Published April 20, 2022 | Version v1
Publication Open

Comprehensive Analysis for Long-Term Hydrological Simulation by Deep Learning Techniques and Remote Sensing

  • 1. Peking University

Description

Hydrological simulation plays a very important role in understanding the hydrological processes and is of great significance to flood forecasting and optimal allocation of water resources in the watershed. The development of deep learning techniques has brought new opportunities and methods for long-term hydrological simulation research at the watershed scale. Different from traditional hydrological models, the application of deep learning techniques in the hydrological field has greatly promoted the development trend of runoff prediction and provides a new paradigm for hydrological simulation. In this study, a CNN–LSTM model based on the convolutional neural network (CNN) and long short-term memory (LSTM) network, and a CNN–GRU model based on CNN and gated recurrent unit (GRN) are constructed to study the watershed hydrological processes. To compare the performance of deep learning techniques and the hydrological model, we also constructed the distributed hydrological model: Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model based on remote sensing data. These models were applied to the Xixian Basin, and the promising results had been achieved, which verified the rationality of the method, with the majority of percent bias error (PBE) values ranging between 3.17 and 13.48, Nash–Sutcliffe efficiency (NSE) values ranging between 0.63 and 0.91, and Kling–Gupta efficiency (KGE) values ranging between 0.70 and 0.90 on a monthly scale. The results demonstrated their strong ability to learn complex hydrological processes. The results also indicated that the proposed deep learning models could provide the certain decision support for the water environment management at the watershed scale, which was of great significance to improve the hydrological disaster prediction ability and was conducive to the sustainable development of water resources.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تلعب المحاكاة الهيدرولوجية دورًا مهمًا للغاية في فهم العمليات الهيدرولوجية ولها أهمية كبيرة للتنبؤ بالفيضانات والتخصيص الأمثل لموارد المياه في مستجمعات المياه. جلب تطوير تقنيات التعلم العميق فرصًا وأساليب جديدة لأبحاث المحاكاة الهيدرولوجية طويلة الأجل على نطاق مستجمعات المياه. وبخلاف النماذج الهيدرولوجية التقليدية، عزز تطبيق تقنيات التعلم العميق في المجال الهيدرولوجي بشكل كبير اتجاه تطوير التنبؤ بالجريان السطحي ويوفر نموذجًا جديدًا للمحاكاة الهيدرولوجية. في هذه الدراسة، تم إنشاء نموذج CNN - LSTM بناءً على الشبكة العصبية الالتفافية (CNN) وشبكة الذاكرة قصيرة المدى (LSTM)، ونموذج CNN - GRU بناءً على CNN والوحدة المتكررة ذات البوابات (GRN) لدراسة العمليات الهيدرولوجية لمستجمعات المياه. لمقارنة أداء تقنيات التعلم العميق والنموذج الهيدرولوجي، قمنا أيضًا ببناء النموذج الهيدرولوجي الموزع: نموذج أداة تقييم التربة والمياه (SWAT) بناءً على بيانات الاستشعار عن بعد. تم تطبيق هذه النماذج على حوض زيكسيان، وتم تحقيق النتائج الواعدة، والتي تحققت من عقلانية الطريقة، حيث تراوحت غالبية قيم خطأ التحيز المئوي بين 3.17 و 13.48، وقيم كفاءة ناش- ساتكليف (NSE) تتراوح بين 0.63 و 0.91، وقيم كفاءة كلينج- جوبتا (KGE) تتراوح بين 0.70 و 0.90 على مقياس شهري. وأظهرت النتائج قدرتها القوية على تعلم العمليات الهيدرولوجية المعقدة. كما أشارت النتائج إلى أن نماذج التعلم العميق المقترحة يمكن أن توفر دعمًا معينًا لاتخاذ القرار لإدارة البيئة المائية على نطاق مستجمعات المياه، وهو أمر ذو أهمية كبيرة لتحسين القدرة على التنبؤ بالكوارث الهيدرولوجية ويؤدي إلى التنمية المستدامة للموارد المائية.

