基于粒子群優(yōu)化機(jī)器學(xué)習(xí)模型的水面蒸發(fā)量估算模型研究

楊 環(huán)

(江西省贛西土木工程勘測設(shè)計(jì)院，江西 宜春 336000)

水面蒸發(fā)量是反映全球水循環(huán)變化趨勢的重要指標(biāo)之一，其值的準(zhǔn)確估算可方便對大氣蒸散數(shù)據(jù)的獲取，對解決區(qū)域水資源問題有著重要的意義[1- 2]。目前，常以蒸發(fā)皿蒸發(fā)量(Epan)表征區(qū)域水面蒸發(fā)量的數(shù)值[3- 4]。由于實(shí)際觀測條件的限制，對于Epan數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測量無法滿足區(qū)域時(shí)間和空間上的要求，因此，對水面蒸發(fā)實(shí)測值全國仍有很多區(qū)域未覆蓋到[5]。因此，通過氣象數(shù)據(jù)估算區(qū)域Epan數(shù)值成為了各部門研究的熱點(diǎn)，例如PenPan模型[6]、Stephens and Stewart(SS)模型[7]等。這些模型在不同氣候區(qū)表現(xiàn)出的精度有所差異，因此，找尋適用于不同區(qū)域的Epan準(zhǔn)確估算模型對研究區(qū)域水資源平衡具有十分重要的意義。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)模型已被逐漸應(yīng)用于Epan數(shù)值預(yù)測中[8]。Kim等[7]采用多層感知器-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(MLP-NN)、廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GRNN)和支持向量機(jī)-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SVM-NN)對不同區(qū)域日Epan進(jìn)行了模擬，指出SVM-NN模型精度高于MLP-NN和GRNN模型；龍亞星等[9]基于前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了陜北、關(guān)中和陜南Epan估算模型，指出該模型在不同區(qū)域的精度有所差異。

雖然機(jī)器學(xué)習(xí)模型在Epan數(shù)值預(yù)測中已取得了一定的進(jìn)展，但傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型往往存在局部極值的問題，導(dǎo)致模型在不同區(qū)域的精度存在差異[10]。為進(jìn)一步提高機(jī)器學(xué)習(xí)模型的精度，本文基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、極限學(xué)習(xí)機(jī)(ELM)、隨機(jī)森林(RF)、支持向量機(jī)(SVM)4種傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，采用粒子群算法(PSO)進(jìn)行優(yōu)化，得出4種優(yōu)化模型，以江西省為研究區(qū)域，構(gòu)建適用于江西省Epan預(yù)測的最優(yōu)模型。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

江西省(N24°29′14″～30°04′41″，E113°34′36″～118°28′58″)地處華東地區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。省內(nèi)降水較多，多年平均降水量達(dá)到了1630mm，溫度適中，年平均氣溫11.6～20℃[11]，全省冬暖夏熱，對該省Epan的研究對長江流域的發(fā)展有著十分重要的作用[12]。本文選擇江西省景德鎮(zhèn)、南昌、井岡山等15個(gè)氣象站點(diǎn)1980—2020年的逐日氣象數(shù)據(jù)和實(shí)測Epan數(shù)值，氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象中心網(wǎng)站，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制良好，研究區(qū)域概括及站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域概況圖

2 研究方法

2.1 粒子群算法

Eberhart和Kennedy于1995年首先提出粒子群算法(PSO)[13]。該算法基于群鳥喂養(yǎng)的原則，將整個(gè)鳥群視為粒子群，每只鳥定位一個(gè)粒子。每個(gè)粒子均有運(yùn)行速度，這個(gè)速度決定了粒子在多維搜索空間中運(yùn)動(dòng)的方向和距離，這個(gè)速度受粒子慣性的影響[14]。在每次迭代過程中，粒子群算法通過個(gè)體極值Pbest和全局極值Gbest更新其速度和位置，在滿足預(yù)定的準(zhǔn)則后，跳出迭代，得到最優(yōu)解，具體步驟可見文獻(xiàn)[15]。

