Comparison of three regression models for determining water retention curves

Title:

Comparison of three regression models for determining water retention curves
Porovnanie troch regresných modelov na určenie vlhkostných kriviek pôd

Creator:

Skalová, Jana, Čistý, Milan, and Bezák, Juraj

Identifier:

https://cdk.lib.cas.cz/client/handle/uuid:0a0b7bef-7abc-437b-87fb-53419de25130
uuid:0a0b7bef-7abc-437b-87fb-53419de25130
doi:10.2478/v10098-011-0023-7

Subject:

soil-water retention curve, pedotransfer function, neural networks, support vector machines, multiple linear regression, retenčná krivka, pedotransférová funkcia, neurónová sieť, mechanizmus podporných vektorov, and viacnásobná lineárna regresia

Type:

model:article and TEXT

Format:

bez média and svazek

Description:

A key physical property used in the description of a soil-water regime is a soil water retention curve, which shows the relationship between the water content and the water potential of the soil. Pedotransfer functions are based on the supposed dependence of the soil water content on the available soil characteristics, e.g., on the relative content of the particle size in the soil and the dry bulk density of the soil. This dependence could be extracted from the available data by various regression methods. In this paper, artificial neural networks (ANNs) and support vector machines (SVMs) were used to estimate a drying branch of a water retention curve. The paper compares the mentioned methods by estimating the water retention curves on regional scale for the Záhorská lowland in the Slovak Republic, where relatively small data set was available. The performance of the models was evaluated and compared. These computations did not fully confirm the superiority of SVMs over ANNs as is often proclaimed in the literature, because the results obtained show that in this study the ANN model performs somewhat better and is easier to handle in determining pedotransfer functions than the SVM models. Nevertheless, the results from both data-driven models are quite close, and the results show that they provide a significantly more precise outcome than a traditional multi-linear regression does., Autori sa v príspevku venujú určovaniu pedotransferových funkcií (PTF), ktoré umožňujú stanoviť body vlhkostných retenčných kriviek pôdy z ľahšie merateľných pôdnych vlastností a sú dôležitým prvkom modelovania vodného režimu pôdy. Ešte v minulej dekáde sa objavili snahy využívať na ich určenie umelé neurónové siete (UNS). Multi-layer perceptron (MLP) čiže viacvrstvový perceptrón je najčastejšie používaný model doprednej umelej neurónovej siete s kontrolovaným typom učenia. Vstupné signály prechádzajú sieťou typu MLP iba dopredným smerom, teda postupne od vrstvy k vrstve. MLP používa tri a viac vrstiev neurónov rozdelených na vstupnú, skrytú a výstupnú vrstvu s nelineárnou aktivačnou funkciou a vie rozpoznať alebo modelovať informácie, ktoré nie sú lineárne oddeliteľné alebo závislé. Novší vývoj v oblasti učiacich algoritmov poskytuje ďalšie možnosti, z ktorých sa v tomto príspevku venujeme tzv. mechanizmom podporných vektorov (Support Vector Machines - SVM). SVM využíva pri svojom kalibrovaní na riešený problém princíp tzv. štrukturálnej minimalizácie namiesto iba minimalizácie chyby - (Vapnik, 1995). Pri trénovaní siete MLP je jediným cieľom minimalizovať celkovú chybu. Pri SVM sa simultánne minimalizuje chyba aj zložitosť modelu. Použitie tohto princípu vedie zvyčajne k vyššej schopnosti generalizácie, t.j. umožneniu presnejších predpovedí pre dáta, ktoré neboli použité pri trénovaní SVM. Vhodnosť štandardnej umelej neurónovej siete, SVM a viacnásobnej lineárnej regresie sa v článku vyhodnocuje na základe údajov získaných z pôdnych vzoriek odobratých v lokalite Záhorskej nížiny. Pôvodné údaje a ich aplikáciu pri vyhodnocovaní vodného režimu pôd uvádza Skalová (2001, 2007), odkiaľ boli prevzaté vstupné dáta a to percentuálny obsah zrnitostných kategórií (I až IV podľa Kopeckého), redukovaná objemová hmotnosť (ρd) a vlhkosti pre vlkostné potenciály hw= -2.5, -56, -209, -558, -976, -3060, -15300 cm, ktoré boli stanovené laboratórne pre potreby určenia a testovania regresných závislostí. Vzhľadom na to, že pri odvodzovaní regionálnych PTF je častým prípadom nedostatok dát pre odvodenie dátovo riadených modelov, autori navrhli riešiť úlohu pomocou ansámblu MLP resp. SVM. Ansámbel dátovo riadených modelov bol vytvorený variabilným rozdelením údajov na trénovacie a validačné (validačnými údajmi sa testuje presnosť modelu vo fáze jeho tvorby, ešte sa používajú konečné testovacie dáta, ktoré neboli pri tvorbe modelu použité). Výsledky ukázali lepšie regresné schopnosti oboch dátovo riadených modelov (SVM aj MLP) voči multilineárnej regresii a o niečo lepšie výsledky boli získané z viacvrstvového perceptrónu než zo SVM., and Keďže v niektorých iných prácach mal zvyčajne vyššiu výpočtovú presnosť model založený na SVM než na UNS, autori odporúčajú pre budúci výskum preveriť vhodnosť kombinácie SVM a MLP modelov v dátovo riadenom skupinovom modeli.

Language:

Slovak

Rights:

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
policy:public

Coverage:

275-284

Source:

Journal of hydrology and hydromechanics | 2011 Volume:59 | Number:4

Harvested from:

CDK

Metadata only:

false