RSE最新前沿|美国马里兰大学利用GEE和Transformer模型监测全球气溶胶

文摘   2024-11-22 23:07   四川  

推荐理由:

  1. 美国马里兰大学最新研究成果,值得学习;

  2. GEE与Transformer模型双热点,值得收藏;

3. 全球气溶胶数据监测,具有良好的泛化性。

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论文标题

Wei J, Wang Z, Li Z, et al. Global aerosol retrieval over land from Landsat imagery integrating Transformer and Google Earth Engine[J]. Remote Sensing of Environment, 2024, 315: 114404.

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论文摘要


Landsat影像凭借高空间分辨率和超过50年的数据记录,在土地监测与环境评估中具有重要价值。然而,大气气溶胶对土地分类和地表参数反演精度造成显著干扰。针对这一问题,我们提出了基于深度学习Transformer模型的AeroTrans-Landsat框架,在Google Earth Engine平台上实现了Landsat影像的陆地气溶胶光学厚度(AOD)反演。研究利用2013年至2022年间的Landsat 8和9影像构建模型,并通过约560个监测站点进行严格验证。结果显示,反演的AOD数据与地面观测高度一致,交叉验证相关系数为0.905,均方根误差为0.083。其中,86%的结果符合MODIS深蓝算法误差标准,55%满足全球气候观测系统误差范围。模型对地表和大气波动不敏感,可生成高精度的连续AOD分布,适用于从暗表面到亮表面及高污染区域,展现出广泛的适应性和应用潜力。

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关键图表


图1.基于Google Earth Engine平台的Landsat影像全球气溶胶反演框架(AeroTrans-Landsat)的流程图

图2. 使用可解释人工智能(XAI)方法中的SHapley Additive exPlanations(SHAP)分析Landsat影像AOD反演特征贡献的旭日图

图3.基于样本交叉验证方法,2013年至2022年Landsat影像AOD反演与地面观测在单站点尺度上的整体精度表现:(a) 相关系数 (R),(b) 中位偏差,(c) 平均绝对误差 (MAE),(d) 均方根误差 (RMSE),以及符合(e) MODIS深蓝预期误差 (EE) 范围和(f) 全球气候观测系统 (GCOS) 不确定性目标的反演结果百分比

图4.基于不同验证方法的全球Landsat影像AOD反演与地面观测在2013年至2022年间的密度散点图:(a) 基于样本,(b) 基于站点,(c) 基于月份的10折交叉验证方法,(d) 时空独立验证方法(即使用2015年至2020年数据训练,其余年份数据测试)。实线为1:1线,虚线为EE范围。

5.基于时空独立验证方法(即用2015年至2020年数据训练,其余年份数据测试),2013年至2022年Landsat影像AOD反演与地面观测在单站点尺度上的模型性能:(a) 相关系数 (R),(b) 中位偏差,(c) 平均绝对误差 (MAE),(d) 均方根误差 (RMSE),以及符合(e) MODIS深蓝预期误差 (EE) 范围和(f) 全球气候观测系统 (GCOS) 不确定性目标的反演结果百分比

图6.针对不同地表和大气条件的Landsat影像AOD反演不确定性分析的箱线图,包括:(a) NDVI,(b) 土地利用类型,(c) 海拔(m),(d) 地表反射率(482 nm),(e) AERONET单次散射反照率(SSA,550 nm),以及(f) AOD(550 nm)。黑色实线表示零偏差,红点和箱线图中线分别表示AOD偏差的均值和中位数,下四分位和上四分位

图7.Landsat影像推导的2022年9月高分辨率(30 m)全球陆地区域AOD(550 nm)空间分布图

图8.在晴空条件下,Landsat影像(AeroTrans,30 m)和MODIS影像(MAIAC,1 km)的彩色合成图(RGB: 波段4-3-2)及对应AOD反演结果的全景图和核心区域放大图:(a-c)美国丹佛,(d-f)西班牙马德里。黑色像素表示不适合气溶胶反演的区域(如云层、雪/冰),顶部和底部注释分别标明Landsat影像的采集时间(mm/dd/yyyy)和轨道记录(路径-行)

图9.在高污染条件下,Landsat影像(AeroTrans,30 m)和MODIS影像(MAIAC,1 km)的彩色合成图(RGB: 波段4-3-2)及对应AOD反演结果的全景图和核心区域放大图,包括:(a) 东亚(中国北京)的雾霾,(b) 东南亚(泰国清迈)的烟霾,(c) 北美(美国西部)的野火,(d) 北非(撒哈拉沙漠)的沙尘。图(a)中彩色点代表地面观测数据

表3.Landsat影像AOD反演中多种机器学习和深度学习模型性能比较表

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