Estimating the Autotrophic and Heterotrophic Respiration in the US Crop Fields using Knowledge Guided Machine Learning
Notice bibliographique
Résumé
Improving the estimation of CO 2 exchange between the atmosphere and terrestrial ecosystems is critical to reducing the large uncertainty in the global carbon budget. Large amounts of the atmospheric CO 2 assimilated by plants return to the atmosphere by ecosystem respiration (Reco), including plant autotrophic respiration (Ra) and soil microbial heterotrophic respiration (Rh). However, Ra and Rh are challenging to be estimated at large regional scales because of the limited understanding of the complex interactions among physical, chemical, and biological processes and the resulting high spatio-temporal dynamics. Traditional approaches for estimating Reco including process-based (PB) models are limited by human knowledge resulting in limited accuracy and efficiency. Accumulation of the in situ observation of net ecosystem exchange (NEE), weather, and soil, and satellite data of GPP, LAI and soil moisture make it possible for applying data driven machine learning (ML) approaches. But the ML model approach has disadvantages of omission of domain knowledge and lack of interpretability. Here we propose a novel knowledge guided machine learning (KGML) method for predicting daily Ra and Rh in the US crop fields. With Gated Recurrent Unit (GRU) as the basis, we develop the KGML models constructing the hierarchical structure of ML with a mass balance constraint. The KGML models were pre-trained using synthetic data generated by an advanced agroecosystem model, ecosys, and re-trained with real-world FLUXNET observation data. We extrapolate the best KGML model to crop fields over the US with the help of satellite data, reanalysis climate forcings, and soil database to reveal the spatio-temporal variations and key controlling factors. We believe this study advances the interpretable machine learning concept for carbon cycle estimation and will shed light on many other process-based biogeochemistry research.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Étiquettes directes de modèles (non validées)
Étiquettes de catégorie et de devis d'étude par modèle, issues des rondes d'étiquetage. C'est une sortie machine, non validée, et le désaccord entre modèles est livré comme donnée. Aucun devis ici n'est encore validé contre MEDLINE.
| Bras | Catégories | Devis d'étude | Confiance |
|---|---|---|---|
| gemma | aucune catégorie Domaine: non disponible · Genre: Empirique Porte sur le système de recherche canadien: non · Porte sur un sujet canadien: non | Simulation ou modélisation | low |
| gpt | aucune catégorie Domaine: non disponible · Genre: Empirique Porte sur le système de recherche canadien: non · Porte sur un sujet canadien: non | Simulation ou modélisation | high |
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi 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.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
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.
score_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 découleClassification
machine, non validéeÉtiqueté directement par 2 modèles lisant le dossier complet.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».