基于隨機(jī)森林的遙感干旱監(jiān)測模型及其應(yīng)用研究.pdf

1、利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行大面積旱情監(jiān)測是現(xiàn)有干旱監(jiān)測的重要方法之一，然而傳統(tǒng)的遙感干旱監(jiān)測方法主要側(cè)重于對土壤濕度或植被狀況等單一干旱響應(yīng)因子進(jìn)行監(jiān)測，綜合多因子的干旱監(jiān)測研究較為有限。隨機(jī)森林是一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，具有學(xué)習(xí)過程快速、運(yùn)算速度快、穩(wěn)定性好、預(yù)測精度高的優(yōu)點(diǎn)，近年來被應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境等多個領(lǐng)域。本文利用2001-2010年各月的MODIS數(shù)據(jù)、TRMM3B43數(shù)據(jù)集、SRTM-DEM與土壤資料提取的遙感干旱因子及土壤因子為自變量，以綜

2、合氣象干旱指數(shù)(CI)為目標(biāo)變量，利用隨機(jī)森林模型構(gòu)建遙感干旱監(jiān)測模型，并以河南省為研究區(qū)進(jìn)行了評價和分析。利用所構(gòu)建的模型，重建了河南省2001-2010年1km的干旱監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)集，主要結(jié)論如下:
　　1.本文基于隨機(jī)森林算法，利用植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)來反映植被生長對干旱的響應(yīng)，溫度狀態(tài)指數(shù)(TCI)來反映地表溫度對干旱的響應(yīng)，TRMM-Z指數(shù)反映干旱過程中區(qū)域降水異常情況，土地覆蓋類型(LC)、高程(DEM)、坡度(SLO

3、PE)、坡向(ASPECT)、土壤有效含水量(AWC)來反映不同土地覆蓋類型、地形地貌及土壤性質(zhì)對干旱的不同響應(yīng)。采用以上遙感指數(shù)及土壤因子作為自變量，以綜合氣象干旱指數(shù)(CI)為目標(biāo)變量，構(gòu)建了基于隨機(jī)森林遙感干旱監(jiān)測模型。模型考慮了多種致災(zāi)因子，同時結(jié)合遙感數(shù)據(jù)提取致災(zāi)因子，為區(qū)域綜合干旱監(jiān)測方法提供了新的方法。
　　2.為驗(yàn)證模型的精度與干旱監(jiān)測能力，對模型結(jié)果與綜合氣象干旱指數(shù)(CI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)、10

4、cm深土壤相對濕度進(jìn)行相關(guān)性及干旱等級的一致性分析。模型的訓(xùn)練集結(jié)果與綜合氣象干旱指數(shù)(CI)的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.96以上，而測試集達(dá)到了0.74以上。對模型結(jié)果參照綜合氣象干旱指數(shù)(CI)的干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行旱情等級劃分，測試集與綜合氣象干旱指數(shù)(CI)的總體一致率達(dá)到了69％以上。各月的模型監(jiān)測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)皆具有極顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.6-0.9之間。并且在各季節(jié)的等級總體一致率都在60％以上。分

5、析了各農(nóng)業(yè)氣象站點(diǎn)的月10cm深土壤相對濕度與模型的監(jiān)測值存在著極顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.6以上。
　　3.以溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)作為遙感干旱指數(shù)的代表，將其與模型監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，考察模型干旱監(jiān)測能力。模型在各季節(jié)及各地形區(qū)適用性較TVDI好;二者在一定程度上能反映農(nóng)作物單產(chǎn)變化，模型與單產(chǎn)變化的相關(guān)系數(shù)較TVDI稍高;模型對于農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測效果較好，在各季節(jié)與地形起伏區(qū)適應(yīng)性更強(qiáng)。模型結(jié)果在各站點(diǎn)與SPEI的相關(guān)系數(shù)

6、高于TVDI，模型對于氣象干旱的反應(yīng)能力強(qiáng)于TVDI。
　　4.基于模型對于2010年5-7月及10-12月的河南省干旱事件進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果與實(shí)際旱情較為相符，模型對于區(qū)域的旱情具有監(jiān)測能力。另外，本文基于構(gòu)建的模型重建了2001-2010年河南省的干旱監(jiān)測結(jié)果，以此對河南省全年及分季進(jìn)行干旱頻率及強(qiáng)度分析。河南全省的平均干旱頻率為31％，全省大部分區(qū)域干旱頻率分布在25-40％之間，在北部、中部及西部為三個明顯的干旱頻發(fā)中心