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(duì)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(qiáng)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(jìn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)，該研究提出基于AI耦合物理和統(tǒng)計(jì)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(jìn)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(jì)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(jì)方法代表性的解作為深度學(xué)習(xí)的訓(xùn)練和測(cè)試數(shù)據(jù)庫，最后利用深度學(xué)習(xí)進(jìn)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(gè)數(shù)少于或等于方程組個(gè)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(qiáng)的因果關(guān)系，則可以直接使用深度學(xué)習(xí)進(jìn)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(yàn)知識(shí)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(duì)理論進(jìn)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(jì)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