شماره ركورد
24887
شماره راهنما
MAP2 122
عنوان
توسعه يك چارچوب ريزمقياس سازي طي يكپارچه سازي محصولات ماهواره-محور به منظور دستيابي به داده هاي بارشي دقيق با توان تفكيك مناسب
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي نقشه برداري- سنجش از دور
دانشكده
مهندسي عمران و حمل و نقل
تاريخ دفاع
1403/11/06
صفحه شمار
74 ص.
استاد راهنما
مينا مرادي زاده
كليدواژه فارسي
ريزمقياس سازي , يكپارچه سازي , يادگيري ماشين , جنگل تصادفي , شبكه عصبي كانولوشنال , ايستگاه هاي سينوپتيك زميني , محصولات بارشي ماهوارهاي
چكيده فارسي
بارش بهعنوان يكي از اصليترين مولفههاي چرخه هيدرولوژيكي و زيستمحيطي، نقشي كليدي در تأمين منابع آب شيرين، حفظ اكوسيستمها و تضمين امنيت غذايي ايفا ميكند. با اين حال، برآورد دقيق توزيع مكاني و زماني بارش، بهويژه در مناطق خشك و كوهستاني، به دليل محدوديتهاي موجود در دادههاي مشاهداتي زميني همواره يكي از چالشهاي اصلي مطالعات هواشناسي و هيدرولوژيكي بودهاست. دادههاي ايستگاههاي زميني، هرچند معتبرترين منبع اطلاعات بارشي به شمار ميروند، اما به دليل پوشش مكاني محدود، ناپيوستگي زماني و كمبود ايستگاهها در بسياري از مناطق، پاسخگوي نيازهاي گسترده در مديريت منابع آب نيستند. از سوي ديگر، دادههاي ماهوارهاي، بهويژه محصولات بارشي مانند IMERG، CHIRPS، PERSIANN_CDR وERA5، به دليل قابليت پوشش وسيع و ارائه دادههاي پيوسته در بازههاي زماني منظم، بهعنوان جايگزيني ارزشمند براي دادههاي ايستگاهي مورد توجه قرار گرفتهاند. با اين حال، توان تفكيك مكاني پايين و خطاهاي سيستماتيك موجود در اين محصولات، ضرورت ادغام چند محصول بارشي بهجاي استفاده از تكمحصول و همچنين ريزمقياسسازي با در نظر گرفتن تأثير پارامترهاي محيطي را آشكار ميسازد .اين مطالعه كه بر دادههاي بارشي سال 2021 ايران متمركز است، بهمنظور بهبود دقت و توان تفكيك مكاني دادههاي بارشي، يك چارچوب تركيبي مبتني بر يادگيري ماشين ارائه كردهاست. در مرحله نخست، پس از ارزيابي و حذف اريبي محصولات بارشي ماهوارهاي، تمامي محصولات ماهوارهاي با سه روش مختلف بازنمونهبرداري شدند تا توان تفكيك مكاني آنها يكسان شده و براي ادغام آماده شوند. سپس، محصول بارشي ادغام شده با استفاده از مدل جنگل تصادفي توليد شد. در اين فرايند، دادههاي ماهوارهاي و دادههاي ايستگاهي زميني بهطور يكپارچه ادغام شدند. اين فرآيند تلفيق، توانست مزاياي هر دو نوع داده را با يكديگر ادغام كند و محدوديتهاي موجود در هر يك را كاهش دهد. در مرحله دوم، محصول توليدشده با بهرهگيري از شبكه عصبي كانولوشنال (CNN) ريزمقياسسازي گرديد. در اين شبكه، علاوه بر استفاده از محصول بارشي حاصل از ادغام، پارامترهاي محيطي نظير دما، بخار آب و ارتفاع نيز بهعنوان ورودي در مدلسازي به كاربردهشد. استفاده از اين متغيرها سبب شد تا اثرات توپوگرافي، شرايط جوي و ساير عوامل محيطي بر بارش بهصورت دقيقتر در محصول نهايي لحاظ گردد. در نهايت محصولات توليدشده با استفاده از معيارهايي همچون ميزان همبستگي، ميزان اريبي و مقادير RMSE توسط دادههاي ايستگاههاي سينوپتيك زميني مورد اعتبارسنجي قرارگرفتند؛ كه بهترين محصول بارشي با مقدار 16.51= RMSE و ميزان همبستگي 0.89 ميباشد. اين ارزيابيها عملكرد دقيقتر مدل را تأييد كرده و بر كاربردپذيري نتايج آن تأكيد كردند. نتايج اين پژوهش نشان داد كه چارچوب پيشنهادي قادر است محدوديتهاي موجود در دادههاي ايستگاهي و ماهوارهاي را كاهش داده و محصولاتي با دقت و توان تفكيك مكاني بالاتر توليد كند. اين محصولات ميتوانند در حوزههاي مختلفي نظير پيشبيني سيلاب، مديريت منابع آب، برنامهريزي كشاورزي و مطالعات اقليمي مورد استفاده قرار گيرند.
