استفاده از روش های یادگیری عمیق و الگوریتم حافظه کوتاه بلند مدت (LSTM) در مدلسازی اطلاعات حوزه های آبخیز

پذیرفته شده برای پوستر
کد مقاله : 1106-SCWMCCAN (R1)
نویسندگان
1شرکت مشاور
2عضو هیئت علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات
3عضو هیئت علمی موسسه آموزش عالی آیندگان
چکیده
یکی از مهمترین رفتارهای یک حوضه رابطه میزان بارش دریافتی، رواناب تولیدی و رسوب همراه این رواناب است. در این پژوهش تلاش گردید با استفاده از تکنیک یادگیری عمیق و الگوریتم LSTM برای سه ایستگاه آب سنجی منتخب کشور ایران شامل ایستگاه آب سنجی قزاقلی، سیرا و رودک و با استفاده از دو سناریو طراحی شده مدلسازی جهت بازیابی اطلاعات صورت پذیرد. در سناریوی اول برای پیش بینی و به دست آوردن رسوب روز بعد (زمان t) از ورود سری زمانی رسوب روز گذشته (زمان t-1 ) در هر گام و در سناریوی دوم برای پیش‏بینی رسوب روز بعدی (زمان t) از ورود سری زمانی رسوب در 30 گام گذشته (زمان 30-t الی t) و سری زمانی دبی در همان زمان مذکور استفاده شده است. با توجه به نتایج هرچند LSTM مدل ارتقا یافته RNN است، لیکن RNN در سناریو دوم با وجود کاستی های خود برای هر سه ایستگاه با شاخص های به ترتیب برای ایستگاه آب سنجی قزاقلی MSE= 6.54E+07 و RMSE=8092.51 (میلی گرم بر لیتر)، ایستگاه آب سنجی سیرا MSE= 9.38E+07 و RMSE=9688.62 (میلی گرم بر لیتر) و ایستگاه آب سنجی رودک MSE= 1.75E+07 و RMSE=13232.44 (میلی گرم بر لیتر) بهتر عمل نمود. همچنین در بین سه ایستگاه آب سنجی الگوریتم LSTM در ایستگاه آب سنجی سیرا در هر دو سناریو کم خطا تر از بقیه ایستگاه ها با شاخص MSE= 7.3E+08 و RMSE=27044.37 (میلی گرم بر لیتر) در سناریو اول و MSE= 8.7E+08 و RMSE=29517.5 در سناریو دوم، عمل نموده است.
کلیدواژه ها
 
Title
Utilizing deep learning methods and Long Short-Term Memory (LSTM) algorithm in modeling watershed information
Authors
Zahra Shoaei, Seyed Esmaeil Najafi, Seyed Ahmad Edalatpanah
Abstract
One of the most important behaviors of a watershed is the relationship between the amount of received precipitation, the produced runoff, and the sediment associated with this runoff. In this research, an attempt was made to retrieve information using deep learning techniques and LSTM algorithm for three selected hydrometric stations in Iran, including Qazaqli, Sira, and Rodak. Two scenarios were designed for modeling. In the first scenario, to predict the next day's sediment (at time t), the time series of the previous day's sediment (at time t-1) was inputted at each step. In the second scenario, to predict the next day's sediment (at time t), the time series of sediment in the past 30 steps (from time 30-t to t) and the time series of discharge at the same time mentioned in the 30 steps before were used. Despite the fact that LSTM model is an improved version of RNN, in the second scenario, RNN performed better with its own limitations for all three stations with the following indices for Qazaqli station: MSE= 6.54E+07 and RMSE=8092.51 (milligrams per liter), for Sira station: MSE = 9.38E+07 and RMSE=9688.62 (milligrams per liter), and for Rodak station: MSE= 1.75E+07 و RMSE=13232.44 (milligrams per liter). Additionally, among the three hydrometric stations, the LSTM algorithm in the Sira station showed lower errors in both scenarios compared to the other stations with the indices of MSE = 7.3E+08 and RMSE=27044.37 (milligrams per liter) in the first scenario and MSE= 8.7E+08 and RMSE=29517.5 in the second scenario.
Keywords
Watersheds, Deep learning data mining modeling, long short-term memory, LSTM, RNN