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基于GCN-BiGRU-STMHSA的农业干旱预测研究
1
作者
权家璐
陈雯柏
+2 位作者
王一群
程佳璟
刘亦隆
《智慧农业(中英文)》
2025年第1期156-164,共9页
[目的/意义]农业干旱对中国农业生产发展具有消极影响,甚至威胁到粮食安全。为了降低灾害损失,保障中国的作物产量,根据标准化土壤湿度指数(Standardized Soil Moisture Index, SSMI)对农业干旱进行准确预测和等级分类具有重要意义。[方...
[目的/意义]农业干旱对中国农业生产发展具有消极影响,甚至威胁到粮食安全。为了降低灾害损失,保障中国的作物产量,根据标准化土壤湿度指数(Standardized Soil Moisture Index, SSMI)对农业干旱进行准确预测和等级分类具有重要意义。[方法]基于遥感数据,采用深度学习相关模型实现了农业干旱预测。首先,考虑了农业干旱的空间特点,提出了一种结合图神经网络、双向门控循环单元(Bi-Directional Gated Recurrent Unit, BiGRU)和多头自注意力机制的农业干旱预测模型GCN-BiGRU-STMHSA (Graph Convolutional Networks-Bidirectional Gated Recurrent Unit-Spatio-Temporal Multi-Head Self-Attention)。其次,使用日尺度的SSMI作为农业干旱指标。最后,根据搭建的GCN-BiGRU-STMHSA模型实现对SSMI的精准预测和分类。采用全球陆地数据同化系统2.1(Global Land Data Assimilation System-2.1, GLDAS-2.1)为数据集,在该数据集上训练GCN-BiGRU-STMHSA模型,以预测SSMI值并进行农业干旱等级分类。并与经典深度学习模型进行了比较。[结果和讨论]实验结果表明,GCN-BiGRU-STMHSA模型结果优于其他模型。在5个研究地点中,固始县数据集上误差最小,预测10天后的SSMI时,其平均绝对误差(Mean Absolute Error, MAE)为0.053、均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE)为0.071、决定系数(Coefficient of Determination, R2)为0.880,准确率(Accuracy, ACC)为0.925,调和平均值(F1)为0.924。预测步长越短,预测的效果越好,当预测步长为28天时,模型预测干旱分类表现依然良好。[结论]该模型在农业干旱预测和分类任务中具有更高的精度和更好的泛化能力。
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关键词
农业干旱预测
BiGRU
多头自注意力机制
图神经网络
标准化土壤湿度指数
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职称材料
华北地区农业干旱预测模型及其应用研究
被引量：
53
2
作者
刘建栋
王馥棠
+3 位作者
于强
王建林
毕建杰
樊广华
《应用气象学报》
CSCD
北大核心
2003年第5期593-604,共12页
对华北地区冬小麦进行了水分胁迫实验 ,确定了冬小麦光合作用速率对水分胁迫的响应曲线 ,提出了农业干旱指数和农业干旱预警指数两个基本概念 ,在此基础上建立了具有明确生物学机理的华北农业干旱预测数值模式。对北京、石家庄、郑州和...
对华北地区冬小麦进行了水分胁迫实验 ,确定了冬小麦光合作用速率对水分胁迫的响应曲线 ,提出了农业干旱指数和农业干旱预警指数两个基本概念 ,在此基础上建立了具有明确生物学机理的华北农业干旱预测数值模式。对北京、石家庄、郑州和济南 1 998年至 2 0 0 0年 432旬的农业干旱模拟结果表明 :农业干旱预警定性准确率为 90 .7% ,定量准确率在87.5 %左右 ;此外 ,模拟表明模式也可以对区域农业干旱进行准确有效的预测。利用 1 961～ 2 0 0 0年气象资料对北京等地区历年农业干旱进行数值分析 ,结果表明 :不同于大气干旱 ,在自然气象条件下 ,北京等地区作物生长期内几乎每年都存在农业干旱现象 ,特别是冬小麦灌浆至成熟期每年均存在一次较为严重的农业干旱胁迫过程 ,但农业干旱胁迫程度年际间存在一定波动 ,功率谱分析表明其具有 3～ 6年的周期变化规律。对平均气候状况下华北地区农业干旱进行了时空动态分析 ,结果发现在自然条件下 ,华北大部分地区冬小麦 4月下旬至 5月下旬 ,即大约在冬小麦开花、灌浆至成熟期 ,农业干旱胁迫指数存在一种自然的逐渐加强的动态过程 。
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关键词
华北地区
农业干旱预测
模型
冬小麦
数值模式
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职称材料
华北地区冬小麦叶片光合作用模型在农业干旱预测中的应用研究
被引量：
19
3
作者
刘建栋
王馥棠
+3 位作者
于强
毛飞
毕建杰
樊广华
《应用气象学报》
CSCD
北大核心
2003年第4期469-478,共10页
在冬小麦抽穗—灌浆期进行了水分胁迫实验 ,利用美国Licor公司生产的Licor 1 88B辐射量子照度仪及Licor 640 0便携式光合作用测定仪 ,对水分胁迫引起的冬小麦光合生理生态变化进行了系统观测 ,系统地给出了冬小麦多种农业气象指标对水...
