علوم و مهندسی آبیاری

علوم و مهندسی آبیاری

ارزیابی تأثیر رویکردهای مختلف انتخاب ویژگی بر مدل‌سازی جریان رودخانه با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه لرستان، خرم آباد، ایران
2 گروه مهندسی کامپیوتر، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه لرستان، خرم آباد، ایران
چکیده
پیش‌بینی دقیق جریان رودخانه در سامانه‌های هیدرولوژیکی، به‌دلیل پیچیدگی روابط غیرخطی و تغییرات زمانی جریان، همچنان یک چالش اساسی محسوب می‌شود. الگوریتم‌های یادگیری ماشین به‌دلیل توانایی در مدل‌سازی روابط غیرخطی، به‌طور گسترده برای این منظور به‌کار می‌روند. با این حال، تعداد زیاد متغیرهای ورودی می‌تواند موجب افزایش پیچیدگی مدل و کاهش دقت پیش‌بینی شود. از این‌رو، انتخاب ویژگی، نقش مهمی در بهبود عملکرد مدل‌ها دارد. هدف این پژوهش بررسی تأثیر راهبردهای مختلف انتخاب ویژگی بر عملکرد مدل‌های یادگیری ماشین در پیش‌بینی ماهانه جریان رودخانه کشکان-پلدختر است. بدین منظور، دو رویکرد انتخاب ویژگی شامل روش مبتنی بر اهمیت ویژگی‌ها (SFM) و حذف بازگشتی ویژگی مبتنی بر اعتبارسنجی متقاطع (RFECV) همراه با سازوکار انتخاب ویژگی درونی برخی الگوریتم‌ها به‌کار گرفته شد و عملکرد الگوریتم‌های جنگل تصادفی (RF)، تقویت گرادیان شدید (XGBoost)، رگرسیون لاسو (LASSO) و رگرسیون بردار پشتیبان (SVR) برای پیش‌بینی دبی جریان بررسی و در مراحل آموزش و آزمون با شاخص‌های R²، RMSE، MAE و KGE ارزیابی و با مدل پایه کلیماتولوژی مقایسه گردید. نتایج نشان داد روش انتخاب ویژگی تاثیر قابل‌ توجهی بر عملکرد مدل‌ها دارد. مدل RF-SFM بهترین عملکرد را در فاز آزمون ارائه داد ( R²=0.926و KGE=0.934) که بیانگر تواناییSFM در شناسایی متغیرهای موثر و بهبود دقت پیش‌بینی است. در مقابل، مدل RF-RFECV با حذف تدریجی متغیرهای کم‌اهمیت، ساختاری ساده‌تر و پایدارتر ارائه داد که برای تحلیل‌های علمی و تفسیرپذیر مناسب‌تر است. همچنینXGBoost مستعد بیش‌برازش بوده وSVR ضعیف‌ترین عملکرد را در این مجموعه ‌داده نشان داد. مقایسه نتایج با مدل پایه کلیماتولوژی نیز برتری الگوریتم‌های یادگیری ماشین در بازنمایی الگوهای پیچیده هیدرولوژیکی را نشان داد. در مجموع، انتخاب آگاهانه روش انتخاب ویژگی نقش مهمی در تعادل بین دقت پیش‌بینی و سادگی مدل داشته و می‌تواند در بهبود پیش‌بینی‌های عملیاتی جریان و پشتیبانی تصمیم‌گیری در مدیریت منابع آب بسیار مؤثر باشد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Evaluation of the Impact of Different Feature Selection Approaches on River Flow Modeling Using Machine Learning Algorithms

نویسندگان English

Maryam Mirbeyk Sabzevari 1
hassan torabi podeh 1
Mohammad Bagher Dowlatshahi 2
Amir Hamzeh Haghiabi 1
Abbas Maleki 1
1 Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Lorestan University, Khorramabad, Iran
2 Department of Computer Engineering, Faculty of Engineering, Lorestan University, Khorramabad, Iran
چکیده English

Accurate prediction of river flow remains a major challenge in hydrological systems due to nonlinear relationships and temporal variability governing streamflow behavior. Machine learning algorithms are increasingly used for this purpose because of their strong capability in modeling complex nonlinear interactions among hydrological variables. However, when a large number of input predictors are used, model complexity, computational cost, and the risk of overfitting increase, highlighting the importance of applying effective feature selection methods.

This study evaluates the impact of different feature selection strategies on the performance of machine learning models for monthly streamflow prediction of the Kashkan–Poldokhtar River. Two feature selection approaches SelectFromModel (SFM), based on model-derived feature importance, and recursive feature elimination with cross-validation (RFECV) were implemented alongside the inherent feature-handling mechanisms embedded within certain algorithms. Four machine learning models, including Random Forest (RF), Extreme Gradient Boosting (XGBoost), Least Absolute Shrinkage and Selection Operator (LASSO), and Support Vector Regression (SVR), were trained and tested. Their performances were evaluated using R², RMSE, MAE, and KGE metrics and compared with a climatology baseline. Results show that feature selection significantly influences the predictive capability of machine learning models. The RF–SFM model achieved the best testing performance (R² = 0.926, KGE = 0.934), demonstrating the effectiveness of SFM in identifying key predictors and improving forecast accuracy. The RF-RFECV model produced a simpler and more stable structure by iteratively removing less important features, making it suitable for interpretation and scientific analysis. XGBoost showed a tendency toward overfitting, while SVR exhibited the weakest performance on this dataset. Comparison with the climatology baseline confirmed the superiority of machine learning methods in representing complex hydrological dynamics.

Overall, selecting appropriate feature selection strategies is essential for balancing predictive accuracy and model simplicity and can improve operational streamflow forecasting and support water resources management

کلیدواژه‌ها English

Flow Prediction
Feature Selection
Random Forest
Machine Learning
Climatology Baseline Model

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 09 خرداد 1405

  • تاریخ دریافت 03 اسفند 1404
  • تاریخ بازنگری 05 خرداد 1405
  • تاریخ پذیرش 09 خرداد 1405
  • تاریخ انتشار 09 خرداد 1405