地震地质 ›› 2023, Vol. 45 ›› Issue (6): 1349-1369.DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2023.06.006
宋冬梅1,2)(), 张曼玉1),*(), 单新建3), 王斌1)
收稿日期:
2022-10-08
修回日期:
2022-11-28
出版日期:
2023-12-20
发布日期:
2024-01-16
通讯作者:
张曼玉, 女, 1997年生, 硕士, 主要研究方向为地表温度补值及地震前热异常检测, E-mail: 作者简介:
宋冬梅, 女, 1973年生, 2003年于中国科学院沈阳应用生态研究所获理学博士学位, 教授, 主要研究方向为地震热红外异常信息提取, E-mail: songdongmei@upc.edu.cn。
基金资助:
SONG Dong-mei1,2)(), ZHANG Man-yu1),*(), SHAN Xin-jian3), WANG Bin1)
Received:
2022-10-08
Revised:
2022-11-28
Online:
2023-12-20
Published:
2024-01-16
摘要:
MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer, 中分辨率成像光谱仪)LST(Land Surface Temperature, 地表温度)产品在大气物质和能量交换、 气候变化研究及地震前兆热异常探测等方面具有重要价值。然而, 由于云的遮挡导致MODIS LST数据产品中存在大量空值, 限制了其广泛应用。为此, 文中提出了一种基于混合模型的地表温度重建方法——SCLSTM(即SSA-CLSTM)。与传统方法相比, 该方法无需建立复杂的回归关系模型。此外, 由于CNN(Convolutional Neural Network, 卷积神经网络)能够充分提取一维时间序列数据的局部特征, 而LSTM(Long Short-Term Memory, 长短期记忆)能够充分学习数据的长时间序列特征, 因此将CNN和LSTM结合能够更加充分地学习数据的潜在特征。首先, 使用SSA(Singular Spectrum Analysis, 奇异谱分析)模型提取出地表温度时间序列中的趋势值用于填补缺值像元, 实现地表温度的初步重建。然后, 再利用SCLSTM(即1DCNN-3层堆叠LSTM)模型学习数据的局部时序特征和长期依赖关系, 并实现对缺失像元的地表温度进行迭代预测, 完成数据的精细重建。新疆和田地区和四川汶川地区的实验结果表明, 文中方法与现有其他2种基于混合模型的重建方法相比, 重建后的LST数据误差最小, 与原始数据的一致性最高。其中, 文中方法的RMSE可降至0.712K, AD为0.695K, 重建后的LST数据与原始数据的相关系数可达0.95以上。此外, 气象站的实测地表温度数据也进一步验证了该方法的可靠性。文中所提方法为基于深度学习的LST重建工作提供了一种新的技术手段和思路, 同时也为基于LST的地表过程和地震热异常研究提供了坚实的数据基础。
宋冬梅, 张曼玉, 单新建, 王斌. 基于SCLSTM模型的MODIS地表温度产品重建方法[J]. 地震地质, 2023, 45(6): 1349-1369.
SONG Dong-mei, ZHANG Man-yu, SHAN Xin-jian, WANG Bin. MODIS LAND SURFACE TEMPERATURE DATA RECONSTRUCTION BASED ON THE SCLSTM MODEL[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2023, 45(6): 1349-1369.
模型 | 参数 | 数值 |
---|---|---|
CNN | 卷积层 | 5 |
卷积核大小 | 1×3 | |
空洞率 | 1/2/4/8/16 | |
通道数 | 32 | |
LSTM | 层数 | 3 |
神经元数 | 128/64/32 | |
步长 | 1 | |
学习率 | 0.002 |
表1 CNN与LSTM模型的参数信息
Table1 Parameter information of CNN and LSTM model
模型 | 参数 | 数值 |
---|---|---|
CNN | 卷积层 | 5 |
卷积核大小 | 1×3 | |
空洞率 | 1/2/4/8/16 | |
通道数 | 32 | |
LSTM | 层数 | 3 |
神经元数 | 128/64/32 | |
步长 | 1 | |
学习率 | 0.002 |
图10 CNN-LSTM与对比方法重建效果的对比 为了清晰地展示重建结果的差异之处, 仅对抠值附近小范围的图像进行了展示, 经纬度范围为 (34.5°~35.0°N, 80.0°~80.5°E)。 红色框部分表示抠值区域, 此图为新疆和田地区
Fig. 10 Comparison of reconstruction effects between CNN-LSTM and LSTM.
图11 新疆和田地区LST重建精度与效率分析 “2008-29”为2008年第29期数据,“2008-35”为2008年第35期数据
Fig. 11 Accuracy and efficiency analysis of LST reconstruction in Hotan region, Xinjiang.
图12 CNN-LSTM与对比方法重建效果的对比 为了清晰地展示重建结果的差异之处, 仅对抠值附近小范围的图像进行了展示, 经纬度范围为 (31.5°~32.0°N, 100.0°~100.5°E)。 红色框部分表示抠值区域, 此图为四川汶川地区
Fig. 12 Comparison of reconstruction effects between CNN-LSTM and LSTM.
图13 四川汶川地区LST重建精度与效率分析 “2020-8”为2020年第8期数据, “2020-44”为2020年第44期数据
Fig. 13 Accuracy and efficiency analysis of LST reconstruction in Wenchuan region, Sichuan.
站点 | 北纬/(°) | 东经/(°) |
---|---|---|
皮山 | 37.37 | 78.17 |
墨玉 | 37.1 | 79.38 |
和田 | 37.08 | 79.56 |
洛浦 | 37.05 | 80.10 |
策勒 | 37.01 | 80.48 |
于田 | 36.51 | 81.39 |
表2 气象站的空间位置
Table2 The spatial locations of the meteorological stations
站点 | 北纬/(°) | 东经/(°) |
---|---|---|
皮山 | 37.37 | 78.17 |
墨玉 | 37.1 | 79.38 |
和田 | 37.08 | 79.56 |
洛浦 | 37.05 | 80.10 |
策勒 | 37.01 | 80.48 |
于田 | 36.51 | 81.39 |
图15 新疆和田重建前后对比 为了清晰地展示重建结果的差异之处, 仅对研究区内缺值严重的区域进行了展示, 经纬度范围为(31.5°~32.5°N, 82.0°~83.5°E)。“2008-1”为2008年第1期数据, “2008-2”为2008年第2期数据, “2008-45”为2008年第45期数据
Fig. 15 Comparison of the original and reconstructed LST images for the Hotan region in Xinjiang.
图16 四川汶川重建前后对比 为了清晰地展示重建结果的差异之处, 仅对研究区内缺值严重的区域进行了展示, 经纬度范围为(29.0°~30.0°N, 102.0°~103.0°E)。“2020-14”为2020年第14期数据, “2020-31”为2020年第31期数据, “2020-32”为2020年第32期数据
Fig. 16 Comparison of the original and reconstructed LST images for the Wenchuan region in Sichuan.
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