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新疆区域融雪洪水强度分布精细预测研究

批准号:
42071075
项目类别:
面上项目
资助金额:
55.0 万元
负责人:
刘艳
学科分类:
冰冻圈科学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘艳

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
融雪洪水作为新疆具有地域特色的一种灾害,近年来发生频次、强度明显增加,影响经济和公众安全。新疆地形复杂,山区、乡镇气象水文观测稀缺,区域洪水强度分布观测、遥感监测、模型预测能力尤其有限。针对此,本研究拟建立一种基于Stacking集成策略的区域高时空分辨率融雪洪水强度分布预测模型。主要研究内容包括:(1)探究乡镇单元融雪洪水强度分布空间聚集和异常、时间重复性、流域结构特征等时空演变规律;(2)应用RF挖掘融雪量、积雪遥感、气象水文、地形、经济等多源异构数据和强度分布关联变化,形成区域融雪洪水强度分布预测特征集;(3)基于此特征集,以RF、KNN、SVM、GBDT和XGBoost为基模型构建Stacking集成预测模型,充分利用不同学习器和特征机器学习能力,有效提高区域融雪洪水强度分布预测精度。本研究提供融雪洪水强度分布预测特征集及模型可为防灾减灾、农业可持续发展提供服务。
英文摘要
Snow Melting Flood (SMF),is a regional characterized natural hazard across over the Xinjiang region. The occurrence frequency and intensity of SMF have increased significantly during the recent years,jeopardizing the local economy and social security. Due to the mountainous topographic surface of the Xinjiang region,the in situ observations of meteorological and hydrological parameters are lacking,which significantly hampered the performance of the high spatio-temporal resolution mapping and remote-sensing based inversion model of flood intensity. Here we propose to develop a machine learning model originated from Stacking Integration Strategy to predict regional SMF intensity and frequency. The major tasks of the proposed research include:(1) exploring spatial clustering and anomaly,time repeatability and the structural feature of the distribution of SMF intensity at the county level;(2) constructing a feature set for predicting regional SMF intensity distribution through feature selection algorithm of Random Forest(RF),which will be used to excavate the correlation between SMF intensity and multiple factors includes regional snowmelt volume,remote sensing product of snow cover,meteorology,hydrology,topography and the economic statistics;(3) With the help of the feature set generated in step 2,developing a two layer Stacking integrated learning model for region SMF intensity distribution prediction through integrating five machine learning algorithms,including Random Forest(RF),K Nearest Neighbours(KNN),Support Vector Machine(SVM),Gradient Boosted Decision Tree(GBDT) and eXtreme Gradient Boosting(XGBoost).The integrated model would behave well by fully involving the advantages of multiple classifiers and features. The expecting outcomes of this project includes a regional dataset of the spatio-temporal pattern of SMF intensity and frequency,a prediction feature collection and prediction model,aiming to support the prevention and mitigation disaster,and the sustainable development of agricultural activities of the local region.
新疆地形复杂,气象水文观测站点稀缺,特别是在山区和乡镇,限制了对区域洪水强度分布的观测、遥感监测和模型预测能力。融雪型洪水作为新疆具有地域特色的一种灾害,近年来其发生频次和强度明显增加,严重影响经济和公众安全。面对融雪型洪水灾害评估和预测这一复杂过程,本研究建立了基于随机森林(RF)的灾害风险评估模型,有效捕捉新疆融雪型洪水灾害空间分布。通过精确度、召回率和F1分数等关键指标,全面验证了模型的分类性能,确保了其在实际应用中的可靠性和有效性。模型综合考量了灾害强度、人口密度和经济发展等多因素,利用RF算法处理异构数据,提高了评估准确性和效率。主要完成研究工作包括:1.基于新疆融雪型洪水灾情历史数据集,分析融雪型洪水的时空特征,识别关键影响因素,并探讨融雪洪水与地形、环境因素及承灾体脆弱性的相互作用。2.研制基于特征工程的关键特征选择算法,应用RF挖掘积雪、气象水文、地形和经济等数据与洪水分布的关联变化,建立融雪洪水强度分布预测特征集;3.构建了以RF、K最近邻算法KNN(K-Nearest Neighbors)、支持向量机SVM(Support Vector Machine)、梯度提升决策树GBDT(Gradient Boosting Decision Tree)和极端梯度提升XGBoost(eXtreme Gradient Boosting)为基模型的Stacking集成的气象灾害发生概率(风险)预测模型,进行Web端和本地算法集成,研发相关软件2套。经参数优化的RF在识别融雪型洪水易发区方面更为精确和可靠,模型AUC值高达0.975,F1分数从0.901提高到了0.914,召回率从88.5%提高到了92.3%;4.绘制新疆地区1km×1km融雪型洪水易发区空间分布专题图,识别阿尔泰山额尔齐斯河流域、乌伦河流域、天山北坡乌鲁木齐河流域等为降雪集中区,亦是春季融雪型洪水的重点防御区。本研究通过集成多源数据和先进的机器学习算法,提高了新疆融雪洪水强度分布的预测能力,为防灾减灾提供有力支持,丰富了融雪洪水预测模型的研究,并为新疆地区洪水风险管理提供了重要参考。
稀疏植被的积雪覆盖遥感精细定量研究
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