تحلیل مقایسه‌ای با استفاده از محاسبات نرم در پیش‌بینی تبخیر تعرق مرجع در باجگاه شیراز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم و مهندسی آب، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران.

2 گروه علوم و مهندسی آب، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران

3 بخش آبیاری و فیزیک خاک، موسسه تحقیقات خاک و آب، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران.

10.22034/nawee.2024.456178.1076
چکیده
در این پژوهش، با استفاده از سه مدل یادگیری ماشین شامل ماشین بردار پشتیبان (SVM)، برنامه‌ریزی بیان ژن (GEP) و شبکة عصبی مصنوعی (ANN) میزان تبخیر و تعرق مرجع در ایستگاه باجگاه در استان فارس با استفاده از عناصر اقلیمی شامل دما (T)، رطوبت (H)، سرعت باد (WS)، تعداد ساعات آفتابی (SH) و بارش (P) انجام شده است.
برای تعیین بهترین ترکیب ورودی برای مدل‌های یادگیری ماشین، از گاما تست استفاده شد. این آزمون برای تعیین تاثیر میزان هر یک از متغیرهای مستقل بر روی متغیر وابسته مورد استفاده قرار می‌گیرد. سهم فرآیندهای آموزش و آزمون از داده‌ها به ترتیب 70 درصد (شامل 5370 داده) و 30 درصد (2300 داده) در نظر گرفته شدند. با استفاده از این داده‌ها، پارامترهای تنظیمی هر یک از مدل‌ها برای رسیدن به بهینه‌ترین خروجی محاسبه شدند. ارزیابی عملکرد مدل‌ها با چهار شاخص RMSE (مجموع مربعات میانگین خطا)، MAE (میانگین خطای مطلق)، R2 (ضریب تبیین) و DDR (نسبت تفاوت توسعه داده شده) انجام شدند.
طبق نتایج به دست امده مشخص شد هر سه مدل قادر به پیش‌بینی مقدار ETO با مقادیر دقت نسبی مختلف هستند اما در این میان مدل GEP بیشترین دقت و کمترین خطا را به خود اختصاص داد. برای مدل GEP با ساختار سه ژن، مقدار شاخص‌های ارزیابی عملکرد (RMSE, MAE, R2, ETO(DDR)MAX) در گام آموزش برابر با (42/4، 98167/0، 2219/0، 2752) و در گام آزمون (54/8، 9907/0، 1515/0، 1985/0) به دست آمدند. مدل‌های SVM و ANN در رتبه‌های بعدی شبیه‌سازی قرار گرفتند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Comparative analysis using soft computing in predicting reference evapotranspiration in Shiraz Bajgah

نویسندگان English

Jassem Bavi 1
Aslan Egdernezhad 2
Arash Tafteh 3
1 Department of Water Sciences and Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran.
2 Department of Water Sciences and Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran.
3 Department of irrigation and soil physics, Soil and Water Research Institute, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Karaj, Iran.
چکیده English

Daily statistics of climatic elements spanning from 01/01/1378 to 12/29/1398, comprising a total of 7670 data points, were curated for simulation purposes. The Gamma test methodology was employed to discern the most effective combination of input variables for the machine learning models. This test serves to assess the impact of each independent variable on the dependent variable. Consequently, all of these variables were selected as inputs for the trio of models. The dataset was partitioned, allocating 70% (5370 data points) for training and 30% (2300 data points) for testing purposes. Utilizing this partitioned data, the tuning parameters of each model were optimized to yield the most favorable output. Model performance evaluation was conducted utilizing four metrics: Root Mean Square Error (RMSE), Mean Absolute Error (MAE), coefficient of determination (R2), and Developed Difference Ratio (DDR).
The analysis of the results indicates that all three models exhibit varying degrees of accuracy in predicting the ETO values, with the Gene Expression Programming (GEP) model demonstrating the highest accuracy and lowest error. Specifically, for the GEP model with a three-gene structure, the performance evaluation indices (RMSE, MAE, R2, and ETO(DDR)MAX) during the training phase were determined as (4.42, 0.98167, 0.2219, 2752), while during the testing phase, they were recorded as (8.54, 0.9907, 0.1515, 0.1985). Following the GEP model, the Support Vector Machine (SVM) and Artificial Neural Network (ANN) models ranked subsequently in the simulation process

