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国土资源遥感  2018, Vol. 30 Issue (3): 181-188    DOI: 10.6046/gtzyyg.2018.03.25
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基于随机森林算法对青藏高原TRMM降水数据进行空间统计降尺度研究
徐彬仁1,2, 魏瑗瑗1,2()
1. 中国科学院遥感与数字地球研究所,北京 100101
2. 中国科学院大学,北京 100049
Spatial statistics of TRMM precipitation in the Tibetan Plateau using random forest algorithm
Binren XU1,2, Yuanyuan WEI1,2()
1. Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
全文: PDF(3828 KB)   HTML  
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摘要 

提高气象数据空间分辨率对水文、气象和生态等领域的流域尺度研究至关重要。青藏高原气候变化在全球气候研究中占有重要的位置,并且对局域降水分布的研究在大气科学中处于基础地位。为获取青藏高原地区准确、有效、更高空间分辨率的降水数据,基于随机森林算法,引入植被和地形因子,采用热带降水测量计划卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM)3B43降水数据(0.25°×0.25°)、NOAA-AVHRR归一化植被数(normalized difference vegetation index,NDVI)数据(8 km×8 km)、航天飞机雷达地形测绘任务(Shuttle Radar Topography Mission,SRTM)数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据(90 m×90 m)以及经纬度信息,建立了非线性空间统计降尺度模型,最终获得8 km分辨率降水降尺度结果。另外,采用将时间序列分析和非线性回归分析融合的方法,基于2000—2012年TRMM年均降水数据和NDVI数据,建立降水量时间尺度预测模型。分析结果表明,综合考虑植被和地形因子对青藏高原地区降水空间分布的影响,基于随机森林算法建立的降尺度模型,其降尺度结果与地面站点测量值拟合系数为0.89,高于TRMM数据与地面站点测量值的拟合系数0.81,说明降尺度结果提高了卫星遥感降水数据的空间分辨率。另外,降水预测模型能够较好地描述青藏高原地区的年际降水变化趋势和数量级,2006—2012年的预测降水量与TRMM降水数据拟合系数均高于0.80。

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徐彬仁
魏瑗瑗
关键词 青藏高原降水量降尺度预测随机森林时间序列    
Abstract

So far, precipitation products with high spatial resolution have been crucial for the basin scale hydrology, meteorology and ecology. The climate in the Tibetan Plateau is of vital significance to global climate variation. So, the study of the distribution of precipitation with high spatial resolution is in the basic position of environmental science. Based on random-forest algorithm, the authors introduced environmental factors such as topography and vegetation, which was developed for downscaling the remote sensing precipitation products accurately and effectively. The non-linear spatial statistical downscaling model was demonstrated with the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) 3B43 dataset with the spatial resolution of 0.25°, the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) from NOAA-AVHRR with the spatial resolution of 8km, the Digital Elevation Model (DEM) from Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) with the spatial resolution of 90 m and the information of slope, aspect, longitude and latitude. And the model based on time series and vegetation factor, which was demonstrated with TRMM3B43 annual data in order to forecast the precipitation, was introduced in this paper. The downscaling results were validated by applying the observations from the rain gauges in the Tibetan Plateau and the coefficient of determination R 2 is 0.89. The analytical results showed that the downscaling results improved the spatial resolution and accuracy by applying the random-forest algorithm and introducing environmental factors. And the model, which was developed for forecasting the precipitation, captured the trends in inter-annual variability and the magnitude of annual precipitation with the R 2 ranging from 0.81 to 0.87.

Key wordsTibetan Plateau    precipitation    downscale    forecast    Random-forest    time series
收稿日期: 2017-03-02      出版日期: 2018-09-10
:  TP79  
通讯作者: 魏瑗瑗
作者简介: 徐彬仁(1990-),男,硕士研究生,主要从事大气遥感方面的研究。Email: xubr@radi.ac.cn。
引用本文:   
徐彬仁, 魏瑗瑗. 基于随机森林算法对青藏高原TRMM降水数据进行空间统计降尺度研究[J]. 国土资源遥感, 2018, 30(3): 181-188.
Binren XU, Yuanyuan WEI. Spatial statistics of TRMM precipitation in the Tibetan Plateau using random forest algorithm. Remote Sensing for Land & Resources, 2018, 30(3): 181-188.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/gtzyyg.2018.03.25      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2018/V30/I3/181
Fig.1  气象站与TRMM降水数据的回归分析图
Fig.2  2001年青藏高原TRMM降水量空间分布图
Fig.3  2001年青藏高原NOAA-AVHRR NDVI空间分布图
函数名 函数功能
Random Forest 建立随机森林模型
Plot 绘制误差曲线
Predict 模型预测
Tab.1  随机森林包主要函数名与功能
变量 TRMM NDVI DEM ll aspect slope lon lat
TRMM 1.000 0.570 -0.277 0.788 0.001 0.432 0.398 -0.703
NDVI 0.570 1.000 -0.277 0.702 -0.022 0.280 0.682 -0.391
DEM -0.277 -0.277 1.000 -0.204 0.076 -0.086 -0.476 -0.171
ll 0.788 0.701 -0.203 1.000 -0.004 0.345 0.675 -0.780
aspect 0.001 -0.021 0.076 -0.004 1.000 0.009 -0.009 0.001
slope 0.432 0.280 -0.086 0.345 0.009 1.000 0.137 -0.318
lon 0.398 0.682 -0.476 0.675 -0.009 0.137 1.000 -0.074
lat -0.703 -0.391 -0.171 -0.780 0.001 -0.318 -0.074 1.000
Tab.2  降水与其他变量的线性相关性
Fig.4  随机森林模型预测值与校准的TRMM3B43检验值拟合图
Fig.5  多元线性模型预测值与校准的TRMM3B43检验值拟合图
Fig.6  2001年青藏高原TRMM降水校准值空间分布图
Fig.7  2001年青藏高原随机森林输出结果空间分布图
Fig.8  8 km×8 km空间分辨率误差分布图
Fig.9  降尺度结果图
Fig.10  TRMM校准值和降尺度结果与站点降水量回归分析图
Fig.11  5个站点观测值与预测值的年际变化曲线
年份 2006
2007
2008
2009
2000
2010
2011
2012
R2 0.87 0.87 0.85 0.81 0.85 0.87 0.85 0.87
Tab.3  2006—2012年预测结果与校准后的TRMM降水量拟合系数
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