Interpreting Conv-LSTM for Spatio-Temporal Soil Moisture Prediction in China

可解释性 计算机科学 环境科学 气候学 降水 卷积神经网络 随机森林 人工智能 气象学 地理 地质学
作者
Feini Huang,Yongkun Zhang,Ye Zhang,Wei Shangguan,Qingliang Li,Lu Li,Shijie Jiang
出处
期刊:Agriculture [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:13 (5): 971-971 被引量:41
标识
DOI:10.3390/agriculture13050971
摘要

Soil moisture (SM) is a key variable in Earth system science that affects various hydrological and agricultural processes. Convolutional long short-term memory (Conv-LSTM) networks are widely used deep learning models for spatio-temporal SM prediction, but they are often regarded as black boxes that lack interpretability and transparency. This study aims to interpret Conv-LSTM for spatio-temporal SM prediction in China, using the permutation importance and smooth gradient methods for global and local interpretation, respectively. The trained Conv-LSTM model achieved a high R2 of 0.92. The global interpretation revealed that precipitation and soil properties are the most important factors affecting SM prediction. Furthermore, the local interpretation showed that the seasonality of variables was more evident in the high-latitude regions, but their effects were stronger in low-latitude regions. Overall, this study provides a novel approach to enhance the trust-building for Conv-LSTM models and to demonstrate the potential of artificial intelligence-assisted Earth system modeling and understanding element prediction in the future.
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