在冬小麦抽穗—灌浆期进行了水分胁迫实验 ,利用美国Licor公司生产的Licor 1 88B辐射量子照度仪及Licor 640 0便携式光合作用测定仪 ,对水分胁迫引起的冬小麦光合生理生态变化进行了系统观测 ,系统地给出了冬小麦多种农业气象指标对水分胁迫的响应状况。在大量实测数据基础上 ,给出了包含辐射强度、温度及土壤水分因子的冬小麦叶片光合作用模式。该模式具有严格的理论推导过程和大量实验数据的支持 ,改进了传统水分胁迫对叶片光合速率影响的简单阶乘方法 ,从而为进一步准确推算水分胁迫对大田冬小麦光合作用的可能影响 ,以及水分胁迫对区域农业干旱的可能影响奠定了前提条件。该研究是冬小麦干旱预测模型的叶片子模型 ,为冬小麦农业干旱预测模型提供了丰富的基本参数 。
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关键词
华北地区
冬小麦
叶片
光合作用
农业干旱预测
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职称材料
题名
基于GCN-BiGRU-STMHSA的农业干旱预测研究
1
作者
权家璐
陈雯柏
王一群
程佳璟
刘亦隆
机构
北京信息科技大学
出处
《智慧农业(中英文)》
2025年第1期156-164,共9页
基金
国家科技创新2030-“新一代人工智能”重大项目课题(2021ZD0113603)。
文摘
[目的/意义]农业干旱对中国农业生产发展具有消极影响,甚至威胁到粮食安全。为了降低灾害损失,保障中国的作物产量,根据标准化土壤湿度指数(Standardized Soil Moisture Index, SSMI)对农业干旱进行准确预测和等级分类具有重要意义。[方法]基于遥感数据,采用深度学习相关模型实现了农业干旱预测。首先,考虑了农业干旱的空间特点,提出了一种结合图神经网络、双向门控循环单元(Bi-Directional Gated Recurrent Unit, BiGRU)和多头自注意力机制的农业干旱预测模型GCN-BiGRU-STMHSA (Graph Convolutional Networks-Bidirectional Gated Recurrent Unit-Spatio-Temporal Multi-Head Self-Attention)。其次,使用日尺度的SSMI作为农业干旱指标。最后,根据搭建的GCN-BiGRU-STMHSA模型实现对SSMI的精准预测和分类。采用全球陆地数据同化系统2.1(Global Land Data Assimilation System-2.1, GLDAS-2.1)为数据集,在该数据集上训练GCN-BiGRU-STMHSA模型,以预测SSMI值并进行农业干旱等级分类。并与经典深度学习模型进行了比较。[结果和讨论]实验结果表明,GCN-BiGRU-STMHSA模型结果优于其他模型。在5个研究地点中,固始县数据集上误差最小,预测10天后的SSMI时,其平均绝对误差(Mean Absolute Error, MAE)为0.053、均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE)为0.071、决定系数(Coefficient of Determination, R2)为0.880,准确率(Accuracy, ACC)为0.925,调和平均值(F1)为0.924。预测步长越短,预测的效果越好,当预测步长为28天时,模型预测干旱分类表现依然良好。[结论]该模型在农业干旱预测和分类任务中具有更高的精度和更好的泛化能力。
关键词
农业干旱预测
BiGRU
多头自注意力机制
图神经网络
标准化土壤湿度指数
Keywords
agricultural drought prediction
BiGRU
multi-head self-attention mechanism
graph convolutional network
standardized soil moisture index
分类号
TP183 [自动化与计算机技术—控制理论与控制工程]
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职称材料
题名
华北地区农业干旱预测模型及其应用研究
被引量：
53
2
作者
刘建栋
王馥棠
于强
王建林
毕建杰
樊广华
机构
中国气象科学研究院
中国科学院地理科学与资源研究所
山东农业大学农学系
出处
《应用气象学报》
CSCD
北大核心
2003年第5期593-604,共12页
基金
国家科技部"十五"攻关计划"农林重大病虫害和农业气象灾害的预警控制技术研究"之"农业气象灾害预警技术研究"( 2 0 0 1BA5 0 9B 1 3 )课题
