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Enregistrement W4392103129 · doi:10.3390/agronomy14030432

GRU–Transformer: A Novel Hybrid Model for Predicting Soil Moisture Content in Root Zones

2024· article· en· W4392103129 sur OpenAlexaff
Wengang Zheng, Kai Zheng, Lutao Gao, Lili Zhangzhong, Renping Lan, Linlin Xu, Jingxin Yu

Notice bibliographique

RevueAgronomy · 2024
Typearticle
Langueen
DomaineEnvironmental Science
ThématiqueSoil Moisture and Remote Sensing
Établissements canadiensUniversity of Waterloo
Organismes subventionnairesNational Key Research and Development Program of ChinaBeijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences
Mots-clésWater contentEnvironmental scienceSoil scienceGeologyGeotechnical engineering

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

The accurate measurement of soil moisture content emerges as a critical parameter within the ambit of agricultural irrigation management, wherein the precise prediction of this variable plays an instrumental role in enhancing the efficiency and conservation of agricultural water resources. This study introduces an innovative, cutting-edge hybrid model that ingeniously integrates Gated Recirculation Unit (GRU) and Transformer technologies, meticulously crafted to amplify the precision and reliability of soil moisture content forecasts. Leveraging meteorological and soil moisture datasets amassed from eight monitoring stations in Hebei Province, China, over the period from 2011 to 2018, this investigation thoroughly assesses the model’s efficacy against a diverse array of input variables and forecast durations. This assessment is concurrently contrasted with a range of conventional machine learning and deep learning frameworks. The results demonstrate that (1) the GRU–Transformer model exhibits remarkable superiority across various aspects, particularly in short-term projections (1- to 2-day latency). The model’s mean square error (MSE) for a 1-day forecast is notably low at 5.22%, reducing further to a significant 2.71%, while the mean coefficient of determination (R2) reaches a high of 89.92%. Despite a gradual increase in predictive error over extended forecast periods, the model consistently maintains robust performance. Moreover, the model shows exceptional versatility in managing different soil depths, notably excelling in predicting moisture levels at greater depths, thereby surpassing its performance in shallower soils. (2) The model’s predictive error inversely correlates with the reduction in parameters. Remarkably, with a streamlined set of just six soil moisture content parameters, the model predicts an average MSE of 0.59% and an R2 of 98.86% for a three-day forecast, highlighting its resilience to varied parameter configurations. (3) In juxtaposition with prevalent models such as Support Vector Regression (SVR), K-Nearest Neighbors (KNN), Gradient Boosting Decision Tree (GBDT), XGBoost, Random Forest, and deep learning models like Deep Neural Network (DNN), Convolutional Neural Network (CNN), and standalone GRU-branch and Transformer-branch models, the GRU–Transformer framework demonstrates a significant advantage in predicting soil moisture content with enhanced precision for a five-day forecast. This underscores its exceptional capacity to navigate the intricacies of soil moisture data. This research not only provides a potent decision-support tool for agricultural irrigation planning but also makes a substantial contribution to the field of water resource conservation and optimization in agriculture, while concurrently imparting novel insights into the application of deep learning techniques in the spheres of agricultural and environmental sciences.

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)0,000
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,001
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: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,022
Score d'incertitude au seuil0,043

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0000,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
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 Opus0,023
Tête enseignante GPT0,227
Écart entre enseignants0,203 · 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
GenreEmpirique

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

En bref

Citations39
Publié2024
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Résumé présentoui

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