2.2 極限學(xué)習(xí)機(jī)模型

極限學(xué)習(xí)機(jī)模型(ELM)有助于克服傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢的缺點(diǎn)，在回歸檢驗(yàn)和模型預(yù)測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[16]。該模型可分為三個(gè)部分：輸入層、隱含層和輸出層。首先，變量通過輸入層輸入，然后通過輸出層輸入，權(quán)值為βjk。輸出變量矩陣采用隱層權(quán)值ωij計(jì)算。

2.3 支持向量機(jī)模型

支持向量機(jī)模型(SVM)最早由Vapnik在1999年提出[17]。該模型被認(rèn)為是目前小樣本統(tǒng)計(jì)估計(jì)和預(yù)測學(xué)習(xí)的最佳理論。該模型用結(jié)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)最小化取代了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)最小化，克服了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的許多缺點(diǎn)。SVM函數(shù)可以表示為：

(1)

式中，κ(xi，xj)—由輸入向量xi和xj轉(zhuǎn)換而來的高維特征向量；yi—輸入向量的坐標(biāo)；αi—輸入向量的權(quán)值；b—偏差。

2.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(BP)是一種具有誤差反向傳播功能的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型包括信號正傳播和誤差的反向傳播2部分。BP模型由輸入層、隱含層和輸出層3部分組成，原始信號經(jīng)由隱含層，由輸入層向輸出層傳播，若輸出結(jié)果不滿足誤差要求，則錯(cuò)誤信號由隱含層返回輸入層，基于梯度下降法調(diào)整模型權(quán)重及閾值，直至輸出結(jié)果滿足誤差要求為止。具體模型步驟可見文獻(xiàn)[18]，模型基本原理如圖2所示。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.5 隨機(jī)森林模型

RF模型由Breiman[19]在2001年提出。該模型在模型訓(xùn)練過程中引入了隨機(jī)屬性選擇。該模型基于隨機(jī)性和差異性提取數(shù)據(jù)，大大提高了決策的準(zhǔn)確性。RF模型步驟可見文獻(xiàn)[19]。

2.6 模型訓(xùn)練與驗(yàn)證

由于溫度數(shù)據(jù)是氣象數(shù)據(jù)中最易獲得的數(shù)據(jù)，因此，本文采用Tmax和Tmin作為輸入數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，采用1980—2010年的數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，2011—2020年的數(shù)據(jù)預(yù)測模型，模型精度指標(biāo)選擇均方根誤差(RMSE)、決定系數(shù)(R2)、平均絕對誤差(MAE)和效率系數(shù)(Ens)4個(gè)指標(biāo)評價(jià)不同模型精度，公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

引入GPI指數(shù)，整合4個(gè)指標(biāo)的綜合評價(jià)結(jié)果，公式為：

(6)

式中，αj—常數(shù)，計(jì)算MAE和RMSE時(shí)取1，Ens和R2取-1；gj—不同指標(biāo)的中位數(shù)；yij—不同指標(biāo)的計(jì)算值。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同站點(diǎn)Epan日值精度對比

圖3為不同模型對Epan日值的模擬精度對比。由圖中可以看出，經(jīng)PSO算法優(yōu)化后的模型精度要高于傳統(tǒng)的4種機(jī)器學(xué)習(xí)模型。其中，PSO-RF模型的精度最高，PSO-ELM模型精度次之，2種模型Ens、R2、RMSE、MAE的中位數(shù)分別為0.900和0.849、0.935和0.895、0.232mm/d和0.319mm/d、0.604mm/d和0.809mm/d。未經(jīng)優(yōu)化的傳統(tǒng)模型中，ELM模型精度最高，其Ens、R2、RMSE、MAE的中位數(shù)分別為0.820、0.827、0.569mm/d、1.031mm/d。BP模型在所有模型中的精度最低，模型在整個(gè)江西省的誤差較高，同時(shí)與實(shí)測值的一致性較低。從GPI箱線圖中可以看出，PSO-RF模型的GPI最高，其次為PSO-ELM、PSO-SVM、PSO-BP模型，4種模型的GPI中位數(shù)分別為1.243、0.949、0.640、0.480，BP模型精度最低，GPI中位數(shù)僅為-0.220，建議使用PSO-RF模型估算江西省Epan日值。

