清晨好,您是今天最早来到科研通的研友!由于当前在线用户较少,发布求助请尽量完整地填写文献信息,科研通机器人24小时在线,伴您科研之路漫漫前行!

Robust remote sensing retrieval of key eutrophication indicators in coastal waters based on explainable machine learning

梯度升压 可解释性 富营养化 环境科学 随机森林 遥感 计算机科学 Boosting(机器学习) 化学需氧量 卫星 决策树 营养物 机器学习 生态学 地理 生物 环境工程 航空航天工程 废水 工程类
作者
Liudi Zhu,Tingwei Cui,A Runa,Xinliang Pan,Wenjing Zhao,Jinzhao Xiang,Mengmeng Cao
出处
期刊:Isprs Journal of Photogrammetry and Remote Sensing [Elsevier BV]
卷期号:211: 262-280 被引量:76
标识
DOI:10.1016/j.isprsjprs.2024.04.007
摘要

Excessive discharges of nitrogen and phosphorus nutrients lead to eutrophication in coastal waters. Optical remote sensing retrieval of the key eutrophication indicators, namely dissolved inorganic nitrogen concentration (DIN), soluble reactive phosphate concentration (SRP), and chemical oxygen demand (COD), remains challenging due to lack of distinct spectral features. Although machine learning (ML) has shown the potential, the retrieval accuracy is limited, and the interpretability is insufficient in terms of the black-box characteristics. To address these limitations, based on robust and explainable ML algorithms, we constructed models for retrieving DIN, SRP, and COD over coastal waters of Northern South China Sea (NSCS), which is experiencing prominent eutrophication. Retrieval models based on classification and regression trees (CART) ML algorithms were developed using 4038 groups of in situ observations and quasi-synchronous satellite images. A comparison of CART algorithms, including Random Forest, Gradient Boosting Decision Tree, and eXtreme Gradient Boosting (XGBoost), indicated the highest retrieval accuracy of XGBoost for DIN (R2 = 0.88, MRE = 24.39 %), SRP (R2 = 0.92, MRE = 33.27 %), and COD (R2 = 0.75, MRE = 18.58 %) for validation dataset. On the basis of spectral remote sensing reflectance, further inputs of ocean physio-chemical properties, spatio-temporal information, and inherent optical properties may reduce retrieval errors by 30.16 %, 19.85 %, and 3.95 %, respectively, and their combined use reduced errors by 54.71 %. Besides, explainable ML analysis characterized the contribution of input features and enhanced the transparency of ML black-box models. Based on the proposed models, 27,278 satellite images and spatio-temporal reconstruction method, 1-km resolution gap-free daily DIN, SRP, and COD products were constructed from 2002 to 2022 for the coastal waters of NSCS. Under the influence of urbanization and river discharge, nitrogen and phosphorus concentrations in this area were found to have increased by 6.09 % and 11.04 %, respectively, over the past 21 years, with the fastest rise in the Pearl River Estuary, where the eutrophic water area had shown an increase rate of approximately 112.66 km2/yr. The proposed robust and explainable ML retrieval models may support ocean environment management and water quality monitoring by providing key eutrophication indicators products over coastal waters.
最长约 10秒,即可获得该文献文件

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
轩辕中蓝完成签到 ,获得积分10
1秒前
优美草丛完成签到,获得积分10
6秒前
wavelet的应助被parantal采纳,获得10
9秒前
华仔的应助被武雨寒采纳,获得10
10秒前
英姑的应助被Chinherbs采纳,获得10
17秒前
24秒前
靓丽的小懒虫完成签到,获得积分10
25秒前
30秒前
悦耳友菱完成签到,获得积分10
36秒前
Qian完成签到 ,获得积分10
55秒前
鱼鱼完成签到 ,获得积分10
59秒前
安静白柏完成签到,获得积分10
1分钟前
1分钟前
机智的觅海完成签到,获得积分10
1分钟前
1分钟前
1分钟前
1分钟前
如意亦瑶完成签到,获得积分10
1分钟前
刘禹慷发布了新的文献求助10
1分钟前
刘禹慷发布了新的文献求助10
1分钟前
刘禹慷发布了新的文献求助10
1分钟前
1分钟前
刘禹慷发布了新的文献求助10
1分钟前
酷波er的应助被刘禹慷采纳,获得10
1分钟前
Owen的应助被刘禹慷采纳,获得10
1分钟前
科研通AI6.4的应助被刘禹慷采纳,获得10
1分钟前
余香的应助被科研通管家采纳,获得10
1分钟前
1分钟前
刻苦的刚完成签到,获得积分10
1分钟前
1分钟前
刘禹慷发布了新的文献求助10
1分钟前
刘禹慷发布了新的文献求助10
1分钟前
1分钟前
刘禹慷发布了新的文献求助10
1分钟前
刘禹慷发布了新的文献求助10
1分钟前
2分钟前
科研通AI6.2的应助被刘禹慷采纳,获得10
2分钟前
刘禹慷发布了新的文献求助10
2分钟前
科研通AI6.2的应助被刘禹慷采纳,获得10
2分钟前
慕青的应助被刘禹慷采纳,获得10
2分钟前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
Energie-Contracting 1500
Klimaschutzrecht durch den Energiesektor im Mehrebenensystem – Ein Rechtsvergleich 1000
Représentation chimique de la structure des kérogènes et des asphaltènes en fonction de leur origine et de leur degré d'évolution 900
Ecotourism 400
Analytical Separation Science 300
Civilization and War 300
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 纳米技术 计算机科学 工程类 有机化学 化学工程 生物化学 物理 复合材料 内科学 催化作用 光电子学 人工智能 细胞生物学 无机化学 物理化学 数学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 8066198
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 9488422
关于积分的说明 21346979
捐赠科研通 7634661
什么是DOI,文献DOI怎么找? 3397898
关于科研通互助平台的介绍 2527890
邀请新用户注册赠送积分活动 2435766