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Enregistrement W4383370705 · doi:10.5194/ems2023-460

Promises and limitations of machine-learning-based methods for satellite retrieval of solar surface irradiance

2023· preprint· en· W4383370705 sur OpenAlexaff
Hadrien Verbois, Vadim Becquet, Yves‐Marie Saint‐Drenan, Benoît Gschwind, Philippe Blanc

Notice bibliographique

Revuenon disponible
Typepreprint
Langueen
DomaineComputer Science
ThématiqueSolar Radiation and Photovoltaics
Établissements canadiensImpact
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésSatelliteComputer scienceSolar irradianceIrradianceRadianceRemote sensingCloud computingArtificial intelligenceMeteorologyEnvironmental scienceMachine learningData miningGeographyEngineering

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Accurate estimations of Surface Solar Irradiance (SSI) are of high interest in domains as varied as climatology, solar energy, architecture, and agriculture. SSI estimations derived from meteorological satellites enable continuous spatial and temporal coverage and have thus become an important source of information standardly used for the planning, operation, and forecast of the production of PV power systems. To infer SSI from satellite images is, however, not straightforward; since the eighties, multiple satellite-based retrieval approaches have been proposed, from the earlier cloud index methods to physically based ones. Recent approaches are emerging based on machine learning (ML), inferring a direct data-driven model between images acquired from satellite and SSI ground measurements. Although only a few such works have been published, their practical efficiency has already been questioned. The objective of this paper is not to propose a new ML-based method but to better understand the promises and limitations of this new coming family of methods. To do so, we implement simple multi-layer-perceptron models with different training datasets of satellite-based radiance measurements from Meteosat Second Generation (MSG) with collocated SSI ground measurements. To test the model's ability to generalize in time and space, we use different locations and time periods for training and testing. How we allocate measurement stations to each group is also a crucial factor. To understand our model behavior, we study two setups. In the first setup, stations are randomly assigned to each group, resulting in distinct but spatially interlaced training and test stations. In the second setup, we enforced strict and large geographical separation, allowing us to evaluate the model's performance in locations outside its training area. In both cases, the performance of the ML-based retrieval model is compared to that of the operational CAMS radiation service (CRS), which is based on Heliosat-4, a state-of-the-art physical retrieval model. Our results show that the data-driven model’s performance can be much better than CRS but is very dependent on the training set, raising problems of generalization. Indeed, in the first setup, the ML model has a Root Mean Square Error (RMSE) almost 20% lower than CRS, but in the second training setup – when training and test stations are geographically separated, CRS RMSE is only 4% higher. Perhaps more critically, in the first setup, the ML model RMSE is lower or comparable to that of CAMS for all test stations but in the setup enforcing geographical separation, the ML model underperforms dramatically for several test locations. ML models have great potential for satellite retrieval, but their inability to generalize in certain configurations could be critical and hinder their deployment to regions with sparse measurement networks. A hybrid approach combining data-driven and physical models seems to be of interest for further research activities.

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 distillée sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,002
Version: codex-gemma-dda1882f352aStatut 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 enseignants0,550
Score d'incertitude au seuil0,755

Scores Codex et Gemma par catégorie

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,002
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0000,000
Science ouverte0,0010,000
Intégrité de la recherche0,0000,000
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0000,000

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 Opus0,122
Tête enseignante GPT0,352
Écart entre enseignants0,230 · 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 tête enseignante, 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

Citations0
Publié2023
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