圖3 不同模型Epan日值精度對比

3.2 不同站點(diǎn)Epan月值精度對比

圖4為不同模型對Epan月值的模擬精度對比。由圖中可以看出，在模擬Epan月值時(shí)經(jīng)PSO算法優(yōu)化的模型精度普遍較高，PSO-RF模型精度最高，其Ens、R2、RMSE、MAE的中位數(shù)分別為0.935、0.967、0.077mm/d、0.063mm/d，未經(jīng)優(yōu)化的傳統(tǒng)模型中，ELM模型精度最高，其Ens、R2、RMSE、MAE的中位數(shù)分別為0.827、0.913、0.304mm/d和0.303mm/d，BP模型精度較低，Ens、R2、RMSE、MAE的中位數(shù)分別為0.560、0.830、0.413mm/d和0.629mm/d。從GPI箱線圖中可以看出，PSO-RF模型的GPI最高，達(dá)到了2.655，未經(jīng)PSO算法優(yōu)化的模型GPI較低，ELM、RF、SVM、BP模型的GPI分別僅為0.085、-0.639、-0.906、-1.621，因此，PSO-RF模型估算江西省Epan月值精度最高。

圖4 不同模型Epan月值精度對比

3.3 不同時(shí)段不同模型Epan相對誤差對比

圖5為不同模型在不同時(shí)段Epan估算的相對誤差對比。由圖中可以看出，在不同時(shí)期不同模型的Epan相對誤差存在差異。在冬季，不同模型的相對誤差較低，PSO-RF模型的相對誤差最低，僅為10.8%，BP模型相對誤差最高，隨著氣溫的升高，在夏季不同模型的相對誤差均高于其他季節(jié)。從主要作物生長期的3—10月和全年來看，PSO-RF模型的相對誤差在4.1%～4.4%。在不同時(shí)期，均表現(xiàn)為PSO-RF模型的相對誤差最低，推薦該模型作為江西省Epan的估算模型。

圖5 不同時(shí)段不同模型Epan相對誤差分布

3.4 PSO-RF模型可移植性分析

為進(jìn)一步證明PSO-RF模型的精度，本文對該模型在江西省的可移植性進(jìn)行了分析，結(jié)果見表1。由表中可以看出，對不同訓(xùn)練組合和預(yù)測組合下，該模型均表現(xiàn)出了較高的精度，Ens和R2均在0.92以上，RMSE和MAE均在0.127mm/d以下，精度較高。見表1。

表1 PSO-RF模型可移植性分析結(jié)果

4 結(jié)語

(1)對不同模型對Epan日值的精度進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)PSO算法優(yōu)化的模型精度普遍優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，其中以PSO-RF模型精度最高，BP模型精度最低；在對Epan月值進(jìn)行模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)了相同的結(jié)論。

(2)對不同時(shí)期不同模型Epan估算的相對誤差進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同時(shí)期模型計(jì)算精度有所差異，其中冬季模型精度最高，PSO-RF模型在全年和作物生長期的相對誤差為4.1%～4.4%，精度最高。

(3)對PSO-RF模型的可移植性進(jìn)行了分析，指出在不同組合下，該模型仍能保持較高的計(jì)算精度，因此，PSO-RF模型可作為江西省水面蒸發(fā)的估算模型使用。

(4)本文基于PSO算法優(yōu)化的機(jī)器學(xué)習(xí)模型對江西省水面蒸發(fā)進(jìn)行了估算，指出了該算法可顯著提高傳統(tǒng)模型精度，遺傳算法、貝葉斯理論均可用于優(yōu)化機(jī)器學(xué)習(xí)模型，不同優(yōu)化算法的精度差異可在后續(xù)進(jìn)一步研究討論。