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Interpretable spatio-temporal attention LSTM model for flood forecasting

计算机科学 人工智能 大洪水 机器学习 模式识别(心理学) 地理 考古
作者
Yukai Ding,Yuelong Zhu,Jun Feng,Pengcheng Zhang,Zirun Cheng
出处
期刊:Neurocomputing [Elsevier]
卷期号:403: 348-359 被引量:102
标识
DOI:10.1016/j.neucom.2020.04.110
摘要

Abstract Modeling interpretable artificial intelligence (AI) for flood forecasting represents a serious challenge: both accuracy and interpretability are indispensable. Because of the uncertainty and nonlinearity of flood, existing hydrological solutions always achieve low prediction robustness while machine learning (ML) approaches neglect the physical interpretability of models. In this paper, we focus on the need for flood forecasting and propose an interpretable Spatio-Temporal Attention Long Short Term Memory model (STA-LSTM) based on LSTM and attention mechanism. We use dynamic attention mechanism and LSTM to build model, Max-Min method to normalize data, variable control method to select hyperparameters, and Adam algorithm to train the model. Emphasis is placed on the visualization and interpretation of attention weights. Experiment results on three small and medium basins in China suggest that the proposed STA-LSTM model outperforms Historical Average (HA), Fully Connected Network (FCN), Convolutional Neural Networks (CNN), Graph Convolutional Networks (GCN), original LSTM (LSTM), spatial attention LSTM (SA-LSTM), and temporal attention LSTM (TA-LSTM) in most cases. Visualization and interpretation of spatial and temporal attention weights reflect the reasonability of the proposed attention-based model.

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