基于人工智能的地球物理參數(shù)反演范式理論及判定條件

地球物理反演是—種過程，使用地球物理異常的分布，來確定地質(zhì)體的賦存狀態(tài)(形狀、產(chǎn)狀、空間位置)和物性參數(shù)(密度、磁性、電性、彈性、速度等)，這對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言具有一定指導(dǎo)意義。

人工智能(簡稱AI)技術(shù)已在學(xué)術(shù)和工程應(yīng)用領(lǐng)域掀起了研究高潮，在地球物理參數(shù)和農(nóng)業(yè)氣象遙感參數(shù)反演方面也表現(xiàn)出了強大的應(yīng)用潛力。目前大部分AI技術(shù)在地學(xué)和農(nóng)學(xué)的應(yīng)用還是“黑箱”，沒有物理意義或缺乏可解釋性及通用性。

為了促進AI在地學(xué)和農(nóng)學(xué)的應(yīng)用和培養(yǎng)交叉學(xué)科的人才，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所北方干旱半干旱耕地高效利用全國重點實驗室攜手寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院、中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院遙感科學(xué)國家重點實驗室、北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心、國家衛(wèi)星氣象中心、國家氣象中心、北京師范大學(xué)地理科學(xué)部組成毛克彪研究員團隊，該研究提出基于AI耦合物理和統(tǒng)計方法的地球物理參數(shù)反演范式理論。

首先基于物理能量平衡方程進行物理邏輯推理，從理論上構(gòu)造反演方程組，然后基于物理推導(dǎo)構(gòu)建泛化的統(tǒng)計方法。通過物理模型模擬獲得物理方法的代表性解以及利用多源數(shù)據(jù)獲得統(tǒng)計方法代表性的解作為深度學(xué)習(xí)的訓(xùn)練和測試數(shù)據(jù)庫，最后利用深度學(xué)習(xí)進行優(yōu)化求解。

判定形成具有通用性和物理可解釋的范式條件包括：(1)輸入與輸出變量(參數(shù))之間必須存在因果關(guān)系;(2)輸入和輸出變量(參數(shù))之間理論上可以構(gòu)建閉合的方程組(未知數(shù)個數(shù)少于或等于方程組個數(shù))，也就是說輸出參數(shù)可以被輸入?yún)?shù)唯一確定。如果輸入?yún)?shù)(變量)和輸出參數(shù)(變量)之間存在很強的因果關(guān)系，則可以直接使用深度學(xué)習(xí)進行反演。如果輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)之間存在弱相關(guān)性，則需要添加先驗知識來提高輸出參數(shù)的反演精度。

該研究以農(nóng)業(yè)氣象遙感中的關(guān)鍵參數(shù)地表溫度、發(fā)射率、近地表空氣溫度和大氣水汽含量聯(lián)合反演作為案例對理論進行了證明，分析結(jié)果表明該理論是可行的，并且可以輔助優(yōu)化設(shè)計衛(wèi)星傳感器波段組合。

該理論和判定條件的提出在地球物理參數(shù)反演史上具有里程碑意義。

審核編輯 黃宇