无地面观测条件下湖泊水域多源降水融合方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了无地面观测条件下湖泊水域多源降水融合方法及系统，涉及电数字数据处理领域。融合方法包括：采集湖泊水域三套相互独立的降水估测数据，构造降水估测数据三重组合；基于三重组合的分类型和定量型精度评估单元，计算各套降水估测数据的综合分类精度、均方根误差和相关系数；基于精度评价结果，输出有雨无雨状态融合权重与降水量融合权重；分别开展降水状态融合与降水量融合计算，并将二者输出的时间序列对应相乘，输出湖泊水域多源融合降水估测数据集。本发明专利技术方法解决了湖泊水域因无地面观测数据引起的栅格降水估测数据精度评价与误差订正的难题，并可通过多源降水融合实现栅格降水估测数据分类和定量误差双重订正。订正。订正。

【技术实现步骤摘要】
无地面观测条件下湖泊水域多源降水融合方法及系统


[0001]本专利技术涉及G06F：电数字数据处理领域，尤其涉及降水产品精度评估方法，具体涉及一种无地面观测条件下湖泊水域多源降水融合方法及系统。

技术介绍

[0002]降水是湖泊物质循环与能量循环的重要环节，对于湖泊水量蓄泄、水域面积扩张或萎缩、水生态环境动态演化等具有直接影响。获取高精度降水空间分布信息是开展湖泊生态水文研究的重要基础。然而，由于开放性湖泊水域通常缺乏固定的雨量站或气象站，导致无法获取湖泊区域降水信息。近年来，随着卫星遥感反演和大气再分析技术的日趋成熟，一系列覆盖各种地貌（尤其是湖泊、沙漠、海洋、陆地等）、空间连续性、动态更新的全球性栅格降水产品相继问世，为湖泊生态水文研究提供了丰富的数据。但受传感器及反演算法的影响，相关产品在分类辨识有雨/无雨和定量估计降水量性能方面存在较大差异，并与气候、地形、雨强及时空尺度等具有一定关联。因此，全面解析卫星反演和再分析产品对湖泊水域实际降水的表征能力，并通过定性和定量误差订正获取高精度降水估测数据，是深化它们在湖泊生态水文领域应用的重要基础。
[0003]关于卫星反演和再分析栅格降水产品的精度评估与误差订正，一般以地面站点观测降水或基于站点观测插值的栅格降水估测数据作为“真值”。然而，湖泊水域无观测站点，周边陆地站点插值降水估测数据的可靠性及精度又难以量化，从而使栅格降水产品的可利用性客观评价及误差订正造成了很大的困难。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术针对当前方法的不足，提出一种无地面观测条件下湖泊水域多源降水融合方法，并进一步提出一种可用于执行上述方法的系统，利用湖泊水域相互独立的土壤含水量反演降水、卫星反演降水、再分析降水，基于有雨无雨状态时间序列的协方差、降水量时间序列的协方差计算各降水估测数据的分类和定量精度指标，并推算多源降水融合权重，并进行有雨无雨状态融合与降水量融合，从而实现湖泊水域栅格降水产品精度评价及误差订正。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：第一方面，提供一种无地面观测条件下湖泊水域多源降水融合方法，包括如下步骤：步骤1、由数据采集单元收集湖泊水域三套相互独立的降水估测数据，包括由土壤含水量反演降水、卫星反演降水、再分析降水，对所述三套降水估测数据进行时空分辨率配准，从而构造湖泊水域降水估测数据三重组合。
[0006]步骤2、将所述降水估测数据三重组合输入降水精度指标计算单元，针对某一栅格，提取该栅格位置处三套降水估测数据对应的有雨/无雨状态时间序列，输入至基于三重组合的分类型精度评估单元，输出各套降水估测数据的综合分类精度指标值；将该栅格位
置处三套降水估测数据的降水量时间序列输入至基于三重组合的定量型精度评估单元，输出各套降水估测数据的定量精度指标值，包括均方根误差和相关系数。
[0007]步骤3、将所述三套降水估测数据的综合分类精度指标值、定量精度指标值输入降水融合权重计算单元，将该栅格位置处三套降水估测数据的综合分类精度指标值输入至有雨无雨状态融合权重计算单元，输出各套降水估测数据的有雨无雨状态融合权重；将该栅格位置处三套降水估测数据的定量精度指标值输入至降水量融合权重计算单元，输出各套降水估测数据的降水量融合权重。
