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融合GNSS ZTD和气象要素的内蒙古土壤水含量模型

娄泽生 杨晶 吴亮 孙玉梅

娄泽生, 杨晶, 吴亮, 孙玉梅. 融合GNSS ZTD和气象要素的内蒙古土壤水含量模型[J]. 全球定位系统, 2022, 47(1): 49-58. doi: 10.12265/j.gnss.2021090802
引用本文: 娄泽生, 杨晶, 吴亮, 孙玉梅. 融合GNSS ZTD和气象要素的内蒙古土壤水含量模型[J]. 全球定位系统, 2022, 47(1): 49-58. doi: 10.12265/j.gnss.2021090802
LOU Zesheng, YANG Jing, WU Liang, SUN Yumei. Soil moisture model of Inner Mongolia based on GNSS ZTD and meteorological elements[J]. GNSS World of China, 2022, 47(1): 49-58. doi: 10.12265/j.gnss.2021090802
Citation: LOU Zesheng, YANG Jing, WU Liang, SUN Yumei. Soil moisture model of Inner Mongolia based on GNSS ZTD and meteorological elements[J]. GNSS World of China, 2022, 47(1): 49-58. doi: 10.12265/j.gnss.2021090802

融合GNSS ZTD和气象要素的内蒙古土壤水含量模型

doi: 10.12265/j.gnss.2021090802
详细信息
    作者简介:

    娄泽生:(1994—),男,硕士,研究方向为大地测量与数据处理

    孙玉梅:(1975—),女,博士,研究方向为大地测量与地理信息系统

    通信作者:

    孙玉梅 E-mail: 18609253@qq.com

  • 中图分类号: P228.49;P405

Soil moisture model of Inner Mongolia based on GNSS ZTD and meteorological elements

  • 摘要: 土壤水含量是农牧业衡量干旱的重要指标,对气候生态具有重要影响,土壤水的变化趋势对于区域的水土流失和气候变化研究等工作具有重要意义,而我国对于土壤水含量的监测起步较晚,因此有必要利用其他已有数据开展土壤水含量模型研究. 利用内蒙古已有全球导航卫星系统(GNSS)天顶对流层延迟(ZTD)数据和湿度、日照以及蒸发量数据进行土壤水含量反演模型研究. 首先将各要素与土壤水含量进行相关性分析,因土壤水含量与GNSS ZTD数据均存在观测噪声,所以应对数据进行去噪处理. 利用小波变换方法剔除噪声,去噪后土壤水含量数据与各要素相关性均有所提高,土壤水含量与湿度相关性最好,两者各实验点的平均相关性为0.645;土壤水含量与日照和蒸发量呈负相关,其平均相关性分别为−0.561、−0.547;而土壤水含量与GNSS ZTD数据相关性最小,其平均相关性为0.271. 根据各要素与土壤水含量的相关性,进行土壤水含量模型构建并进行可靠性验证. 经验证误差统计发现:实验区域NMWJ站模型精度最高,其精度为90.1%;HLAR站点模型精度最低,其精度为69.1%;各站点的平均精度为81.35%. 基于多变量要素的土壤水含量模型可为土壤水含量的趋势变化研究提供参考,通过研究土壤水含量的变化趋势,对区域进行水资源的合理分配利用从而达到节约水资源目的.

     

  • 图  1  SMAP卫星土壤水含量时序变化

    图  2  GNSS数据站点与气象数据采集站点

    图  3  GNSS ZTD时序变换

    图  4  经小波去噪后土壤水含量时间序列

    图  5  经小波去噪后GNSS ZTD时间序列

    图  6  利用气象要素的模型构建

    图  7  利用日照、蒸发量和GNSS ZTD要素的模型构建

    图  8  气象要素反演土壤水含量

    注:反演值1为仅气象要素反演土壤水含量,反演值2为日照、蒸发量和GNSS ZTD反演土壤水含量,反演值3为气象要素融合GNSS ZTD土壤水含量反演.

    表  1  土壤水含量与各要素去噪前后相关性对比

    站点原数据相关性小波分解后相关性
    平均相对湿度日照蒸发量GNSS ZTD0 cm地表温度平均相对湿度日照蒸发量GNSS ZTD
    NMDW0.698–0.398–0.5110.143/0.063–0.3390.822–0.532–0.6910.315
    NMZL0.590–0.401–0.3690.386–0.086/0.2790.687–0.515–0.5000.389
    HLAR0.593–0.448–0.5750.113/0.163–0.4130.650–0.580–0.672–0.192
    NMTK0.498–0.484–0.2670.3100.175/0.0040.596–0.681–0.4200.230
    NMAG0.533–0.496–0.4920.329–0.112/0.1010.623–0.594–0.6440.375
    NMWJ0.473–0.431–0.2680.1980.091/0.1410.493–0.464–0.3560.127/0.040
       注:红色字体为显著性值,未标注则其显著性为0.001.
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    表  2  相对湿度与GNSS ZTD相关性

    站点NMAGNMDWHLARNMTKNMWJNMZL
    相关性0.754–0.150–0.3030.5620.3350.361
      注:表2相关性均通过显著性检验.
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    表  3  气象要素土壤水含量模型

    站点常数项湿度日照蒸发量
    NMDW–0.0120.2070.008–0.003
    HLAR0.2080.105–0.053–0.015
    NMAG0.1200.020–0.017–0.009
    NMTK0.1420.086–0.1020.041
    NMWJ0.1320.062–0.032–0.001
    NMZL0.0870.163–0.049–0.002
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    表  4  日照、蒸发量和GNSS ZTD构建土壤水含量模型

    站点常数项日照蒸发量GNSS ZTD
    NMDW–0.053–0.034–0.0130.101 0
    HLAR0.465–0.073–0.018–0.073 0
    NMAG0.111–0.019–0.0100.011 0
    NMTK0.124–0.1170.0040.043 0
    NMWJ0.096–0.040–0.0300.038 6
    NMZL0.154–0.067–0.0120.041 8
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    表  5  气象要素和GNSS ZTD土壤水含量模型

    站点常数项湿度日照蒸发量GNSS ZTD/m
    NMDW0.1700.2320.011–0.002–0.092
    HLAR0.6980.202–0.039–0.009–0.261
    NMAG0.3120.051–0.016–0.008–0.091
    NMTK0.3600.129–0.0960.051–0.116
    NMWJ0.3440.103–0.0340.001–0.112
    NMZL0.6480.234–0.049–0.002–0.291
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    表  6  土壤水含量模型误差统计 m

    站点湿度、日照和蒸发量反演误差日照、蒸发量和GNSS ZTD反演误差湿度、日照、蒸发量和GNSS ZTD反演误差
    平均偏差RMSE平均偏差RMSE平均偏差RMSE
    NMDW0.012 90.022 00.010 00.032 40.013 70.020 9
    HLAR0.023 00.051 30.026 30.056 10.022 30.050 8
    NMAG0.000 70.027 30.006 80.029 70.009 00.015 1
    NMTK0.013 70.024 40.014 40.031 40.013 40.023 3
    NMWJ0.005 20.017 70.002 00.370 00.006 50.013 3
    NMZL0.018 60.026 10.021 80.039 30.016 40.025 5
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  • 收稿日期:  2021-09-08
  • 网络出版日期:  2022-02-23

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