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Enregistrement W3092278000 · doi:10.5194/hess-25-2543-2021

Resampling and ensemble techniques for improving ANN-based high-flow forecast accuracy

2021· article· en· W3092278000 sur OpenAlexafffundabout
Everett Snieder, Karen Abogadil, Usman T. Khan

Notice bibliographique

RevueHydrology and earth system sciences · 2021
Typearticle
Langueen
DomaineEnvironmental Science
ThématiqueHydrological Forecasting Using AI
Établissements canadiensYork University
Organismes subventionnairesNatural Sciences and Engineering Research Council of Canada
Mots-clésResamplingBoosting (machine learning)Computer scienceRandom forestOversamplingUndersamplingAdaBoostArtificial neural networkEnsemble learningMachine learningRegressionData miningArtificial intelligenceJackknife resamplingStatisticsMathematicsSupport vector machineEstimator

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract. Data-driven flow-forecasting models, such as artificial neural networks (ANNs), are increasingly featured in research for their potential use in operational riverine flood warning systems. However, the distributions of observed flow data are imbalanced, resulting in poor prediction accuracy on high flows in terms of both amplitude and timing error. Resampling and ensemble techniques have been shown to improve model performance on imbalanced datasets. However, the efficacy of these methods (individually or combined) has not been explicitly evaluated for improving high-flow forecasts. In this research, we systematically evaluate and compare three resampling methods, random undersampling (RUS), random oversampling (ROS), and the synthetic minority oversampling technique for regression (SMOTER), and four ensemble techniques, randomised weights and biases, bagging, adaptive boosting (AdaBoost), and least-squares boosting (LSBoost), on their ability to improve high stage prediction accuracy using ANNs. These methods are implemented both independently and in combined hybrid techniques, where the resampling methods are embedded within the ensemble methods. This systematic approach for embedding resampling methods is a novel contribution. This research presents the first analysis of the effects of combining these methods on high stage prediction accuracy. Data from two Canadian watersheds (the Bow River in Alberta and the Don River in Ontario), representing distinct hydrological systems, are used as the basis for the comparison of the methods. The models are evaluated on overall performance and on typical and high stage subsets. The results of this research indicate that resampling produces marginal improvements to high stage prediction accuracy, whereas ensemble methods produce more substantial improvements, with or without resampling. Many of the techniques used produced an asymmetric trade-off between typical and high stage performance; reduction of high stage error resulted in disproportionately larger error on a typical stage. The methods proposed in this study highlight the diversity-in-learning concept and help support future studies on adapting ensemble algorithms for resampling. This research contains many of the first instances of such methods for flow forecasting and, moreover, their efficacy in addressing the imbalance problem and heteroscedasticity, which are commonly observed in high-flow and flood-forecasting models.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,003
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,005
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Méthodes · Signal consensuel: Méthodes
Score de désaccord entre enseignants0,010
Score d'incertitude au seuil0,019

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0030,005
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0000,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,026
Tête enseignante GPT0,251
Écart entre enseignants0,225 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreMéthodes

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations42
Publié2021
Routes d'admission3
Résumé présentoui

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