[0008]步骤4、将三套降水估测数据及融合权重导入多源降水融合单元，将该栅格位置处三套降水估测数据对应的有雨无雨状态时间序列与有雨无雨状态融合权重输入降水状态融合计算单元，输出该栅格位置的融合降水状态时间序列；将该栅格位置处三套降水估测数据的降水量时间序列与降水量融合权重输入降水量融合计算单元，输出该栅格位置的融合降水量时间序列；将所述融合降水状态时间序列与所述融合降水量时间序列对应相乘，得到该栅格位置的多源融合降水时间序列。
[0009]步骤5、针对研究区所有栅格，重复上述步骤2~步骤4，计算得到研究区各栅格位置处的多源融合降水时间序列。
[0010]在第一方面进一步的实施例中，所述步骤1进一步为：步骤11、分别从卫星监测土壤含水量反演降水估测系统、卫星反演降水估测系统、再分析降水估测系统收集湖泊水域三套相互独立的降水估测数据，即为土壤含水量反演降水、卫星反演降水、再分析降水。
[0011]步骤12、确定栅格降水估计的目标时空分辨率；时间方面，判断各套降水估测数据的时间分辨率与目标时间分辨率的大小关系，若降水估测数据的时间分辨率较高，则执行累加操作，否则执行分解操作，得到满足目标时间分辨的栅格降水估测数据；空间方面，判断降水估测数据的空间分辨率与目标空间分辨率的大小关系，若降水估测数据的空间分辨率较高，则执行升尺度操作，否则执行降尺度操作，获得与目标空间分辨率一致的栅格降水估测数据。
[0012]在第一方面进一步的实施例中，所述步骤2进一步为：步骤21、针对位置的栅格，提取土壤含水量反演降水量时间序列，选取有雨无雨状态判断的降水量阈值Th，逐时段判断土壤含水量反演降水与降水量阈值Th的大小关系，若降水量大于等于Th，则表示有雨，降水状态变量I
o
=+1，反之表示无雨，降水状态变量I
o
=
‑
1，由此土壤含水量反演降水的有雨无雨时间序列。针对该栅格位置处的卫星反演降水量时间序列和再分析降水量时间序列，重复本步骤，分别得到卫星反演降水的有雨无雨时间序列、再分析降水的有雨无雨时间序列。记该栅格未知的真实有雨无雨时间序列为T，由此计算有雨无雨时间序列的误差（其中i=1,2,3）。
[0013]步骤22、将栅格处三套降水估测数据的有雨/无雨时间序列，输入至基于三重组合的分类型精度评估单元，计算各套降水估测数据的综合分类精度指标值。具体过程如下：
步骤22
‑
1、该评估单元假设第i套与第j套（）降水估测数据的有雨无雨时间序列误差，相互之间满足条件独立。
[0014]步骤22
‑
2、对于第i（i=1,2,3）套降水估测数据，构造综合分类精度指标：式中，T为栅格处未知的真实有雨无雨时间序列；；表示第i套降水估测数据正确捕捉有雨状态的比例，表示第i套降水估测数据正确捕捉无雨状态的比例。
[0015]步骤22
‑
3、根据协方差公式，推导出第i套与第j套降水估测数据的有雨无雨时间序列的协方差如下：式中，为的期望，为栅格处真实有雨/无雨时间序列的方差。
[0016]步骤22
‑
4、基于三套降水估测数据的有雨无雨时间序列，采用协方差公式，计算得到两两之间的协方差，分别记为，代入步骤22
‑
3的公式，求解得到三套降水估测数据的综合分类精度指标：求解得到三套降水估测数据的综合分类精度指标：求解得到三套降水估测数据的综合分类精度指标：步骤23、将栅格处三套降水估测数据的降水量时间序列，输入至基于三重组合的定量型精度评估单元，计算各套降水估测数据的定量精度指标值。具体过程如下：步骤23
‑
1、记该栅格未知的真本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.无地面观测条件下湖泊水域多源降水融合方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、由数据采集单元收集湖泊水域三套相互独立的降水估测数据，包括土壤含水量反演降水估测数据、卫星反演降水估测数据、再分析降水估测数据，对三套所述降水估测数据进行时空分辨率配准，从而构造湖泊水域降水估测数据三重组合；步骤2、将研究区划分成多个栅格，将所述降水估测数据三重组合输入至降水精度指标计算单元，针对预定的一个起始栅格，提取该起始栅格位置处三套降水估测数据对应的有雨/无雨状态时间序列，输入至基于三重组合的分类型精度评估单元，输出各套降水估测数据的综合分类精度指标值；将该栅格位置处三套降水估测数据的降水量时间序列输入至基于三重组合的定量型精度评估单元，输出各套降水估测数据的定量精度指标值；步骤3、将步骤2中输出的所述综