【RSE好文推荐】使用基于 transformer 的创新深度学习方法填补 GRACE 数据空白

文摘   2024-12-06 06:59   湖北  
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(一)文章信息
  • 标题:Filling GRACE data gap using an innovative transformer-based deep learning approach

  • 期刊:《Remote Sensing of Environment》(中科院1区Top, IF=11.1)

  • 作者:Longhao Wang, et al.

  • doi:10.1016/j.rse.2024.114465

(二)研究背景
本研究聚焦于地球重力恢复与气候实验(GRACE)及其后续任务GRACE-FO卫星数据中的陆地水储量异常(TWSA)数据缺口问题。GRACE和GRACE-FO卫星通过测量全球重力场变化,为极端天气事件的检测和环境保护提供了重要数据。然而,GRACE数据存在11个月的数据缺口,以及几个月的缺失数据,这限制了其在水文和水资源研究中的连续使用。为了解决这一问题,研究者开发了一种基于Transformer的深度学习模型,用于填补数据缺口。该模型结合了自注意力机制和因果卷积,能够捕捉GRACE时间序列数据的局部上下文,并考虑了温度、降水和蒸散发等多种因素。研究在全球10000个时间序列像素的数据库上训练模型,并将其应用于填补所有时间间隙,确保GRACE数据的连续性。

(三)研究数据与方法
研究使用了全球CSR GRACE/GRACE-FO RL06v02 Mascon网格产品,这些月度数据集涵盖了从2002年4月到2023年6月的时间范围,空间分辨率为0.25°×0.25°。此外,研究还利用了ERA5-land月度聚合降水和温度数据集,以及Penman-Monteith-Leuning Version 2 (PML-V2)蒸散发数据产品。研究中实施了一种可配置的预测窗口(τ),以便于模型快速扩展和应用,预测未来τ时间步长内的TWSA。模型输入包括GRACE时间序列本身以及温度、降水和蒸散发等附加特征。通过随机抽样10000个全球像素点进行训练、验证和测试,以避免信息泄露。在训练阶段,通过交叉验证基于模型性能分配超参数。在验证阶段,选择2013年1月至2020年1月的11个月作为验证窗口,将这些月份视为缺失数据,以评估模型在这11个月的整体性能。

(四)研究结果

研究结果表明,所开发的基于Transformer的深度学习模型在填补GRACE数据缺口方面表现出色。在验证阶段,模型的平均均方根误差(RMSE)为6.18厘米,纳什-萨特克利夫效率(NSE)为0.906,显示出较高的预测精度和鲁棒性。特别是在干旱地区,Transformer方法的性能优于其他最先进的方法。通过引入温度、降水和蒸散发等气象特征,模型的准确性得到了进一步提高,平均RMSE降低了7.5%。此外,模型在不同气候区域的评估中也显示出良好的性能,尤其是在极端干旱地区,模型的预测结果更为准确。在时间序列分析中,与现有的水文模型、机器学习模型和时间序列推断模型相比,本研究的模型在捕捉时间序列变化方面表现出更多的鲁棒性,尤其是在干旱和超干旱盆地中。研究还发现,模型在预测7个月后的误差会增加,导致时间序列后半部分的鲁棒性降低。尽管如此,Transformer模型在地球系统预测中表现出色,尤其是在处理长期趋势和学习物理过程及人类活动方面。

(五)研究结论

本研究成功地引入了一种创新的基于Transformer的深度学习模型,用于有效填补GRACE数据中的缺口。该模型通过自注意力机制和因果卷积捕捉GRACE时间序列数据的局部上下文,并整合了气象和水文特征,如温度、降水和蒸散发,提高了填补数据缺口的准确性。研究结果支持了Transformer模型在干旱地区的卓越性能,这可以归因于时间序列模型和注意力机制的引入。通过整合温度、降水和蒸散发特征,进一步提高了填补数据缺口的准确性,平均RMSE降低了7.5%。研究提供了数据和代码,以便用户进行GRACE数据缺口填补,并为其他地球科学和水文数据集生成预测和填补结果。此外,本研究提出的基于Transformer的方法在预测水文数据和网格化观测方面显示出超越传统方法的潜力,为未来在更广泛的数据类型和特征上应用该模型提供了新的可能性。

文章来源 :

Wang, L., & Zhang, Y. (2024). Filling GRACE data gap using an innovative transformer-based deep learning approach. Remote Sensing of Environment, 315, 114465.

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