ارزیابی مدل‌های هوشمند عصبی، مدل CANFIS و مدل درختی M5 در تخمین شاخص خشکسالی هواشناسی- مطالعه موردی: ایستگاه سینوپتیک کرمانشاه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه بین المللی امام خمینی

2 گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران.

چکیده

پیش‌بینی به‌موقع خشکسالی و شدت بروز آن، می‌تواند در اتخاذ تمهیدات لازم جهت مقابله با این پدیده اثرگذار باشد. استان کرمانشاه در دهه اخیر به یکی از کانون‌های اصلی بحران خشکسالی در کشور تبدیل‌شده است که این امر تأثیر بسزایی در کاهش تولید مواد غذایی، خطر گرسنگی، افت سطح آب زیرزمینی و تخریب خاک داشته است. در این پژوهش به مقایسه مدل فازی-عصبی CANFIS با مدل‌های دیگر شامل MLPNN، MLR و مدل درخت تصمیم‌گیری M5 در پیش‌بینی شاخص خشکسالی SPI در مقیاس زمانی 12،9،6،3،1 و 24 ماهه، به مدت 70 سال پرداخته‌شده است. برای انتخاب بهینه ورودی از آنالیز خودهمبستگی و خودهمبستگی جزئی استفاده شد. نتایج بررسی نشان داد که درخت تصمیم‌گیری M5 با ضریب تعیین برابر با 93/0 و میانگین مربعات خطا برابر با 248/0 نسبت به سایر مدل‌ها عملکرد بهتری داشته است همچنین میانگین مربعات خطا در مدل‌های CANFIS، MLR وMLPNN به ترتیب 307/0، 399/0 و 312/0 مشخص کرد که مدل شبکه عصبی- فازی CANFIS در مقایسه با MLPNN و MLR عملکرد بهتری را در پیش‌بینی شاخص خشکسالی داشته است. بر اساس محاسبات آماری و شاخص‌های ارزیابی شبکه مشخص شد که انتخاب گام زمانی تأثیر زیادی در نتایج مدل‌سازی دارد به‌طوری‌که همبستگی با گام‌های زمانی 9 ماهه و بیشتر در تمامی مدل‌ها نتایج قابل‌قبول‌تری بین خشکسالی مشاهده‌شده و خشکسالی محاسبه‌شده ارائه داد. درمجموع نتایج نشان داد در برآورد خشکسالی مدل درختی M5 مدلی کارآمد است که می توان جهت تسهیل توسعه و پیاده‌سازی استراتژی‌های مدیریتی جهت جلوگیری از ایجاد خشکسالی مفید است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Analyses of the CANFIS, MLPNN, MLR, and M5 tree model for estimating the meteorological drought index (case study: Kermanshah synoptic station)

نویسندگان [English]

  • hamed mazandarani zadeh 1
  • fariba khodabakhshi 2
1 Department of Science and Water Engineering, Imam Khomeini International University (IKIU)
2 Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.
چکیده [English]

This study examined the performance of the CANFIS fuzzy-neural model against other models, such as MLPNN, MLR, and M5 decision tree model, in predicting the SPI drought index in timescales of 12, 9, 6, 3, 1, and 24 months, for 70 months. The SPI index was developed by McKee and his colleagues at Colorado State University in 1993. A lack of rainfall can be calculated based on the probability of occurrence over a range of time periods from one month to 48 months utilizing this index. The optimal input was selected by using autocorrelation and partial autocorrelation analyses. In order to determine the relationship between the PACE charts and significant time delays for each index, MINITAB software was utilized to extract the PACE charts and calculate the significant time delays. In the context of different scenarios, the relationship between these variables is assessed using the CANFIS, MLR, MLPNN, and M5 tree models, ensuring that 70% of the data were used for training, 15% were checked for validation, and 15% were used for testing. CANFIS, MLR, MLPNN, and M5 tree models were evaluated by the root mean square error (MSE), root mean square error (RMSE), standard deviation (MAD), coefficient of determination (R2), and visual interpretation using scatter diagrams. In order to implement the CANFIS and MLPNN fuzzy neural models, the NeuroSolution software was used, and in order to model the M5 and MLR decision tree algorithms, the Weka software prepared by researchers at Waikato University was used.

کلیدواژه‌ها [English]

  • drought index
  • drought prediction
  • fuzzy-neural model
  • decision tree

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 05 تیر 1402
  • تاریخ دریافت: 11 آبان 1401
  • تاریخ بازنگری: 03 تیر 1402
  • تاریخ پذیرش: 05 تیر 1402
  • تاریخ انتشار: 05 تیر 1402