基于Transformer和LSTM算法的河套灌区土壤水分预测研究

作     者：王钥 郑方元 雍婷 查元源 周龙才 徐祥森 WANG Yue;ZHENG Fang-yuan;YONG Ting;ZHA Yuan-yuan;ZHOU Long-cai;XU Xiang-sen

作者机构：武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室湖北武汉430072 武汉科瑞特力自动化设备有限公司湖北武汉430072 中工武大设计研究有限公司湖北武汉430072 

基　　金：国家自然科学基金(52279042) 广西科技计划项目(桂科AB23026021) 

出 版 物：《节水灌溉》 (Water Saving Irrigation)

年 卷 期：2025年第2期

页      码：1-8,14页

摘      要：土壤水是土壤中的关键指标,其变化直接影响着作物生长,并影响着水资源利用的管理决策。因此,准确地预测土壤水分有利于对农业水资源进行合理的规划利用。使用深度学习算法进行土壤水分预测在当前的农业、水资源管理和生态学等领域具有重要性。深度学习算法能够从大规模数据中学习土壤水分的复杂模式和时空关系,为土壤水的准确预测提供了新的机会。为了探索新兴深度学习方法Transformer在土壤水分预测中的有效性,选择河套灌区义长灌域为研究区域,利用地下水位观测数据、气象数据、SMAP土壤水数据等作为训练数据,设置了1、5、10 d共3种数据滞后情况,验证Transformer算法在土壤水时间序列预测任务中的有效性,并与目前广泛应用于时序预测任务中的LSTM进行对比。研究表明Transformer在土壤水分时间序列预测任务中具有更好的预测能力,相比于LSTM,其R^(2)平均提升约0.181,RMSE平均下降27.6%。同时,Transformer在应对滞后变化带来的影响时更具鲁棒性,在3种数据滞后情况下Transformer的预测平均R^(2)分别比LSTM高出了0.121、0.167、0.256,站点平均RMSE分别降低了30.7%、28.6%、23.5%。此外,Transformer对于土壤水序列中的非线性信息的提取能力更强,对于高频振幅的土壤水时间序列Transformer拥有更强的预测能力。

主 题 词：土壤水分预测 深度学习 时序预测 Transformer模型 LSTM模型 数据滞后 

学科分类：082802[082802] 08[工学] 0828[工学-建筑类] 09[农学] 0815[工学-矿业类] 0903[农学-动物生产类] 

D　O　I：10.12396/jsgg.2024286

馆 藏 号：203157274...