Robust hydrological simulation is key for sustainable development, water management strategies, and climate change adaptation. In recent years, deep learning methods have been demonstrated to outperform mechanistic models at the task of hydrological discharge simulation. Adoption of these methods has been catalysed by the proliferation of large sample hydrology datasets, consisting of the observed discharge and meteorological drivers, along with geological and topographical catchment descriptors. Deep learning methods infer rainfall-runoff characteristics that have been shown to generalise across catchments, benefitting from the data diversity in large datasets. Despite this, application to catchments in Africa has been limited. The lack of adoption of deep learning methodologies is primarily due to sparsity or lack of the spatiotemporal observational data required to enable downstream model training. We therefore investigate the application of deep learning models, including LSTMs, for hydrological discharge simulation in the transboundary Limpopo River basin, emphasising application to data scarce regions. We conduct a number of computational experiments primarily focused on assessing the impact of varying the LSTM model input data on performance. Results confirm that data constraints remain the largest obstacle to deep learning applications across African river basins. We further outline the impact of human influence on data-driven modelling which is a commonly overlooked aspect of data-driven large-sample hydrology approaches and investigate solutions for model adaptation under smaller datasets. Additionally, we include recommendations for future efforts towards seasonal hydrological discharge prediction and direct comparison or inclusion of SWAT model outputs, as well as architectural improvements.


翻译:稳健的水文模拟对于可持续发展、水资源管理策略和气候变化适应至关重要。近年来,深度学习模型在水文径流模拟任务中已被证明优于机理模型。大规模样本水文数据集的普及推动了这些方法的采用,这些数据集包含观测径流与气象驱动因子,以及地质和地形流域描述因子。深度学习方法能够推导出被证明具有跨流域泛化能力的降雨-径流特征,这得益于大型数据集中的数据多样性。尽管如此,其在非洲流域的应用仍然有限。深度学习方法采用不足的主要原因是缺乏支撑下游模型训练所需的时空观测数据。因此,本研究探讨了包括长短期记忆网络在内的深度学习模型在跨境Limpopo河流域水文径流模拟中的应用,重点关注数据稀缺区域的应用场景。我们开展了多项计算实验,主要评估改变长短期记忆网络模型输入数据对性能的影响。结果证实,数据约束仍然是深度学习在非洲河流流域应用的最大障碍。我们进一步阐述了人类活动对数据驱动建模的影响——这是数据驱动大样本水文方法中常被忽视的方面,并研究了小数据集下的模型适应解决方案。此外,我们还对未来季节性水文径流预测工作、SWAT模型输出的直接比较或整合,以及架构改进提出了建议。

0
下载
关闭预览

相关内容

长短期记忆(LSTM)是一种用于深度学习领域的人工递归神经网络(RNN)架构。与标准前馈神经网络不同,LSTM具有反馈连接。它不仅可以处理单个数据点(例如图像),而且可以处理整个数据序列(例如语音或视频)。例如,LSTM适用于诸如未分段的连接手写识别,语音识别和网络流量或IDS(入侵检测系统)中的异常检测之类的任务。常见的LSTM单元由单元,输入门,输出门和忘记门组成。单元会记住任意时间间隔内的值,并且三个门控制着进出单元的信息流。LSTM网络非常适合基于时间序列数据进行分类,处理和做出预测,因为时间序列中重要事件之间可能存在未知持续时间的滞后。开发LSTM是为了解决训练传统RNN时可能遇到的梯度消失问题。与缝隙长度相对不敏感是LSTM在众多应用中优于RNN,隐马尔可夫模型和其他序列学习方法的优势。
深度学习与基础模型在天气预测中的应用:综述
专知会员服务
24+阅读 · 2025年1月15日
资源受限的大模型高效迁移学习算法研究
专知会员服务
27+阅读 · 2024年11月8日
深度预测学习:模型与应用
专知会员服务
49+阅读 · 2022年12月5日
专知会员服务
40+阅读 · 2021年5月30日
专知会员服务
61+阅读 · 2021年5月28日
专知会员服务
123+阅读 · 2020年12月9日
数据受限条件下的多模态处理技术综述
专知
22+阅读 · 2022年7月16日
深度多模态表示学习综述论文,22页pdf
专知
33+阅读 · 2020年6月21日
基于深度学习的NLP 32页最新进展综述,190篇参考文献
人工智能学家
28+阅读 · 2018年12月4日
展望:模型驱动的深度学习
人工智能学家
12+阅读 · 2018年1月23日
迁移学习在深度学习中的应用
专知
24+阅读 · 2017年12月24日
详述DeepMind wavenet原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
12+阅读 · 2017年6月26日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
相关资讯
数据受限条件下的多模态处理技术综述
专知
22+阅读 · 2022年7月16日
深度多模态表示学习综述论文,22页pdf
专知
33+阅读 · 2020年6月21日
基于深度学习的NLP 32页最新进展综述,190篇参考文献
人工智能学家
28+阅读 · 2018年12月4日
展望:模型驱动的深度学习
人工智能学家
12+阅读 · 2018年1月23日
迁移学习在深度学习中的应用
专知
24+阅读 · 2017年12月24日
详述DeepMind wavenet原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
12+阅读 · 2017年6月26日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员