Translated Description (French)

La simulation hydrologique joue un rôle très important dans la compréhension des processus hydrologiques et est d'une grande importance pour la prévision des inondations et l'allocation optimale des ressources en eau dans le bassin versant. Le développement de techniques d'apprentissage en profondeur a apporté de nouvelles opportunités et méthodes pour la recherche de simulation hydrologique à long terme à l'échelle du bassin versant. Contrairement aux modèles hydrologiques traditionnels, l'application de techniques d'apprentissage en profondeur dans le domaine hydrologique a grandement favorisé la tendance au développement de la prédiction du ruissellement et fournit un nouveau paradigme pour la simulation hydrologique. Dans cette étude, un modèle CNN–LSTM basé sur le réseau neuronal convolutif (CNN) et le réseau de mémoire à long terme (LSTM), et un modèle CNN-GRU basé sur CNN et l'unité récurrente fermée (GRN) sont construits pour étudier les processus hydrologiques du bassin versant. Pour comparer les performances des techniques d'apprentissage en profondeur et du modèle hydrologique, nous avons également construit le modèle hydrologique distribué : Modèle d'outil d'évaluation des sols et de l'eau (SWAT) basé sur des données de télédétection. Ces modèles ont été appliqués au bassin de Xixian et les résultats prometteurs ont été obtenus, ce qui a permis de vérifier la rationalité de la méthode, la majorité des valeurs d'erreur de biais en pourcentage (PBE) se situant entre 3,17 et 13,48, les valeurs d'efficacité de Nash–Sutcliffe (NSE) entre 0,63 et 0,91 et les valeurs d'efficacité de Kling-Gupta (KGE) entre 0,70 et 0,90 sur une échelle mensuelle. Les résultats ont démontré leur forte capacité à apprendre des processus hydrologiques complexes. Les résultats ont également indiqué que les modèles d'apprentissage profond proposés pourraient fournir un certain soutien à la décision pour la gestion de l'environnement hydrique à l'échelle du bassin versant, ce qui était d'une grande importance pour améliorer la capacité de prédiction des catastrophes hydrologiques et était propice au développement durable des ressources en eau.

Translated Description (Spanish)

La simulación hidrológica juega un papel muy importante en la comprensión de los procesos hidrológicos y es de gran importancia para el pronóstico de inundaciones y la asignación óptima de los recursos hídricos en la cuenca. El desarrollo de técnicas de aprendizaje profundo ha traído nuevas oportunidades y métodos para la investigación de simulación hidrológica a largo plazo a escala de cuenca. A diferencia de los modelos hidrológicos tradicionales, la aplicación de técnicas de aprendizaje profundo en el campo hidrológico ha promovido en gran medida la tendencia de desarrollo de la predicción de escorrentía y proporciona un nuevo paradigma para la simulación hidrológica. En este estudio, se construyen un modelo CNN-LSTM basado en la red neuronal convolucional (CNN) y la red de memoria a largo plazo (LSTM), y un modelo CNN-GRU basado en CNN y la unidad recurrente cerrada (GRN) para estudiar los procesos hidrológicos de las cuencas hidrográficas. Para comparar el rendimiento de las técnicas de aprendizaje profundo y el modelo hidrológico, también construimos el modelo hidrológico distribuido: modelo de Herramienta de Evaluación de Suelos y Aguas (SWAT) basado en datos de teledetección. Estos modelos se aplicaron a la cuenca de Xixian, y se lograron los resultados prometedores, lo que verificó la racionalidad del método, con la mayoría de los valores de porcentaje de error de sesgo (PBE) que oscilan entre 3,17 y 13,48, los valores de eficiencia de Nash–Sutcliffe (NSE) que oscilan entre 0,63 y 0,91, y los valores de eficiencia de Kling–Gupta (KGE) que oscilan entre 0,70 y 0,90 en una escala mensual. Los resultados demostraron su gran capacidad para aprender procesos hidrológicos complejos. Los resultados también indicaron que los modelos de aprendizaje profundo propuestos podrían proporcionar un cierto apoyo a la toma de decisiones para la gestión del medio ambiente hídrico a escala de cuenca, lo que fue de gran importancia para mejorar la capacidad de predicción de desastres hidrológicos y fue propicio para el desarrollo sostenible de los recursos hídricos.