کلیدواژه‌ها English

Climate
Prediction
Artificial intelligence
Sensitivity analysis
Performance assessment
احمدزاده­کلیبر، ف.، شاه­محمدی­کلالق, ش.، فردمرادی­نیا, س. 1403. شبیه­سازی تغییرات ضریب یکنواختی توزیع آب در سامانه‌های آبیاری بارانی کلاسیک ثابت با استفاده از مدل­های داده­کاوی. رویکردهای نوین در مهندسی آب و محیط‌زیست، 3(2): 135-118.
باقری، ن.، قاسمی، ا.ر. 1402. مدل‌سازی تبخیر روزانه از تشت با استفاده از برنامه نویسی بیان‌ژن و سری‌های زمانی در استان خوزستان. پژوهش آب ایران، 17(2): 1-11.
برزکار، ع.، شهابی، س.، نیازمردی، س.، مددی، م.ر. 1400. ارزیابی قابلیت برنامه‌ریزی بیان‌ژن در تخمین تبخیرتعرق پتانسیل در مقایسه با رابطه هارگریوز-سامانی. مهندسی آبیاری و آب ایران، 11(4): 316-330.
حقی­زاده، ع.، بیات، و.، ارشیا، آ. 1398. برآورد تبخیر و تعرق پتانسیل ایستگاه‌های سینوپتیک کرمانشاه با استفاده از مدل برنامه­نویس ژنتیکی. فضای جغرافیایی، ۱۹(۶۷): 29-42.
زارع ابیانه، ح.، بیات ورکشی، م.، معروفی، ص. 1390. محاسبه تبخیر و تعرق واقعی گیاه سیر به روش مدل‌سازی چندگانه تحت شرایط کاشت لایسیمتر. پژوهش های حفاظت آب و خاک، 18(2): 141-159.  
شادمانی، م.، معروفی، ص. 1390. مقایسه چند روش برآورد تبخیر روزانه از تشت-مطالعه موردی منطقه کرمان. علوم آب و خاک، ۱۵(۵۵): 84-69.
طباطبائی، س.م.، ناظری تهرودی، م.، دستورانی، م. 1397. مقایسه عملکرد مدل‌هایGP ،ANN ، BCSD و SVM در شبیه‌سازی دما. هواشناسی و علوم جوّ. 1(1): 53-64.  
عیسی­زاده، م.، شیرزاد، م.، رضایی بنفشه، م. 1396. ارزیابی عملکرد شبکۀ عصبی مصنوعی (ANN) و ماشین بردار پشتیبان (SVM) در تخمین مقادیر روزانۀ تبخیر (مطالعۀ موردی: ایستگاه‌های هواشناسی تبریز و مراغه). پژوهش های جغرافیای طبیعی، 49(1): 151-168.
فولادی­پناه، م.، ماجدی­اصل، م. 1401. کاربرد محاسبات نرم در افزایش دقت پیش‌بینی ضریب دبی جریان سرریزهای جانبی مستطیلی. مهندسی آبیاری و آب ایران، 12(4): 213-233.
ماجدی­اصل، م.، فولادی­پناه، م.، ذیفر، ر.، قسمی، ز. 1400. استخراج منحنی دبی- اشل در سرریز کلید پیانویی مستغرق استاندارد و اصلاح شده با استفاده از الگوریتم‌های هوشمند. هیدرولیک، 16(2): 59-72.
محجوبی، ع.، عبدل­آبادی، ح.، محجوبی، ج.، غفوری، ا. 1402. بررسی عملکرد مدل‌های داده‌کاوی در پیش‌بینی بارش و تحلیل وضعیت خشک‌سالی ایستگاه سینوپتیک بندرعباس. مدیریت آب و آبیاری، 13(2): 429-499.
محمدرضاپور، ا. 1396. پیش­بینی تبخیر-تعرق پتانسیل ماهانه با استفاده از مدل‌های ماشین بردار پشتیبان، برنامه‌ریزی ژنتیک و سیستم استنتاج عصبی-فازی. مهندسی آبیاری و آب ایران، 7(3): 135-150.  
ملک­احمدی، ح.، میرزانیا، ا.، خسروی، س.، ابراهیم‌زاده، ع. 1401. مدل‌سازی فرایند تبخیر- تعرق روزانه با استفاده از مدل‌های رگرسیونی و هوشمند. پژوهش آب ایران، 16(1): 49-62.
ناظری تهرودی، م.، امیرآبادی زاده، م.، زینلی، م.ج. 1397. بررسی روش­های هوش مصنوعی و رگرسیونی در شبیه­سازی مقادیر دمای روزانه. هواشناسی و علوم جوّ، 1(1): 65-76.  
 
