Accurate precipitation nowcasting is essential for various purposes, including flood prediction, disaster management, optimizing agricultural activities, managing transportation routes and renewable energy. While several studies have addressed this challenging task from a sequence-to-sequence perspective, most of them have focused on a single area without considering the existing correlation between multiple disjoint regions. In this paper, we formulate precipitation nowcasting as a spatiotemporal graph sequence nowcasting problem. In particular, we introduce Graph Dual-stream Convolutional Attention Fusion (GD-CAF), a novel approach designed to learn from historical spatiotemporal graph of precipitation maps and nowcast future time step ahead precipitation at different spatial locations. GD-CAF consists of spatio-temporal convolutional attention as well as gated fusion modules which are equipped with depthwise-separable convolutional operations. This enhancement enables the model to directly process the high-dimensional spatiotemporal graph of precipitation maps and exploits higher-order correlations between the data dimensions. We evaluate our model on seven years of precipitation maps across Europe and its neighboring areas collected from the ERA5 dataset, provided by Copernicus. The model receives a fully connected graph in which each node represents historical observations from a specific region on the map. Consequently, each node contains a 3D tensor with time, height, and width dimensions. Experimental results demonstrate that the proposed GD-CAF model outperforms the other examined models. Furthermore, the averaged seasonal spatial and temporal attention scores over the test set are visualized to provide additional insights about the strongest connections between different regions or time steps. These visualizations shed light on the decision-making process of our model.


翻译:准确的降水临近预报对于洪水预测、灾害管理、优化农业活动、管理交通路线以及可再生能源等多种应用至关重要。尽管已有研究从序列到序列的角度解决了这一具有挑战性的任务,但大多数研究聚焦于单一区域,而未考虑多个不相邻区域之间存在的相关性。在本文中,我们将降水临近预报建模为时空图序列临近预测问题。具体而言,我们提出了图双流卷积注意力融合(GD-CAF),这是一种新颖的方法,旨在从历史降水图的时空图中学习,并预测未来时间步长内不同空间位置的降水。GD-CAF由时空卷积注意力和门控融合模块组成,这些模块配备了深度可分离卷积操作。这一增强功能使模型能够直接处理高维的降水图时空图,并利用数据维度之间的高阶相关性。我们使用来自Copernicus提供的ERA5数据集,对欧洲及其邻近地区七年的降水图进行评估。模型接收一个全连接图,其中每个节点代表地图上特定区域的历史观测值。因此,每个节点包含一个具有时间、高度和宽度维度的三维张量。实验结果表明,所提出的GD-CAF模型优于其他被测试模型。此外,我们可视化了测试集上季节平均的空间和时间注意力分数,以提供关于不同区域或时间步长之间最强连接的额外见解。这些可视化揭示了模型决策过程的内部机制。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
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
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9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
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
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
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+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
2+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
5+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
4+阅读 · 6月17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
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
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
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+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
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员