社区所有版块导航
Python
python开源   Django   Python   DjangoApp   pycharm  
DATA
docker   Elasticsearch  
aigc
aigc   chatgpt  
WEB开发
linux   MongoDB   Redis   DATABASE   NGINX   其他Web框架   web工具   zookeeper   tornado   NoSql   Bootstrap   js   peewee   Git   bottle   IE   MQ   Jquery  
机器学习
机器学习算法  
Python88.com
反馈   公告   社区推广  
产品
短视频  
印度
印度  
Py学习  »  机器学习算法

基于Google Earth Engine和Sentinel - 1 GRD数据,采用机器学习方法研究海冰厚度的时空分布

GEE遥感训练营 • 1 年前 • 339 次点击  


题目:Spatio-temporal distribution of sea-ice thickness using a machine learning approach with Google Earth Engine and Sentinel-1 GRD data

期刊:Remote Sensing of Environment

第一作者:Roghayeh Shamshiri

发表单位:挪威科技大学

发表日期:2022年




1. 摘要 

研究背景:了解冰层厚度及其分布对于规划冰区船舶和海上作业非常重要,也是气候变化的一个主要直接因素。然而,根据大多数科学界的观点,它是目前最不准确的海冰参数。星载合成孔径雷达(SAR)数据对于监测日常冰覆盖的海洋非常有价值。

拟解决的科学问题:该研究旨在利用机器学习方法结合Google Earth Engine平台和Sentinel-1 GRD数据,实现冰层厚度的时空分布研究。研究团队希望解决海冰厚度监测中的数据获取和分析难题,为海冰研究提供新的技术手段。

创新点:该研究的创新点在于利用机器学习方法结合Google Earth Engine平台和Sentinel-1 GRD数据,实现了对冰层厚度的时空分布研究。该方法克服了传统冰层监测方法中的数据获取和分析难题,为海冰研究提供了新的技术手段。此外,研究团队还通过大量的遥感数据分析和模型训练,实现了对冰层厚度的精确估计,为冰层监测和气候研究提供了重要的数据支持。

    



2. 研究方法 

开发了一种基于机器学习随机森林,对准备好的数据集进行回归和分类。前者用于推导厚度,后者用于区分冰和开放水。结合现场厚度测量和 Sentinel-1 的反向散射信息来检索水平第一年冰 (FYI) 厚度。Google Earth Engine (GEE) 中提供的 Sentinel-1 地面范围检测 (GRD) 数据集涵盖了波弗特海上空,时间跨度为 2015 年 4 月至 2018 年 9 月,检索到厚度高达 1.5 m,均方根误差 (RMSE) ) 的 22 厘米。

在本研究中实施的方法的流程图




3. 研究结果 

研究表明,提出的基于机器学习的技术利用原位厚度测量和 Sentinel-1 反向散射数据可以检索海冰厚度的区域和时间变化,均方根误差 (RMSE) 约为 22 cm。预测结果表明,冰层较薄(小于 30 厘米)的情况下是不准确的,而最准确的预测是 8 月 1 日和 1 月 1 日期间的冰。本模型可用于绘制海洋地图- 北极上空所需日期的冰厚度,也可用于计算冰体积。此外,将该技术应用于一系列 Sentinel-1 图像可以帮助监测海洋的冰物候。
这项研究说明了所开发的技术使用 Sentinel-1 数据进行海冰厚度监测的能力,具有合理的精度。然而,仍然需要开展工作来降低不准确性,例如从高压极化数据中消除残余热噪声,并包括海冰特征时间序列,例如温度、积雪和盐度,以产生大面积冰厚度变化的一致长期记录。

研究区域位于 Google 地球上的北冰洋波弗特海内。圆圈显示了 ULS 仪器的位置。 Sentinel-1 框架的轮廓,覆盖了 ULS A、B 和 D,在任何观察几何条件下分别由红色、蓝色和绿色矩形表示

从ULS数据中估算冰层厚度的测量和计算参数示意图

2003-2018年期间ULSs A、B和D的厚度的每日时间序列。较厚的曲线通过应用移动平均数(每月)来显示平滑的时间序列

2004-2017年期间ULSs A和B厚度的年际变化,通过移动平均线(月)平滑

对2017年6月12日(a-f)(被冰覆盖)和2017年9月16日(被水覆盖)采集的图像应用的归一化结果的两个例子。(a、d、g、j)表示归一化前的HH和HV图像,(c、f、i、l)表示归一化后的图像。图像轮廓见(b、e、h、k)

(a)2015年8月至2019年12月在HH和hv偏化获得的图像的线性斜率,(b)2017年在两次偏化获得的图像的斜率

在ULS B处,入射角归一化前后的(a) HH和(b) HV背向散射功率的时间序列

在所有三个系泊处,模态厚度值(蓝色)以及相应的后向散射系数(红色)(a)HV和(b) HH的时间变化。在应用一个运行平均过滤器后的相同时间序列,也被绘制在带有厚线的相同面板上。(c,d,e)2015年9月-2016年9月、2016年9月-2017年9月-2018年9月,(b)中描述的哨兵-1后向散射系数(HH-pol)。(f)radarsat-1(HH-pol)和ERS-1和2(VV-pol)SAR的后向散射系数的季节演变

(a)射频回归训练样本的真实厚度值和预测厚度值,训练时真实厚度与预测厚度的(b)散点图。(c、d)与(a、b)测试样品相同

组合训练和测试数据的散点图,颜色代表数据的体积

a,c)训练数据的真实厚度的时间演化和测试数据的分类结果。冰和水的类别分别用深橙色和蓝色的点表示,(b,d)训练和测试的分类性能

系泊A周围区域的厚度图,从2018年1月17日至12月31日,每24天绘制一次

上图冰层厚度的直方

2018年,方法预测的厚度时间序列与PIOMAS模型和ULS A测量的厚度时间序列之间的比较

真实和预测的厚度时间序列仅使用(a)的一个特征(moy),(b)的后向散射系数(HH、HV)和(c)的三个特征(HH、HV和moy)

区域的厚度图,使用(a)HH和HV,(b)HH、HV和moy,(c)HH、HV和doy,(d-f)对应的直方图

    



4. 结果与讨论 

研究结果表明,利用机器学习方法结合Google Earth Engine和Sentinel-1 GRD数据,可以实现对冰层厚度的时空分布研究。该研究为冰层监测提供了一种新的技术途径,为气候研究和环境监测提供了重要的数据支持。

    

参考文献 :Roghayeh S ,Egil E ,Vilhelm K H .Spatio-temporal distribution of sea-ice thickness using a machine learning approach with Google Earth Engine and Sentinel-1 GRD data[J].Remote Sensing of Environment,2022,270

- 往期回顾 -
1.GEE 去云专题与数据下载详解
2.Sentinel-1 GRD SAR数据中用于作物生长评估的双极化雷达指标
3.利用谷歌地球引擎云计算进行大尺度北极湿地制图


Python社区是高质量的Python/Django开发社区
本文地址:http://www.python88.com/topic/165654
 
339 次点击