科技部社会公益性研究专项资金项目"华北干旱
东北低温冷害监测预警技术研究"课题资助
文摘
对华北地区冬小麦进行了水分胁迫实验 ,确定了冬小麦光合作用速率对水分胁迫的响应曲线 ,提出了农业干旱指数和农业干旱预警指数两个基本概念 ,在此基础上建立了具有明确生物学机理的华北农业干旱预测数值模式。对北京、石家庄、郑州和济南 1 998年至 2 0 0 0年 432旬的农业干旱模拟结果表明 :农业干旱预警定性准确率为 90 .7% ,定量准确率在87.5 %左右 ;此外 ,模拟表明模式也可以对区域农业干旱进行准确有效的预测。利用 1 961～ 2 0 0 0年气象资料对北京等地区历年农业干旱进行数值分析 ,结果表明 :不同于大气干旱 ,在自然气象条件下 ,北京等地区作物生长期内几乎每年都存在农业干旱现象 ,特别是冬小麦灌浆至成熟期每年均存在一次较为严重的农业干旱胁迫过程 ,但农业干旱胁迫程度年际间存在一定波动 ,功率谱分析表明其具有 3～ 6年的周期变化规律。对平均气候状况下华北地区农业干旱进行了时空动态分析 ,结果发现在自然条件下 ,华北大部分地区冬小麦 4月下旬至 5月下旬 ,即大约在冬小麦开花、灌浆至成熟期 ,农业干旱胁迫指数存在一种自然的逐渐加强的动态过程 。
关键词
华北地区
农业干旱预测
模型
冬小麦
数值模式
Keywords
North China Plain Winter wheat Prediction model of agricultural drought
分类号
S165.25 [农业科学—农业气象学]
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职称材料
题名
华北地区冬小麦叶片光合作用模型在农业干旱预测中的应用研究
被引量：
19
3
作者
刘建栋
王馥棠
于强
毛飞
毕建杰
樊广华
机构
中国气象科学研究院
中国科学院地理科学与资源研究所
山东农业大学农学系
出处
《应用气象学报》
CSCD
北大核心
2003年第4期469-478,共10页
基金
国家"十五"科技攻关计划"农林重大病虫害和农业气象灾害的预警及控制技术研究"之"农业气象灾害预警技术研究"(2 0 0 1BA5 0 9B13 )
科技部社会公益研究专项资助项目"华北干旱和东北低温冷害监测预警技术研究"(2 0 0 1DIB2 0 0 96)课题资助
文摘
在冬小麦抽穗—灌浆期进行了水分胁迫实验 ,利用美国Licor公司生产的Licor 1 88B辐射量子照度仪及Licor 640 0便携式光合作用测定仪 ,对水分胁迫引起的冬小麦光合生理生态变化进行了系统观测 ,系统地给出了冬小麦多种农业气象指标对水分胁迫的响应状况。在大量实测数据基础上 ,给出了包含辐射强度、温度及土壤水分因子的冬小麦叶片光合作用模式。该模式具有严格的理论推导过程和大量实验数据的支持 ,改进了传统水分胁迫对叶片光合速率影响的简单阶乘方法 ,从而为进一步准确推算水分胁迫对大田冬小麦光合作用的可能影响 ,以及水分胁迫对区域农业干旱的可能影响奠定了前提条件。该研究是冬小麦干旱预测模型的叶片子模型 ,为冬小麦农业干旱预测模型提供了丰富的基本参数 。
关键词
华北地区
冬小麦
叶片
光合作用
农业干旱预测
Keywords
Agrometeorological model Winter wheat Drought st ress
分类号
S512.1 [农业科学—作物学]
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职称材料
题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
基于GCN-BiGRU-STMHSA的农业干旱预测研究
权家璐
陈雯柏
王一群
程佳璟
刘亦隆
《智慧农业(中英文)》
2025
0
在线阅读
下载PDF
职称材料
2
华北地区农业干旱预测模型及其应用研究
刘建栋
王馥棠
于强
王建林
毕建杰
樊广华
《应用气象学报》
CSCD
北大核心
2003
53
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下载PDF
职称材料
3
华北地区冬小麦叶片光合作用模型在农业干旱预测中的应用研究
刘建栋
王馥棠
于强
毛飞
毕建杰
樊广华
《应用气象学报》
CSCD
北大核心
2003
19
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职称材料
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