融合地学知识和机理的土壤水分制图方法研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张沫 |
| 答辩日期 | 2024-12 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 葛咏 ; 王江浩 |
| 关键词 | 土壤水分 数据驱动 知识驱动 深度函数 渗透过程 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 土壤水分是水文、生物和化学过程中的关键因子，在调节地表与大气的相互作用中发挥着至关重要的作用。其时空分布显著影响气候预测、生态系统平衡和水资源管理。原位传感器提供了站点尺度的长期土壤水分观测，而遥感卫星技术则在更广泛的区域尺度上进行监测。由于土壤水分具有高度的时空异质性，利用原位观测捕捉其动态变化需要进行密集采样，难以在大尺度范围内应用；同时，遥感观测的空间分辨率较低，通常在几十公里的范围内，且仅限于土壤表层几厘米，缺乏对深层土壤水分的直接预测能力。在水文学和农业等应用中，通常需要多深度和高时空分辨率的土壤水分数据。为了解决这些问题，研究学者开发了多种获取高时空分辨率的多层土壤水分制图方法，包括基于原位观测的土壤水分空间预测制图方法和基于遥感观测的土壤水分降尺度制图方法等。然而，目前的方法大多以基于统计模型的数据驱动方法为主，其变量间的隐式关联往往忽略了结果的可解释性，导致预测结果成为典型的黑箱，难以泛化和迁移。此外，虽然统计模型可以通过陆面过程等垂直外推方法进一步获取地下深层土壤水分预测，但其复杂的参数校准和较高的预测不确定性仍对深层土壤水分的估计仍存在挑战。相比之下，基于机理模型的知识驱动方法能够清晰刻画系统内部的显式关系，从而增强预测的迁移性。因此，基于统计模型，发展融合地学知识和机理的土壤水分制图方法，能够充分发挥两者的优势，在确保较高预测精度和计算效率的同时，提升结果的科学性和可解释性。 本文立足于当前广泛应用的统计模型，旨在有效融合与土壤水分相关的多种地学知识和机理。针对现有的丰富地学知识和机理，充分考虑其差异性和典型性，本文从三个角度进行探讨：土壤连续剖面知识、土壤水分的垂直入渗过程，以及环境因素影响机制。本文提出了多种统计模型与地学知识及机理的融合方法，并在青藏高原开展了多深度土壤水分高分辨率制图的实例研究，以及对方法可行性的验证。所提出的方法突出了数据驱动与知识驱动在土壤水分精细化时空预测中的潜力。核心研究内容包括： （1）发展了融合基于非参数土壤连续剖面知识的土壤水分制图方法。本文采用高灵活性和扩展性的非参数深度函数，缩小了原位观测土壤水分的深度间隔，捕捉了多剖面土壤水分连续垂直分布特征。结合机器学习方法将站点尺度的精细深度拟合扩展至空间，并基于不同土壤水分输入的制图方法，通过进一步整合协变量的方式优化了预测结果，最终获得了高垂直分辨率的土壤水分空间预测，解决了多剖面土壤水分时空预测中深度间隔较大和不连续的问题。 （2）提出了融合土壤水分垂直入渗机理的降尺度方法。本文应用了较新发展的基于物理的渗透模型，通过土壤水分平衡方程量化了土壤水分从地表到地下的扩散与损失，并将其应用范围从传统的站点尺度扩展到区域尺度。然后，该模型分别结合了广义线性模型、随机森林以及基于地统计的回归克里金模型，通过联合预测校准参数的方式融合了渗透过程。通过跨空间运行机理模型，进行了青藏高原地下土壤水分的1 km逐日降尺度预测，并对比了不同统计模型的预测效果。该方法解决了多层独立时空建模导致的异常剖面，强调了多种统计模型与入渗机理过程在高时空分辨率土壤水分制图中的潜力，为多层土壤水分的精细空间预测提供了参考。 （3）构建了融合环境因素多深度影响机制的土壤水分制图方法。考虑土壤水分的时空异质，为揭示不同环境因素对多深度土壤水分的主控机制，本文构建了三种具有物理意义的参数化深度函数，以表征多种环境因素对土壤水分深度曲线的影响，揭示了曲线由于环境因素导致的非线性和线性变化。基于站点尺度的曲线拟合与参数获取，利用多输出回归框架联合建立了环境协变量与多参数之间的关系，用于土壤水分的降尺度预测。该方法解决了集成单独过程模型对多种环境因素影响的可解释性不足的问题，揭示了土壤水分的垂直动态变化及其对多种环境因素的动态响应。 通过将多种地学知识和机理融合至统计模型，本文开发了融合数据驱动与知识驱动的新方法，突出了典型地学知识和机理在土壤水分时空建模与预测中的重要作用。同时对比研究也表明针对性地选择合适的统计模型也是融合方法中的关键考虑因素。总之，统计模型与机理模型的融合对于提升高分辨率土壤水分制图的预测精度、科学性和可解释性具有重要意义。未来应基于更详尽数据与机理支持，开展本文方法的交叉验证与模型调整，并通过“三位一体”的评估以增强其普适性，从而更好地应对复杂环境下的挑战，为土壤水分时空预测提供理论基础与实践指导。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 190 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217320]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张沫. 融合地学知识和机理的土壤水分制图方法研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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