得站點觀測的生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率，所述站點觀測的生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率的表達式如下式(1)所示：

12、

13、其中，ewueobs表示站點觀測計算得到的生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率，gppobs表示站點觀測得到的總初級生產(chǎn)力，etobs表示站點觀測得到的蒸散發(fā)；

14、根據(jù)全球通量網(wǎng)絡(luò)站點的經(jīng)緯度，提取各個全球通量網(wǎng)絡(luò)站點對應(yīng)的氣象再分析網(wǎng)格和遙感像元的數(shù)據(jù)值，將獲得的相應(yīng)氣象再分析網(wǎng)格和遙感像元的數(shù)據(jù)值與全球通量網(wǎng)絡(luò)站點的觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合，得到協(xié)同反演驅(qū)動數(shù)據(jù)集。

15、可選地，所述總初級生產(chǎn)力通過全球通量網(wǎng)絡(luò)站點觀測數(shù)據(jù)直接獲得或通過全球通量網(wǎng)絡(luò)站點觀測數(shù)據(jù)中的凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換數(shù)據(jù)分離求解獲得。

16、可選地，所述基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演模型為：

17、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演模型的表達式如下式(2)：

18、∪(ewue，gpp，et)＝

19、f(ws，rh，vpd，ta，p，rn，rs，rl，sif，lst，ndyi，fpar，fvc，lai，α，ele，ts，sm)

20、(2)

21、其中，ewue為生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率，gpp為總初級生產(chǎn)力，et為蒸散發(fā)，ws為風(fēng)速，rh為空氣相對濕度，vpd為飽和水汽壓逆差，ta為空氣溫度，p為大氣壓強，rn為凈輻射，rs為入射短波輻射，rl為入射長波輻射，sif為葉綠素?zé)晒猓琹st為地表溫度，ndyi為歸一化植被指數(shù)，fpar為光和有效輻射吸收比例，fvc為植被覆蓋度，lai為葉面積指數(shù)，α為反照率，ete為高程，ts為土壤溫度，sm為土壤含水量。

22、可選地，所述以協(xié)同反演驅(qū)動數(shù)據(jù)集作為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演模型的輸入的具體過程為：

23、對協(xié)同反演驅(qū)動數(shù)據(jù)集中所有可用數(shù)據(jù)按每種植被類型隨機采樣劃分為80％的模型訓(xùn)練集和20％的模型驗證集，針對每種植被類型，通過80％的模型訓(xùn)練集采用十折交叉驗證的方法對基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演模型進行訓(xùn)練，通過20％的模型驗證集對生態(tài)水分利用效率反演模型進行驗證。

24、可選地，所述代價函數(shù)為：

25、代價函數(shù)的表達式如下式(3)所示：

26、

27、其中，cost(∪(ewue，gpp，et))表示代價函數(shù)，ewueest為生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率的估算值，ewueobs為站點觀測計算得到的生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率，a為生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率項的待率定系數(shù)，gppest為總初級生產(chǎn)力的估算值，gppobs為站點觀測的總初級生產(chǎn)力或站點觀測的凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換分離求解得到的總初級生產(chǎn)力，b為總初級生產(chǎn)力項的待率定系數(shù)，etest為蒸散發(fā)的估算值，etobs為站點觀測的蒸散發(fā)，c為蒸散發(fā)項的待率定系數(shù)。

28、本發(fā)明還提供了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演系統(tǒng)，包括：

29、數(shù)據(jù)采集模塊，用于獲取全球通量站點觀測數(shù)據(jù)、遙感產(chǎn)品和氣象再分析產(chǎn)品；

30、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，用于對收集到的全球通量網(wǎng)絡(luò)站點觀測數(shù)據(jù)、遙感產(chǎn)品和氣象再分析產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)預(yù)處理；

31、模型構(gòu)建與訓(xùn)練模塊，用于建立并訓(xùn)練基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演模型；

32、反演計算模塊，用于根據(jù)相應(yīng)的全球通量站點觀測數(shù)據(jù)、遙感產(chǎn)品和氣象再分析產(chǎn)品，利用最優(yōu)的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演模型進行生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率、總初級生產(chǎn)力和蒸散發(fā)的協(xié)同反演；

33、結(jié)果驗證與校正模塊，用于利用碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演驅(qū)動數(shù)據(jù)集進行驗證和校正。

34、本發(fā)明還提供了一種電子設(shè)備，包括存儲器及處理器，所述存儲器用于存儲計算機程序，所述處理器運行所述計算機程序以使所述電子設(shè)備執(zhí)行上述的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演方法。

35、本發(fā)明還提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)上述的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演方法。

36、本發(fā)明實施例的技術(shù)方案至少具有如下優(yōu)點和有益效果：

37、本發(fā)明提供一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演方法，包括以下步驟：獲取基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演所需數(shù)據(jù)，并構(gòu)建相應(yīng)的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演數(shù)據(jù)庫；其中，所述碳-水關(guān)鍵要素包括生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率、總初級生產(chǎn)力和蒸散發(fā)；對碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理并得到協(xié)同反演驅(qū)動數(shù)據(jù)集；構(gòu)建基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演模型，以協(xié)同反演驅(qū)動數(shù)據(jù)集作為碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演模型的輸入；基于協(xié)同反演驅(qū)動數(shù)據(jù)集對基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演模型進行訓(xùn)練，訓(xùn)練時設(shè)置代價函數(shù)，通過格網(wǎng)搜索的方法獲取代價函數(shù)最小的模型參數(shù)并得到最優(yōu)的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演模型；通過最優(yōu)的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的碳-水關(guān)鍵要素協(xié)同反演模型，根據(jù)相應(yīng)的遙感產(chǎn)品和氣象再分析產(chǎn)品，協(xié)同反演全球生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率、總初級生產(chǎn)力與蒸散發(fā)；既保證了蒸散發(fā)、總初級生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率均具有較高的反演精度，又解決了因現(xiàn)有數(shù)據(jù)驅(qū)動模型對蒸散發(fā)與總初級生產(chǎn)力開展獨立建模、未能有效考慮總初級生產(chǎn)力和蒸散發(fā)之間的耦合關(guān)系而導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率估算結(jié)果不準(zhǔn)確的問題，從而進一步提高了全球總初級生產(chǎn)力、蒸散發(fā)和生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率變化和歸因研究的可靠性。