卷积神经网络提取风云影像土壤湿度

目的 时空分辨率较高的土壤湿度数据对于生产实践和科学研究具有重要意义。以国产的风云气象卫星为数据源,利用卷积神经网络自主学习输入变量间深层关联的优势,获取高质量土壤湿度数据,为科学研究和生产实践服务。方法 首先构建了一个土壤湿度提取卷积神经网络（soil moisture convolutional neural network,SMCNN）,SMCNN由温度子网络和土壤湿度子网络构成,每个子网络均包含特征提取器和编码器。特征提取器用于为每个像素生成一个特征向量,其中温度子网络的特征提取器由11个卷积层组成,湿度子网络的特征提取器由9个卷积层组成,卷积层均使用1×1的卷积核。编码器用于将提取到的特征拟合为目标变量。两个子网络均使用平均方差作为损失函数。使用随机梯度下降算法对模型进行训练,最后利用训练好的模型提取区域土壤湿度数据。结果 选择宁夏回族自治区为实验区,利用获取的2016-2019年风云3D影像和相应地面站点数据作为实验数据,选择线性回归模型、BP（back propagation）神经网络模型作为对比模型开展数据实验,选择均方根误差作为评价指标。实验结果表明,SMCNN的均方根误差为0.006 7,优于对比模型,SMCNN模型在从风云影像中提取土壤湿度方面具有优势。结论 本文利用卷积神经网络分别构建用于反演地表温度和土壤湿度的子网络,再组成一个完整的土壤湿度反演网络结构,从风云3D数据中获取数值精度、时空分辨率均较高的土壤湿度数据,满足了科学研究和生产实践对大范围高精度土壤湿度数据的需求。