1.基于多源数据融合的卫星XCO2预测方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1,构建数据集,包括历史XCO2数据 和辅助变量 ;
步骤2,构建预测模型用于预测XCO2数据,所述预测模型的输入数据为历史XCO2数据和辅助变量 ;
所述预测模型表示为:
;
其中, 表示历史XCO2数据在过去 个时间步的数据,具有 个特征, 表示辅助变量在过去 个时间步的数据,具有 个特征, 是预测出的XCO2数据在未来 个时间步的预测值;
所述预测模型对输入数据处理的过程如下:
步骤2.1,对历史XCO2数据 按时间维度进行均值归一化处理,得到 ;
步骤2.2,采用一维卷积对 进行滑动聚合,通过加权平均周围时间点的数据来提取局部特征,将卷积结果与输入序列 进行残差连接,得到输出结果 ,作为目标特征的信息;
所述一维卷积使用了零填充,所述一维卷积的卷积核大小为 ;
步骤2.3,对辅助变量 采用通道注意力ECA机制,通过全局平均池化与自适应一维卷积生成通道权重,经过通道加权的特征张量被重新排列回其原始形状,得到ECA模块的输出结果,加权后的辅助特征 ;
步骤2.4,将步骤2.2的输出结果 与加权后的辅助特征 进行交叉注意力融合,得到包含辅助变量信息的目标变量 ;
步骤2.5,对所述包含辅助变量信息的目标变量 进行预测,得到最终的预测结果;
步骤3,利用数据集对所述预测模型进行训练,得到训练好的预测模型,利用所述训练好的预测模型对 XCO2数据进行预测。
2.根据权利要求1所述基于多源数据融合的卫星XCO2预测方法,其特征在于,所述辅助变量包括气象数据、环境因子、人为因素、社会经济、空间特征;
所述气象数据包括相对湿度RH、温度TEM、U型风和V型风;
所述环境因子包括植被覆盖、地面高程、土地覆盖情况;
所述植被覆盖具体为采用归一化植被指数NDVI;
所述空间特征包括纬度、经度和空间平均,所述空间平均是指区域内的平均XCO2浓度。
3.根据权利要求1所述基于多源数据融合的卫星XCO2预测方法,其特征在于,所述步骤
2.3具体如下:
采用通道注意力机制对输入的辅助特征 进行转置操作得到 ,再对每个通道应用全局平均池化GAP,计算每个通道在时间序列维度上的平均值;
采用一维卷积操作作用于通道维度,计算每个通道的加权系数,以根据特征的重要性动态调整辅助特征的权重;
卷积核通过自适应地建模不同通道的特征重要性,动态生成每个通道的注意力权重;
卷积核的大小为 ,同时采用 填充,以确保输入和输出的通道维度一致;
;
其中 和 是可学习的参数,用于控制卷积核大小, 表示距离最近的奇数;同时,被约束为奇数,以确保对称性;
在卷积操作之后,生成的通道权重会通过Sigmoid激活函数进行处理,将权重值映射到[0, 1]的范围内;然后,通过逐元素乘法,使得权重较大的通道特征得到增强,而权重较小的通道特征被抑制,从而突出模型需要关注的重要特征;最后,经过通道加权的特征张量会被重新排列回其原始形状,得到ECA模块的输出结果 。
4.根据权利要求1所述基于多源数据融合的卫星XCO2预测方法,其特征在于,所述步骤
2.4具体如下:
对 和 进行维度映射,扩展其特征空间,得到映射后的目标特征和辅助特征 , 是嵌入维度;
将映射后的目标特征序列 被用作查询向量Query,映射后的辅助特征序列则作为键向量Key和值向量Value,表示如下:;
;
;
其中, , 和 是可学习的线性变换矩阵,分别用于将目标变量和辅助变量映射到查询、键和值空间;
将查询 ,键 和值 划分为多个注意力头,每个注意力头的维度为 : ;
其中,是注意力头的数量,得到新的表示 ;
计算每个注意力头的注意力分数,并转化成概率分布,得到注意力权重,对值 进行加权求和,得到每个头的输出,表示为:;
其中, 是键的转置, 是用于缩放的因子;
将每个注意力头的输出拼接,再经过线性层映射,得到包含辅助变量信息的目标变量。
5.根据权利要求3所述基于多源数据融合的卫星XCO2预测方法,其特征在于,步骤2.5具体如下:将所述包含辅助变量信息的目标变量 视为已知周期 的单变量时间序列 ,对所述包含辅助变量信息的目标变量 ,按照预设周期下采样成多个子序列,每个子序列包含完整周期信息;
采用时域卷积网络TCN模型独立地对每个子序列进行预测,得到对每个子序列的预测结果,合并所述子序列的预测结果,并通过周期性上采样操作,将所述预测结果映射为目标预测步长 ,从而生成最终的预测结果 。
6.根据权利要求5所述基于多源数据融合的卫星XCO2预测方法,其特征在于,所述时域卷积网络TCN模型包括四个级联的TCN_Block;
每个TCN_Block结构相同,均包括:扩张因果卷积、层归一化、激活函数、Dropout以及残差连接。
7.根据权利要求6所述基于多源数据融合的卫星XCO2预测方法,其特征在于,在所述TCN_Block中,卷积核元素间插入间隔,对于给定扩张因子 和卷积核大小 ,扩张卷积的计算公式表示为公式:;
其中, 是在时刻 处的输出, 是卷积核的第 个权重, 表示对历史时刻 的因果访问, 是扩张因子,控制卷积核元素间的采样间隔;
对于每个时间步 ,层归一化的计算由以下公式表示:;
其中, 是归一化后的输出, 是时间步 处的原始输入, 是所有时间步的均值, 是所有时间步的标准差,和 是可学习的缩放因子和偏置项,用于调整归一化后的输出;
在层归一化之后,使用ReLU激活函数来增加非线性变换,并在激活函数后引入了Dropout层;
所述残差连接中增加1×1卷积。
8.基于多源数据融合的卫星XCO2预测系统,其特征在于,包括:数据处理模块,用于对多源数据进行清洗、填补缺失值、使用双线性插值统一时空分辨率、以及归一化处理;所述多源数据包括历史XCO2数据 和辅助变量 ;
预测模型,对数据处理后的历史XCO2数据 和辅助变量 进行XCO2预测;
所述预测模型包括混合注意力模块和预测模块;
所述混合注意力模块集成了通道注意力ECA机制与交叉注意力机制,采用所述通道注意力ECA机制对辅助变量 进行特征增强;采用交叉注意力机制将历史XCO2数据 与增强后的辅助变量 进行特征融合,得到包含辅助变量信息的目标变量 ;
预测模块,对所述包含辅助变量信息的目标变量 按预设周期进行下采样生成多个子序列,采用时域卷积网络TCN独立地对每个子序列进行预测,合并所述子序列的预测结果,并进行周期上采样,通过全连接层映射为最终XCO2预测值。