ResDeepD: A residual super-resolution network for deep downscaling of daily precipitation over India
Description
Abstract In the twenty-first century, machine learning and deep learning have been successfully used to find hidden information from coarse-grained data in various domains. In Computer Vision, scientists have used neural networks to identify hidden pixel-level information from low-resolution (LR) image data. This approach of estimating high-resolution (HR) information from LR data is called the super-resolution (SR) approach. This approach has been borrowed by climate scientists to downscale coarse-level measurements of climate variables to obtain their local-scale projections. Climate variables are spatial in nature and can be represented as images where each pixel denotes a grid point where the variables can be measured. We can apply the deep learning-based SR techniques on such "images" for statistical downscaling of such variables. This approach of downscaling can be termed as deep downscaling. In this work, we have tried to make HR projection of the Indian summer monsoon rainfall by using a novel deep residual network called ResDeepD. The aim is to downscale the 1 0 × 1 0 low LR precipitation data to get the values at 0.25 0 × 0.25 0 resolution. The proposed model uses a series of skip connections across residual blocks to give better results as compared to the existing models like super-resolution convolutional neural network, DeepSD, and Nest-UNet that have been used previously for this task. We have also examined the model's performance for downscaling rainfall during some extreme climatic events like cyclonic storms and deep depression and found that the model performs better than the existing models.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
في القرن الحادي والعشرين، تم استخدام التعلم الآلي والتعلم العميق بنجاح للعثور على معلومات مخفية من البيانات الخشنة في مختلف المجالات. في Computer Vision، استخدم العلماء الشبكات العصبية لتحديد المعلومات المخفية على مستوى البكسل من بيانات الصور منخفضة الدقة (LR). يسمى هذا النهج لتقدير المعلومات عالية الدقة (HR) من بيانات LR نهج الدقة الفائقة (SR). وقد استعار علماء المناخ هذا النهج لتقليل قياسات المستوى الخشن للمتغيرات المناخية للحصول على توقعاتهم على المستوى المحلي. المتغيرات المناخية مكانية بطبيعتها ويمكن تمثيلها كصور حيث تشير كل بكسل إلى نقطة شبكة حيث يمكن قياس المتغيرات. يمكننا تطبيق تقنيات SR القائمة على التعلم العميق على مثل هذه "الصور" لتقليص النطاق الإحصائي لهذه المتغيرات. يمكن وصف نهج تصغير النطاق هذا بأنه تصغير نطاق عميق. في هذا العمل، حاولنا وضع توقعات للموارد البشرية لهطول الأمطار الموسمية الصيفية الهندية باستخدام شبكة بقايا عميقة جديدة تسمى ResDeepD. الهدف هو خفض حجم بيانات هطول الأمطار المنخفضة LR 10 × 10 للحصول على القيم بدقة 0.25 0 × 0.25 0. يستخدم النموذج المقترح سلسلة من اتصالات التخطي عبر الكتل المتبقية لإعطاء نتائج أفضل مقارنة بالنماذج الحالية مثل الشبكة العصبية الالتفافية فائقة الدقة و DeepSD و Nest - UNet التي تم استخدامها سابقًا لهذه المهمة. لقد فحصنا أيضًا أداء النموذج لتقليل هطول الأمطار خلال بعض الأحداث المناخية القاسية مثل العواصف الإعصارية والاكتئاب العميق ووجدنا أن أداء النموذج أفضل من النماذج الحالية.Translated Description (French)
Résumé Au XXIe siècle, l'apprentissage automatique et l'apprentissage profond ont été utilisés avec succès pour trouver des informations cachées à partir de données grossières dans divers domaines. Dans la vision par ordinateur, les scientifiques ont utilisé des réseaux de neurones pour identifier des informations cachées au niveau des pixels à partir de données d'image à basse résolution (LR). Cette approche d'estimation des informations à haute résolution (HR) à partir des données LR est appelée approche de super-résolution (SR). Cette approche a été empruntée par les climatologues pour réduire les mesures grossières des variables climatiques afin d'obtenir leurs projections à l'échelle locale. Les variables climatiques sont de nature spatiale et peuvent être représentées sous forme d'images où chaque pixel indique un point de grille où les variables peuvent être mesurées. Nous pouvons appliquer les techniques de RS basées sur l'apprentissage profond sur de telles « images » pour la réduction statistique de ces variables. Cette approche de la réduction d'échelle peut être qualifiée de réduction d'échelle profonde. Dans ce travail, nous avons essayé de faire une projection HR des précipitations de la mousson d'été indienne