基于GPM数据和XGBoost算法的降雨侵蚀研究.pdf
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1、信息化水利技术监督 年第 期:/基于 数据和 算法的降雨侵蚀研究杜 妍(韶关市防洪管理中心 广东 韶关)摘要:针对传统获取降雨侵蚀力空间不准确问题 提出降雨侵蚀力提取 研究表明 降雨侵蚀力与 降水呈显著正相关 拟合降雨侵蚀力与间非线性关系降雨侵蚀力高值区集中于珠三角和阳江南部 为类似区土壤流失模拟提供技术参考关键词:卫星降水数据 广东省 降雨侵蚀力 算法中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:杜 妍(年)女 工程师:土壤侵蚀是自然和人类活动对土地资源的破坏过程 导致了生态环境退化和农业生产受损等问题持续性水土保持作为一项重要生态治理工程 对维系土地生态健康、水资源涵养、植被多
2、样性有着不可忽视的作用 在土壤侵蚀防治实践中 需要提取一系列生态因子 而降雨侵蚀力因子是其中关键参数之一 其表征了降雨能量对地表土体产生的击溅、剥离、运移能力 传统研究中对区域尺度降雨侵蚀力因子提取依赖于稀疏雨量站资料 并结合空间统计方法进行分析处理 其显著缺点是无法准确刻画降雨侵蚀力栅格面 尤其在站点稀疏地区的估算精度存在较大不确定性 近年来随着卫星遥感和机器学习技术发展 通过卫星降水产品和非线性拟合方法 提出了一些快速准确提取降雨侵蚀力因子的方法 例如陈君等利用 和 数据生成了华南地区降雨侵蚀力产品 梁宇靖等利用 数据得到了中国降雨侵蚀力信息 基于前人研究基础上 基于 卫星降水数据和 算法
3、 探索了一种新的提取降雨侵蚀力因子的方法并利用地面雨量站数据验证了该方法的有效性 材料与方法 研究区概况广东地处我国大陆南端 南海北岸、珠江流域中下游 总面积 万 海岸线长 区域属岭南丘陵、珠江三角洲平原和沿海平原地形 总体地貌崎岖破碎海拔为 受西太平洋季风、印度洋季风、赤道低压和副热带高压影响 区域形成南亚热带湿润季风气候 具有全年温和、降水充沛特点 年平均气温 、降水量在 、无霜期约 、积温、日照时数 其中降雨量集中于 月 其他月份降水较少 常有台风、暴雨、干旱、洪水、雷电和霜冻等气象灾害影响 由于季风性降水集中性强、强度大 在降水月易形成强烈降雨侵蚀破坏力 对地表产生剧烈冲刷、剥离因此该
4、地水土流失现象极为普遍 如图 所示图 广东地区地形、水文和气象站分布 数据来源选择准确而具有代表性的气象环境数据是提取大尺度降雨侵蚀力分布信息的重要基础 文中使用的数据主要有:地面雨量站数据 从气象数据共 年第 期水利技术监督信息化享服务网(:/)收集到研究区 年 个气象站点日降水资料 卫星降水数据 从 开源平台获取“/”产品 生成研究区 降水数据 数据 从地理空间数据云下载研究区 产品 用以提取高程、栅格点的经度、纬度等信息 降雨侵蚀力计算方法研究表明 水土流失领域著名专家 等提出的降雨侵蚀力模型在我国具有良好应用性 故而利用该模型计算站点尺度降雨侵蚀力 公式如下:()式中、日降雨侵蚀力、日
5、侵蚀性降雨量物候参数 规定 月该参数取值为 月取 基于 算法空间尺度降雨侵蚀力提取流程()是一种集成学习算法 其在梯度提升基础上 通过迭代地添加弱学习器来提高模型性能 即每次迭代中 在上一次迭代的结果基础上拟合一个新的决策树 并通过梯度提升对之前预测结果的残差进行拟合 如图 所示 通过这种方式 能够逐步提升模型的泛化能力 因此具有高效性、精度高、灵活性特点 可以适应不同应用场景 该 算 法 具 体 数 学 过 程 原 理 详 见 等人的研究图 算法结构图借鉴陈君和梁宇靖等人相关经验 使用 算法提取广东省降雨侵蚀力因子简要流程如下:()利用公式()计算并合成全部 站点 年降雨侵蚀力()对原 卫星
6、数据、影像等进行重投影、去噪、重采样、空间统计等预处理 生成 空间分辨率的环境变量栅格数据集 然后利用全部站点点位提取栅格变量集里各变量数值信息进而构建样本集 随机选择其中 的样本为建模集()、为验证集()()利 用 训 练 集 结 合 程 序 设 计回归算法 因变量为站点测量侵蚀力 自变量为 降水量、海拔、经度和纬度 为确保模型稳健性 利用 方法对 算法进行优化()基于训练好的 模型对栅格变量集进行空间预测 生成广东省 空间分辨率的降雨侵蚀力因子栅格面()利用未参与模型训练的气象站点空间点位进行独立验证 即 算法预测得到的侵蚀力栅格面对应位置处侵蚀力值 为参考值以地面观测站计算的侵蚀力 为真
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