土壤水分及其频谱分析

news2024/9/28 13:17:21

祁连山综合观测网:黑河流域地表过程综合观测网(混合林站自动气象站-2018)

import pandas as pd
df=pd.read_excel(r'C:\Users\mengx\Desktop\土壤水分的频谱分析\祁连山综合观测网:黑河流域地表过程综合观测网(混合林站自动气象站-2018)\2018年黑河流域地表过程综合观测网混合林站AWS.xlsx')

将所有包含-6999异常值的数据行都删除

df=df[~df.isin([-6999])].dropna()
df.describe()
WS_28mWD_28mTa_28mRH_28mRainPressIRT_1IRT_2PAR_downPAR_up...Ts_2cmTs_4cmTs_10cmTs_20cmTs_40cmTs_60cmTs_100cmTs_160cmTs_200cmTs_240cm
count48710.00000048710.00000048710.00000048710.00000048710.00000048710.00000048710.00000048710.00000048710.00000048710.000000...48710.00000048710.00000048710.00000048710.00000048710.00000048710.00000048710.00000048710.00000048710.00000048710.000000
mean4.077554175.66267011.46109929.8166940.001866916.70948513.92778614.165521426.74744232.581842...10.47096311.0228718.77416610.76458610.53416710.35092110.11735310.08864710.13512813.152512
std2.02504995.16417014.14413318.6376590.0882659.25047015.52700715.768607585.46988945.463257...13.38366712.1791419.83800010.81810810.2460149.1316197.5946715.5223014.8682854.268635
min0.0000000.000000-26.4913900.5509200.000000894.720520-25.433640-24.5636700.0000000.000000...-19.066890-13.060090-19.140970-7.747810-17.799430-1.8051500.3013002.4700003.3550007.149000
25%2.91383276.3878831.01112215.4441680.000000909.3849802.4745152.6086150.0000000.000000...0.1393901.1098180.1020100.4402000.413803-0.1888682.0799254.5880005.3120009.640000
50%3.803475204.70812013.56813025.0735100.000000916.59921515.22360515.28893526.8966951.065090...11.53513511.8348309.17653011.08592511.20822510.59916510.0921809.8700009.85000011.890000
75%4.955337258.73937522.89003839.2743380.000000923.32568825.73942826.046557800.48271061.899407...22.17579022.66081018.13523321.46400820.83912819.36252017.38198215.32000015.20000017.240000
max16.303840359.20432037.903010100.00000013.700000948.23279051.11845059.2402302451.167240275.145080...37.44456033.80546029.10305033.12983029.75950027.53802026.39447019.91000017.18000021.910000

8 rows × 39 columns

#取出全部的含水率数据
ms=df.iloc[:,19:29]
import matplotlib.pyplot as plt
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] # 解决汉字显示为□指定默认字体为黑体。
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
#不同深度的含水率变化
ms.plot()
plt.legend(loc=2, bbox_to_anchor=(1.05,0.7),borderaxespad = 0.)
plt.title(r'各深度的土壤水分')
plt.grid()

在这里插入图片描述

import matplotlib.pyplot as plt
# plt.plot(df["Ms_160cm"],'-k')
# plt.plot(df["Ms_4cm"],'-r')
# plt.title('4cm和160cm深度的土壤水分')
plt.plot(df["Rain"],'--g')
plt.grid()
plt.show()

在这里插入图片描述

#看一看谱密度
import pandas as pd
df=pd.read_excel(r'C:\Users\mengx\Desktop\2018年黑河流域地表过程综合观测网混合林站AWS.xlsx')
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.mlab as mlab
# 删除-6999
df=df[~df.isin([-6999])].dropna()
p,f=plt.psd(df["Ms_4cm"], NFFT=10000, Fs=2, window=mlab.window_none, pad_to=None,return_line=False)
plt.title('4cm的功率谱密度')
Text(0.5, 1.0, '4cm的功率谱密度')