كليدواژه لاتين
Downscaling , Integration , Machine Learning , Random Forest , Convolutional Neural Network , Ground Synoptic Stations , Satellite Precipitation Products
عنوان لاتين
Development of a downscaling framework during the integration of satellite-based products, in order to obtain accurate and higher resolution precipitation data
گروه آموزشي
مهندسي نقشه برداري
چكيده لاتين
Precipitation, as one of the primary components of the hydrological and environmental cycles, plays a crucial role in providing freshwater resources, preserving ecosystems, and ensuring food security. However, accurately estimating the spatial and temporal distribution of precipitation, particularly in arid and mountainous regions, remains a significant challenge in meteorological and hydrological studies due to the limitations of ground observational data. While ground station data are considered the most reliable source of precipitation information, their limited spatial coverage, temporal discontinuity, and insufficient distribution in many regions fail to meet the extensive requirements of water resource management. On the other hand, satellite data, especially precipitation products such as IMERG, CHIRPS, PERSIANN_CDR, and ERA5, have gained prominence as valuable alternatives due to their wide coverage and provision of continuous data at regular intervals. Nevertheless, the coarse spatial resolution and systematic errors of these products underscore the need to integrate multiple precipitation datasets rather than relying on a single product, as well as to perform downscaling while accounting for environmental parameters.
This study, focusing on precipitation data for Iran in 2021, proposes a hybrid framework based on machine learning to enhance the accuracy and spatial resolution of precipitation data. In the first phase, after evaluating and correcting biases in satellite precipitation products, all satellite datasets were resampled using three different methods to standardize their spatial resolution and prepare them for integration. Subsequently, the integrated precipitation product was generated using the Random Forest model, which effectively combined satellite and ground station data into a unified dataset. This integration successfully merged the advantages of both data sources while mitigating their respective limitations.
In the second phase, the generated product was downscaled using a Convolutional Neural Network (CNN). This network incorporated not only the integrated precipitation product but also environmental parameters such as temperature, water vapor, and elevation as inputs. The inclusion of these variables allowed for a more precise consideration of topographic effects, atmospheric conditions, and other environmental influences on precipitation in the final product.
Finally, the generated products were validated using ground synoptic station data, with evaluation metrics such as correlation, bias, and RMSE. The best-performing precipitation product exhibited an RMSE of 16.51 mm and a correlation coefficient of 0.89, confirming the improved accuracy of the model and its applicability.
The results of this research demonstrate that the proposed framework effectively reduces the limitations of both ground-based and satellite data, producing precipitation datasets with higher accuracy and spatial resolution. These products have broad potential applications in fields such as flood forecasting, water resource management, agricultural planning, and climate studies.
تعداد فصل ها
5
فهرست مطالب pdf
140875
نويسنده