Achite, M., Jehanzaib, M., Sattari, M.T., Toubal, A.K., Elshaboury, N., Wałęga, A., Krakauer, N., Yoo, J.Y., Kim, T.W. 2022. Modern techniques to modeling reference evapotranspiration in a semiarid area based on ANN and GEP models. Water, 14(8): 1210. https://doi.org/10.3390/w14081210
 Ahmadzadeh-Kaleybar, F., Shahmohammadi Kalalagh, S., Fard Moradinia, S. 2024. Simulating of Changes in Water Distribution Uniformity Coefficient in Classic Stationary Sprinkler Irrigation Using Data-Mining Models. Journal of New Approaches in Water Engineering and Environment, 3(2): 118-135. (In Persian) doi: 10.22034/nawee.2024.471274.1100
Bagheri, N., Ghasemi, A., Nasr-Esfahani, M.A. 2023. Modeling of pan evaporation using Gene Expression Programming and time series in Khuzestan. Iranian Water Research Journal, 17(49): 1-11. (In Persian) https://doi.org/10.22034/iwrj.2023.14189.2480
Barzkar, A., Shahabi, S., Niazmradi, S., Madadi, M.R. 2021. Gene Expression Programming Capability Assessment in Estimating the Potential Evapotranspiration Compared to Hargreaves-Samani Equation. Irrigation and Water Engineering, 11(44): 316-330. (In Persian) https://doi.org/10.22125/iwe.2021.133766 
Chow, V.T., Maidment, D.R., Mays, L.W. 1988. Applied hydrology. New York, NY: McGraw-Hill.
Deo, R.C., Kisi, O., Singh, V.P. 2017. Drought forecasting in eastern Australia using multivariate adaptive regression spline, least square support vector machine and M5Tree model. Atmospheric Research, 184: 149-175. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2016.10.004
Ferreira, C. 2006. Gene expression programming: mathematical modeling by an artificial intelligence (Vol. 21). Springer.
Fuladipanah, M., Majedi-Asl, M. 2022. Soft Computing Application to Amplify Discharge Coefficient Prediction in Side Rectangular Weirs. Irrigation & Water Engineering, 12(48): 213-233. (In Persian) https://doi.org/10.22125/iwe.2022.150692
Ghorbani, M.A., Kazempour, R., Chau, K.W., Shamshirband, S., Taherei Ghazvinei, P. 2018. Forecasting pan evaporation with an integrated artificial neural network quantumbehaved particle swarm optimization model: a case study in Talesh. Northern Iran. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 12(1): 724-737. https://doi.org/10.1080/19942060.2018.1517052
Haghizadeh, A., Bayat, V., Arshia, A. 2019. Estimation of The Evapotranspiration potential of Kermanshah synoptic stations Using Genetic Programming. Geographic Space, 19(67): 29-42. (In Persian) http://geographical-space.iau-ahar.ac.ir/article-1-2967-en.html
Isazadeh, M., Shirzad, M., Rezaei Banafsheh, M. 2017. Evaluation of the Performance of Artificial Neural Network and Support Vector Machine Models in Estimation of Daily Evaporation amounts (Case study: Tabriz and Maragheh Synoptic Stations). Physical Geography Research, 49(1): 151-168. (In Persian) https://doi.org/10.22059/jphgr.2017.61585
Jain S.K., Das A., Srivastsva, D.k. 1999. Application of ANN for reservoir inflow prediction and operation. Journal of Water Resources Planning and Management, 125(5): 263-271. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9496(1999)125:5(263)
Kim, S., Kim, H.S. 2008. Neural networks and genetic algorithm approach for nonlinear evaporation and evapotranspiration modeling. Journal of Hydrology, 351: 299-317. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2007.12.014
Kisi, O. 2015. Pan evaporation modeling using least square support vector machine، multivariate adaptive regression splines and M5 model tree. Journal of Hydrology. 528: 312-320. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2015.06.052
Kisi, O. 2016. Pan evaporation modeling using least square support vector machine, multivariate adaptive regression splines and M5 model tree. Journal of Hydrology, 528: 312-320. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2015.06.052
Kisi, O., Azamathulla, H. M., Cevat, F., Kulls, C., Kuhdaragh, M., Fuladipanah, M. 2024. Enhancing river flow predictions: Comparative analysis of machine learning approaches in modeling stage-discharge relationship. Results in Engineering, 22: 102017. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.102017
Koncar, N. 1997. Optimisation methodologies for direct inverse neurocentral (Doctoral dissertation, University of London).
Liu, S., Bai, J., Jia, Z., Jia, L., Zhou, H., Lu, L. 2010. Estimation of evapotranspiration in the Mu Us Sandland of China. Hydrology and Earth System sciences, 14: 573-584. https://doi.org/10.5194/hess-14-573-2010, 2010
