Cluster-based hyperparameter optimisation for LSTM-based flow forecasting in Canadian catchments
Notice bibliographique
Résumé
Improvements in large dataset availability and computing power have led to an increase in large-sample hydrological (LSH) studies. While these studies bring a breadth of new knowledge, they also introduce new challenges. One such challenge is the optimisation of model hyperparameters, which can be prohibitively computationally expensive on a large scale. Machine learning (ML)-based flow forecasting models have been steadily rising in popularity due to their high accuracy and ease of development. While traditional physics-based models have hyperparameters rooted in hydrological concepts (e.g., the number of hydraulic response units is determined based on spatial heterogeneity), ML-based models do not typically use a physical basis for selecting hyperparameters (e.g., neural network topology). Instead, ML model hyperparameters are typically determined using heuristic or exhaustive search methods. Clustering has been previously applied to watersheds for identifying homogenous regions for flood frequency analyses. In these cases, unsupervised clustering, based on static watershed characteristics and flow statistics, is used to identify homogenous regions on which to conduct frequency analyses. We propose an application of clustering to optimise ML model hyperparameters on a large scale. The objective of this study is to determine whether grid-search optimisations are transferrable to similar catchments, identified through unsupervised clustering. Our study is conducted using a subset of Canadian catchments (n>500) from the HYSETS database. For each catchment, an LSTM is trained to forecast flow at a daily resolution using hydrometeorological input features (flow, precipitation, temperature, SWE). Grid-search hyperparameter optimisation is conducted on model architecture (number of hidden states and layers), learning rate, dropout rate, and input sequence length. We evaluate the effectiveness of cluster-based hyperparameter optimisation based on a comparison against a non-optimised baseline, for an increasing number of clusters. The impacts of this work have the potential to improve the effectiveness of ML-based flow forecasting models in cases where exhaustive hyperparameter searches are not possible. The results will also allow us to make recommendations for typical hyperparameter values based on watershed characteristics.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
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 | 0,001 | 0,003 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 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 validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».