en utilisant un nouveau réseau résiduel profond appelé ResDeepD. L'objectif est de réduire l'échelle des données de précipitations LR faibles de 1 0 × 1 0 pour obtenir les valeurs à une résolution de 0,25 0 × 0,25 0. Le modèle proposé utilise une série de connexions de saut à travers les blocs résiduels pour donner de meilleurs résultats par rapport aux modèles existants tels que le réseau neuronal convolutif à super-résolution, DeepSD et Nest-UNet qui ont été utilisés précédemment pour cette tâche. Nous avons également examiné les performances du modèle pour réduire les précipitations lors de certains événements climatiques extrêmes tels que les tempêtes cycloniques et la dépression profonde et avons constaté que le modèle fonctionnait mieux que les modèles existants.Translated Description (Spanish)
Resumen En el siglo XXI, el aprendizaje automático y el aprendizaje profundo se han utilizado con éxito para encontrar información oculta a partir de datos de grano grueso en varios dominios. En Computer Vision, los científicos han utilizado redes neuronales para identificar información oculta a nivel de píxel a partir de datos de imágenes de baja resolución (LR). Este enfoque de estimación de información de alta resolución (HR) a partir de datos LR se denomina enfoque de superresolución (SR). Este enfoque ha sido tomado prestado por los científicos del clima para reducir las mediciones de nivel grueso de las variables climáticas para obtener sus proyecciones a escala local. Las variables climáticas son de naturaleza espacial y se pueden representar como imágenes donde cada píxel denota un punto de cuadrícula donde se pueden medir las variables. Podemos aplicar las técnicas de SR basadas en el aprendizaje profundo en tales "imágenes" para la reducción de escala estadística de tales variables. Este enfoque de downscaling se puede denominar downscaling profundo. En este trabajo, hemos tratado de hacer una proyección de recursos humanos de las precipitaciones del monzón de verano de la India mediante el uso de una novedosa red residual profunda llamada ResDeepD. El objetivo es reducir la escala de los datos de precipitación de LR baja de 1 0 × 1 0 para obtener los valores a una resolución de 0.25 0 × 0.25 0. El modelo propuesto utiliza una serie de conexiones de salto a través de bloques residuales para dar mejores resultados en comparación con los modelos existentes como la red neuronal convolucional de superresolución, DeepSD y Nest-UNet que se han utilizado anteriormente para esta tarea. También hemos examinado el rendimiento del modelo para reducir las precipitaciones durante algunos eventos climáticos extremos, como tormentas ciclónicas y depresiones profundas, y descubrimos que el modelo funciona mejor que los modelos existentes.Files
div-class-title-resdeepd-a-residual-super-resolution-network-for-deep-downscaling-of-daily-precipitation-over-india-div.pdf.pdf
Files
(1.8 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:092ce9c9a4dd3aa1a4984794dbf3a0a8
|
1.8 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- ResDeepD: شبكة فائقة الدقة متبقية للتقليص العميق لهطول الأمطار اليومي على الهند
- Translated title (French)
- ResDeepD : Un réseau de super-résolution résiduelle pour la réduction en profondeur des précipitations quotidiennes sur l'Inde
- Translated title (Spanish)
- ResDeepD: Una red de superresolución residual para la reducción profunda de la precipitación diaria en la India
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4312875426
- DOI
- 10.1017/eds.2022.23
References
- https://openalex.org/W2024816070
- https://openalex.org/W2029765118
- https://openalex.org/W2033186302
- https://openalex.org/W2131052750
- https://openalex.org/W2153379386
- https://openalex.org/W2181460351
- https://openalex.org/W2476548250
- https://openalex.org/W2604521289
- https://openalex.org/W2747898905
- https://openalex.org/W2869444156
- https://openalex.org/W2896173296
- https://openalex.org/W2947690922
- https://openalex.org/W2963446712
- https://openalex.org/W2963470893
- https://openalex.org/W2963729050
- https://openalex.org/W2964042923
- https://openalex.org/W2981977644
- https://openalex.org/W3008297311
- https://openalex.org/W3013529009
- https://openalex.org/W3015970058
- https://openalex.org/W3099309371
- https://openalex.org/W3118690163
- https://openalex.org/W3124663847
- https://openalex.org/W3163568026
- https://openalex.org/W54257720