深度学习破解高分辨率土壤水分反演难题
记者日前从安徽师范大学了解到，该校汪左副教授联合中国科学院空天信息创新研究院、河海大学、中国科学院青藏高原研究所等多家单位，构建了物理散射模型引导的土壤水分深度迁移学习反演框架，破解植被覆盖地表高空间分辨率土壤水分反演关键难题。相关成果日前发表于学术期刊《环境遥感》。
土壤水分是维系陆地水循环、农业生产与生态稳定的核心要素。合成孔径雷达可实现全天时、全天候、高分辨率地表观测，是大范围土壤水分监测的重要手段，但现有反演技术仍存明显短板，深度学习算法擅长挖掘遥感数据复杂非线性关系，却缺少物理规律约束，易受样本数量与分布的影响。如何实现物理约束的高精度土壤水分遥感反演，成为亟待破解的关键难题。
针对这一难题，研究团队提出了一种物理散射模型引导的土壤水分深度迁移学习框架。研究人员首先利用AIEM+Oh散射模型，生成包含473万组参数组合的大规模裸土微波散射模拟数据库，将复杂的微波散射过程转化为可学习的物理先验知识，并以此预训练神经网络，从而将散射模型中的物理知识转化为可迁移的网络参数。此外，研究团队创新设计整体、独立、交叉三类特征迁移方案，搭配编码器、DNN多层网络冻结/解冻共四种微调策略，组合形成12套优化方案，搭建有效知识迁移通道，将学习自裸土散射模型的物理先验知识迁移至植被覆盖地表的卫星观测数据，并弥合理想模拟数据与真实地表卫星观测数据之间的偏差。这套新框架无需实地测量地表粗糙度、植被参数，就能实现植被覆盖地表高精度土壤水分反演。
该框架在奥地利HOAL、荷兰Twente、美国太浩湖、中国那曲等四个具有不同气候、地形和植被条件的典型区域开展训练、测试，并在罗马尼亚、德国、美国内华达、我国玛曲、阿里等地环境相近开展跨区域测试，全面检验模型性能与泛化性。结果显示，交叉特征迁移搭配编码器冻结为最优模型组合，既能保留散射模型的物理知识，又能够适应真实地表条件，在反演精度和区域泛化能力方面表现最佳，均优于随机森林、XGBoost、DNN等传统算法。
相关专家认为，该研究为解决土壤水分遥感反演领域传统物理模型应用受限和深度学习算法物理约束不足的问题提供了新的技术路径，可为农业水分管理、干旱监测、水文过程模拟和生态环境评估提供重要技术支撑。
（安徽师范大学供图）
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