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DeepUrbanDownscale: A physics informed deep learning framework for high-resolution urban surface temperature estimation via 3D point clouds

缩小尺度 点云 遥感 地理 深度学习 气候模式 网格 人工神经网络 卫星 计算机科学 气象学 人工智能 气候变化 大地测量学 地质学 航空航天工程 工程类 海洋学 降水
作者
Linwei Chen,Bowen Fang,Lei Zhao,Yu Zang,Weiquan Liu,Yiping Chen,Cheng Wang,Jonathan Li
出处
期刊:International journal of applied earth observation and geoinformation [Elsevier BV]
卷期号:106: 102650-102650 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.jag.2021.102650
摘要

Accurate high-resolution downscaling of surface climate variables (such as surface temperature) over urban areas has long been a critical yet unresolved research problem in the field of urban climate and environmental sciences. In this paper, we propose a novel physics informed neural network (PINN) based framework: DeepUrbanDownscale (DUD) for high-resolution urban surface temperature estimation. Anchored in process-based modeling and satellite remote sensing, the DUD network leverages the high-precision 3D point clouds to achieve accurate urban land surface temperature (LST) estimation at an ultra-high spatial resolution. This network, ingesting the high-precision land surface geometry information derived from 3D point clouds and guided by the atmospheric physics related to surface temperature, constructs a physics informed data-driven framework to fit high-resolution temperature distribution, which is otherwise difficult to be obtained by physical (numerical) simulations or traditional machine learning. Specifically, the proposed DUD network contains two branches: The Global Feature Perception (GPFP) branch and Local Urban Surface Perception (LUSP) branch. The former considers the broader-scale urban physical parameters, constraining the estimation results in accordance with the relevant physical laws. The latter, by employing a proposed local spatial coefficient index (LSCI), which is based on 3D point clouds, the estimation performance is further improved at a very high resolution. Results from designed experiments demonstrate that the proposed DUD network predicts the urban LST on a 30-by-30 m grid with the estimated error less than 0.2 Kelvin compared to the satellite measurement, which is well below the errors of other traditional methods.
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