An attention-aware LSTM model for soil moisture and soil temperature prediction

可解释性 过度拟合 随机森林 计算机科学 特征(语言学) 人工智能 机器学习 参数化复杂度 编码(集合论) 黑匣子 预测建模 环境科学 人工神经网络 算法 语言学 哲学 集合(抽象数据类型) 程序设计语言
作者
Qingliang Li,Yuheng Zhu,Wei Shangguan,Xuezhi Wang,Li Lü,Fanhua Yu
出处
期刊:Geoderma [Elsevier BV]
卷期号:409: 115651-115651 被引量:183
标识
DOI:10.1016/j.geoderma.2021.115651
摘要

Accurate prediction of soil moisture (SM) and soil temperature (ST) plays an important role in Earth system science, helping to forecast and understand ecosystem changes. They present great challenges because land-atmospheric interactions are complex and diverse in space and time. Although deep learning methods have excellent performance for land surface variables’ prediction such as SM and ST, they are often questioned due to their over-parameterized black-box nature and neglect of physical knowledge and interpretability. From this, we propose an attention-aware LSTM Model (ILSTM_Soil) by taking multi-feature attention, predictor attention and temporal attention into account. We first used LSTM to generate multi-feature vectors of all predictors, and then the three attention mechanisms were designed to summarize these feature vectors for SM and ST prediction. Experiment results for SM and ST prediction at the lead time of 1 and 7 days on ten FLUXNET sites suggest that the proposed ILSTM_Soil model outperforms Random Forest (RF), Support Vector Regression (SVR), Elastic-Net (ENET), original Long Short-Term Memory (LSTM), and attention LSTM (A-LSTM) models in most cases. The interpretation of attention weights verifies that the proposed model can capture physical knowledge over SM and ST. The code of ILSTM_Soil is made publicly available and we hope it can encourage researchers to develop effective DL models in land surface variables’ prediction conveniently.
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