Mahjoobi, E., Abdolabadi, H., Mahjoobi, J., Ghafoori, E. 2023. Investigating the Performance of Data Mining Models in Rainfall Forecasting and Drought Analysis of Bandar Abbas Synoptic Station. Water and Irrigation Management, 13(2): 429-499. (In Persian) https://dorl.net/dor/20.1001.1.22516298.1402.13.2.9.3
Majedi-Asl, M., Fuladipanah, M., Zifar, R., Gasami, Z. 2021. Extraction of head-discharge relationship for submerged standard and modified piano key weirs using intelligent algorithms. Journal of Hydraulics, 16(2): 59-72. (In Persian) 10.30482/jhyd.2021.265840.1500
Majhi, B., Naidu D. 2021. Pan evaporation modeling in different agroclimatic zones using functional link artificial neural network. Information Processing in Agriculture, 8(1): 134-147. https://doi.org/10.1016/j.inpa.2020.02.007
Malekahmadi, H., Mirzania, E., khosravi, S., Ebrahim Zadeh, A. 2022. Daily evapotranspiration modeling using regression and intelligent models (Case Study). Iranian Water Researches Journal, 16(1), 49-62. (In Persian) https://doi.org/10.22034/iwrj.2022.10026.2338
Mohamadrezapour, O. 2017. Monthly Forecast of Potential Evapotranspiration Models Using Support Vector Machine (SVM), Genetic programming and Neural - Fuzzy Inference System. Journal of Irrigation and Water Engineering, 7(21): 135-150. (In Persian)
Moradinejad, A., parsaie, A., Hosseini, S.A., Tabatabaei, M. 2025. Assessing Soft Computing Techniques for River Suspended Sediment Estimation. Journal of New Approaches in Water Engineering and Environment4(2): 188-212. doi: 10.22034/nawee.2025.514714.1147.
Nazeri Tahroudi, M., Amirabadyzadeh, M., Zeynali, M. 2018. Evaluation of the Accuracy of Artificial Intelligence and Regression Models in Simulation the Daily Temperature. Journal of Meteorology and Atmospheric Science, 1(1), 65-76. (In Persian)
Noori R., Khakpour, A., Omidvar, B., Farokhnia, A. 2010. Comparison of ANN and principal component analysis-multivariate linear regression models for predicting the river flow based on developed discrepancy ratio statistics. Expert Systems with Applications 37: 5856-5862. https://doi.org/10.1016/j.eswa.2010.02.020
Nourani, V., Elkiran, G., Abdullahi, J. 2019. Multi-station artificial intelligence-based ensemble modeling of reference evapotranspiration using pan evaporation measurements. Journal of Hydrology. 577, 13958. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.123958
Patle, G.T., Chettri, M., Jhajharia, D. 2020. Monthly pan evaporation modelling using multiple linear regression and artificial neural network techniques. Water Supply. 20(3): 800-808. https://doi.org/10.2166/ws.2019.189
Qasem, S.N., Samadianfard, S., Kheshtgar, S., Jarhan, S., Kisi, O., Shamshirband, SH., Chau, K.W. 2019. Modeling monthly pan evaporation using wavelet support vector regression and wavelet artificial neural networks in arid and humid climates. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 13(1): 177-187. https://doi.org/10.1080/19942060.2018.1564702
Shadmani, M., Marofi, S. 2011. Comparison of Some Methods for Estimation of Daily Pan Evaporation: Case Study in Kerman Region. Journal of Water and Soil Science, 15(55): 69-84. (In Persian) http://dorl.net/dor/20.1001.1.24763594.1390.15.55.6.4
Shakeri yousefi, Sh., Najarchi, M., Fuladipanah, M., Rabani Bidgoli, M. 2025. Machine Learning models for High-Accuracy Prediction of Energy Dissipation Through Gabion Sills Downstream of Spillways. Journal of New Approaches in Water Engineering and Environment4(2): 91-106. doi: 10.22034/nawee.2025.507107.1140
Stefánsson, A., Koncar, N., Jones, A.J. 1997. A note on the gamma test. Neural Computing & Applications. 5(3): 131-133.
Taabtabaei, S., Nazeri Tahroudi, M., Dastourani, M. 2018. Performance comparison of GP, ANN, BCSD and SVM models for temperature simulation Comparison performance of GP, ANN, BCSD and SVM models in temperature simulation. Journal of Meteorology and Atmospheric Science, 1(1): 53-64. (In Persian)
Tabari, H., Marofi, S., Sabziparvar, A.A. 2010. Estimation of daily pan evaporation using artificial neural network and multivariate non-linear regression. Irrigation Sciences, 28: 399-406. https://doi.org/10.1007/s00271-009-0201-0
Vapnic V.N. 1988. Statistical Learning Theory. Wiley, NEW YORK, USA.
Wang L., Niu Z., Kisi O., Li C., Yu, D. 2017. Pan evaporation modeling using four different heuristic approaches. Computers and Electronics in Agriculture. 140: 203- 213. https://doi.org/10.1016/j.compag.2017.05.036
Zare Abyaneh, H., Bayat Varkeshi, M., Marofi, S. 2011. Forecasting of garlic (Allium sativum L.) evapotranspiration by using multiple modeling. Journal of Water and Soil Conservation, 18(2): 141-158. (In Persian)