在这里插入图片描述

#看一看谱密度
import pandas as pd
df=pd.read_excel(r'C:\Users\mengx\Desktop\土壤水分的频谱分析\2018年黑河流域地表过程综合观测网混合林站AWS.xlsx')
import matplotlib.pyplot as plt
plt.rcParams['font.sans-serif']=['STSong']  # 用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False  # 用来正常显示负号
plt.rcParams['font.size']=14#设置全局字体
import matplotlib.mlab as mlab
# 删除-6999
df=df[~df.isin([-6999])].dropna()
p,f=plt.psd(df["Rain"], NFFT=5096, Fs=1, window=mlab.window_none, pad_to=None,return_line=False)
plt.title('降雨的功率谱密度')
fig2=plt.figure(2)
plt.loglog(f,p)
plt.grid()

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

df.shape
(48710, 40)
df=pd.concat([pd.DataFrame(f),pd.DataFrame(p)],axis=1)
df=df[~df.isin([0])].dropna()
import numpy as np
plt.loglog(df.iloc[:,0],df.iloc[:,1])
plt.grid()
from scipy import optimize
def f_1(x, A, B):
    return A * x + B
A1, B1 = optimize.curve_fit(f_1, np.log10(df.iloc[1000:,0]),np.log10(df.iloc[1000:,1]))[0]
def f_2(x, A, B):
    return A * x + B
A2, B2 = optimize.curve_fit(f_2, np.log10(df.iloc[:400,0]),np.log10(df.iloc[:400,1]))[0]
print(A1,B1)
print(A2,B2)
x1=np.arange(np.log10(df.iloc[:,0]).min(),np.log10(df.iloc[:,0]).max(),0.02)
# print(x1)
y1 =f_1(x1,A1,B1)
y2 =f_2(x1,A2,B2)
#绘图
plt.loglog(10**x1,10**(y1))
plt.loglog(10**x1,10**(y2))
plt.text(10e-4,10e-3,r'$\beta 1=$'+str(A1)[1:7])
plt.text(10e-4,10e-1,r'$\beta 2=$'+str(A2)[1:7])
plt.show()
-0.9056930734066293 -2.49921212944677
-0.13419953778885224 -1.6300723085417057

在这里插入图片描述

黑河上游生态水文传感器网络逐时土壤水分观测数据集(2013-2017)

import pandas as pd
four_year=pd.read_csv(r'C:\Users\mengx\Desktop\土壤水分的频谱分析\2013-2018_all.csv').dropna(axis=0)
import matplotlib.pyplot as plt
plt.figure(figsize=(15,3))
plt.plot(four_year.iloc[:,2])
plt.show()

在这里插入图片描述

import matplotlib.mlab as mlab
p,f=plt.psd(four_year.iloc[:,2], NFFT=20000, Fs=1, window=mlab.window_none, pad_to=None,return_line=False)

在这里插入图片描述

删除0元素所在的行

df=pd.concat([pd.DataFrame(f),pd.DataFrame(p)],axis=1)
df=df[~df.isin([0])].dropna()

拟合对数坐标下的斜率

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
plt.rcParams['font.sans-serif']=['STSong']  # 用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False  # 用来正常显示负号
plt.rcParams['font.size']=14#设置全局字体
plt.loglog(df.iloc[:,0],df.iloc[:,1])
plt.grid()
from scipy import optimize
def f_1(x, A, B):
    return A * x + B
A1, B1 = optimize.curve_fit(f_1, np.log10(df.iloc[:,0]),np.log10(df.iloc[:,1]))[0]
print(A1,B1)
x1=np.arange(np.log10(df.iloc[:,0]).min(),np.log10(df.iloc[:,0]).max(),0.02)
# print(x1)
y1 =f_1(x1,A1,B1)
#绘图
plt.loglog(10**x1,10**(y1))
plt.text(10e-4,10e-4,r'$\beta=$'+str(A1)[:7])
plt.show()
-2.065160490229184 -5.742930857784623

在这里插入图片描述

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