High spatial resolution wind data are essential for a wide range of applications in climate, oceanographic and meteorological studies. Large-scale spatial interpolation or downscaling of bivariate wind fields having velocity in two dimensions is a challenging task because wind data tend to be non-Gaussian with high spatial variability and heterogeneity. In spatial statistics, cokriging is commonly used for predicting bivariate spatial fields. However, the cokriging predictor is not optimal except for Gaussian processes. Additionally, cokriging is computationally prohibitive for large datasets. In this paper, we propose a method, called bivariate DeepKriging, which is a spatially dependent deep neural network (DNN) with an embedding layer constructed by spatial radial basis functions for bivariate spatial data prediction. We then develop a distribution-free uncertainty quantification method based on bootstrap and ensemble DNN. Our proposed approach outperforms the traditional cokriging predictor with commonly used covariance functions, such as the linear model of co-regionalization and flexible bivariate Mat\'ern covariance. We demonstrate the computational efficiency and scalability of the proposed DNN model, with computations that are, on average, 20 times faster than those of conventional techniques. We apply the bivariate DeepKriging method to the wind data over the Middle East region at 506,771 locations. The prediction performance of the proposed method is superior over the cokriging predictors and dramatically reduces computation time.


翻译:高空间分辨率的风数据对于气候、海洋学和气象学研究的广泛应用至关重要。对具有二维速度的双变量风场进行大规模空间插值或降尺度是一项具有挑战性的任务,因为风数据往往呈现非高斯分布,且具有较高的空间变异性和异质性。在空间统计中,协克里金法通常用于预测双变量空间场。然而,除高斯过程外,协克里金预测器并非最优。此外,协克里金法在大数据集上计算代价高昂。本文提出一种名为双变量深度克里金法(Bivariate DeepKriging)的方法,该方法是一种空间相关的深度神经网络,其嵌入层由空间径向基函数构建,用于双变量空间数据预测。随后,我们开发了一种基于自助法和集成深度神经网络的无分布不确定性量化方法。与使用常用协方差函数(如协同区域化线性模型和灵活双变量Matérn协方差)的传统协克里金预测器相比,我们提出的方法性能更优。我们展示了所提深度神经网络模型的计算效率和可扩展性,其计算速度平均比传统技术快20倍。我们将双变量深度克里金法应用于中东地区506,771个位置的风数据。所提方法的预测性能优于协克里金预测器,并显著降低了计算时间。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+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
2+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
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
最新内容
马赛克战:俄乌战场透析
专知会员服务
10+阅读 · 今天4:12
《利用人工智能增强军事决策》
专知会员服务
2+阅读 · 今天4:09
《自动机器学习在军事数据耕耘法中的应用》
专知会员服务
4+阅读 · 今天4:02
为何指挥所生存能力要求范式转变
专知会员服务
2+阅读 · 今天3:54
打造“新蛛网”模式与高科技动员
专知会员服务
2+阅读 · 今天3:33
“蛛网”行动一周年:远程无人机战争
专知会员服务
2+阅读 · 今天3:23
【剑桥博士论文】智能体-环境协同优化
专知会员服务
6+阅读 · 6月9日
为初级军官战术训练设计生成式人工智能平台
专知会员服务
8+阅读 · 6月9日
《美军条令:作战伤员后送保障》
专知会员服务
6+阅读 · 6月9日
相关VIP内容
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+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
2+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
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