合分类精度指标值、定量精度指标值输入至降水融合权重计算单元，将预定栅格位置处三套降水估测数据的综合分类精度指标值输入至有雨无雨状态融合权重计算单元，输出各套降水估测数据的有雨无雨状态融合权重；将该栅格位置处三套降水估测数据的定量精度指标值输入至降水量融合权重计算单元，输出各套降水估测数据的降水量融合权重；步骤4、将三套降水估测数据、有雨无雨状态融合权重及降水量融合权重导入多源降水融合单元，将该栅格位置处三套降水估测数据对应的有雨无雨状态时间序列与有雨无雨状态融合权重输入降水状态融合计算单元，输出该栅格位置的融合降水状态时间序列；将该栅格位置处三套降水估测数据的降水量时间序列与降水量融合权重输入降水量融合计算单元，输出该栅格位置的融合降水量时间序列；将所述融合降水状态时间序列与所述融合降水量时间序列对应相乘，得到该栅格位置的多源融合降水时间序列；步骤5、针对研究区剩余其他栅格，重复步骤2~步骤4，计算得到研究区各栅格位置处的多源融合降水时间序列。2.根据权利要求1所述的无地面观测条件下湖泊水域多源降水融合方法，其特征在于，步骤1中对三套所述降水估测数据进行时空分辨率配准的过程包括：时间方面，判断各套降水估测数据的时间分辨率与目标时间分辨率的大小关系，若降水估测数据的时间分辨率高于第一阈值，则执行累加操作，否则执行分解操作，得到满足目标时间分辨的栅格降水数据；空间方面，判断降水估测数据的空间分辨率与目标空间分辨率的大小关系，若降水估测数据的空间分辨率高于第二阈值，则执行升尺度操作，否则执行降尺度操作，获得与目标空间分辨率一致的栅格降水数据。3.根据权利要求1所述的无地面观测条件下湖泊水域多源降水融合方法，其特征在于，步骤2进一步包括：步骤21、针对位置的栅格，提取土壤含水量反演降水量时间序列，选取有雨无雨状态判断的降水量阈值Th，逐时段判断土壤含水量反演降水与降水量阈值Th的大小关系，若降水量≥Th，则表示有雨，降水状态变量I
o
=+1，反之表示无雨，降水状态变量I
o
=
‑
1，由此土壤含水量反演降水的有雨无雨时间序列；针对该栅格位置处的卫星反演降水量时间序列和再分析降水量时间序列，重复本步骤，分别得到卫星反演降水的有雨无雨时间序列、再分析降水的有雨无雨时间序列
；记该栅格未知的真实有雨无雨时间序列为T，由此计算有雨无雨时间序列的误差；步骤22、将栅格处三套降水估测数据的有雨/无雨时间序列输入至基于三重组合的分类型精度评估单元，计算各套降水数据的综合分类精度指标值；其中；步骤23、将栅格处三套降水估测数据的降水量时间序列输入至基于三重组合的定量型精度评估单元，计算各套降水数据的定量精度指标值；其中。4.根据权利要求3所述的无地面观测条件下湖泊水域多源降水融合方法，其特征在于，步骤22进一步包括：步骤22
‑
1、所述分类型精度评估单元假定第i套与第j套降水估测数据的有雨无雨时间序列误差相互之间满足条件独立；步骤22
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2、对于第i套降水估测数据，构造综合分类精度指标：式中，T为栅格处未知的真实有雨无雨时间序列；；表示第i套降水估测数据正确捕捉有雨状态的比例，表示第i套降水估测数据正确捕捉无雨状态的比例；步骤22
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3、根据协方差公式，推导出第i套与第j套降水估测数据的有雨无雨时间序列的协方差如下：式中，为的期望，为栅格处真实有雨/无雨时间序列的方差；步骤22
‑
4、基于三套降水估测数据的有雨无雨时间序列，采用协方差公式，计算得到两两之间的协方差，分别记为，代入步骤22
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3的公式，求解得到三套降水估测数据的综合分类精度指标：；；。5.根据权利要求3所述的无地面观测条件下湖泊水域多源降水融合方法，其特征在于，步骤23进一步包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伶杰，王银堂，康艳，刘勇，盖永伟，唐国强，孙骞，王磊之，苏鑫，云兆得，胡庆芳，崔婷婷，李笑天，高锐，李婉雪，李利平，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：