Files

pdf.pdf

Files (3.9 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:9d302ab8e3af3e2c1f419f6cc9ac7133
3.9 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تحليل شامل للمحاكاة الهيدرولوجية طويلة الأجل عن طريق تقنيات التعلم العميق والاستشعار عن بعد
Translated title (French)
Analyse complète pour la simulation hydrologique à long terme par des techniques d'apprentissage profond et la télédétection
Translated title (Spanish)
Análisis exhaustivo para la simulación hidrológica a largo plazo mediante técnicas de aprendizaje profundo y teledetección

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4224291072
DOI
10.3389/feart.2022.875145

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1414668584
  • https://openalex.org/W1524680991
  • https://openalex.org/W1544211475
  • https://openalex.org/W1836749255
  • https://openalex.org/W1972770267
  • https://openalex.org/W1975227825
  • https://openalex.org/W1981646498
  • https://openalex.org/W1983724666
  • https://openalex.org/W2000305736
  • https://openalex.org/W2019870529
  • https://openalex.org/W2037460094
  • https://openalex.org/W2041579970
  • https://openalex.org/W2045284123
  • https://openalex.org/W2049604804
  • https://openalex.org/W2051739928
  • https://openalex.org/W2059646894
  • https://openalex.org/W2059842332
  • https://openalex.org/W2064675550
  • https://openalex.org/W2068410395
  • https://openalex.org/W2072474902
  • https://openalex.org/W2077521093
  • https://openalex.org/W2084551205
  • https://openalex.org/W2090222315
  • https://openalex.org/W2104937418
  • https://openalex.org/W2122204307
  • https://openalex.org/W2125625725
  • https://openalex.org/W2130089609
  • https://openalex.org/W2138763184
  • https://openalex.org/W2145586089
  • https://openalex.org/W2167659304
  • https://openalex.org/W2204138179
  • https://openalex.org/W2328561760
  • https://openalex.org/W2529694429
  • https://openalex.org/W2592671594
  • https://openalex.org/W2616633316
  • https://openalex.org/W2746775918
  • https://openalex.org/W2769366445
  • https://openalex.org/W2790317939
  • https://openalex.org/W2790969003
  • https://openalex.org/W2898197178
  • https://openalex.org/W2900811428
  • https://openalex.org/W2905516040
  • https://openalex.org/W2906003851
  • https://openalex.org/W2912561539
  • https://openalex.org/W2919356958
  • https://openalex.org/W2942305122
  • https://openalex.org/W2943165315
  • https://openalex.org/W2947218679
  • https://openalex.org/W2964199361
  • https://openalex.org/W2970649468
  • https://openalex.org/W2985213799
  • https://openalex.org/W2998395370
  • https://openalex.org/W3003576014
  • https://openalex.org/W3008325040
  • https://openalex.org/W3017246359
  • https://openalex.org/W3022677769
  • https://openalex.org/W3024702011
  • https://openalex.org/W3036420208
  • https://openalex.org/W3037137305
  • https://openalex.org/W3038654064
  • https://openalex.org/W3047335959
  • https://openalex.org/W3047516554
  • https://openalex.org/W3080952762
  • https://openalex.org/W3081067616
  • https://openalex.org/W3083014107
  • https://openalex.org/W3085796979
  • https://openalex.org/W3091610355
  • https://openalex.org/W3092080886
  • https://openalex.org/W3093959849
  • https://openalex.org/W3094739199
  • https://openalex.org/W3110189912
  • https://openalex.org/W3112242921
  • https://openalex.org/W3120812339
  • https://openalex.org/W3126809581
  • https://openalex.org/W3127201637
  • https://openalex.org/W3130998057
  • https://openalex.org/W3144909764
  • https://openalex.org/W3146487369
  • https://openalex.org/W3148482332
  • https://openalex.org/W3157758910
  • https://openalex.org/W3164779581
  • https://openalex.org/W3168130740
  • https://openalex.org/W3171275265
  • https://openalex.org/W3179839499
  • https://openalex.org/W3185010272
  • https://openalex.org/W3206795426
  • https://openalex.org/W3213889462
  • https://openalex.org/W4207080766
  • https://openalex.org/W4213254583
  • https://openalex.org/W4295727797
  • https://openalex.org/W4297813700
  • https://openalex.org/W601395341