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The WOA-CNN-LSTM-Attention Model for Predicting GNSS Water Vapor

全球导航卫星系统应用 计算机科学 遥感 大气模式 人工智能 气象学 地质学 全球定位系统 电信 地理
作者
Xiangrong Yan,Weifang Yang,Motong Gao,Nan Ding,Wenyuan Zhang,Longjiang Li,Yuhao Hou,Kefei Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:62: 1-15 被引量:1
标识
DOI:10.1109/tgrs.2024.3406694
摘要

Precipitable water vapor (PWV), as an important representative parameter of atmospheric water vapor contents, can be obtained by means of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) using both ground-based and space-borne observation techniques. However, the PWV prediction models currently accessible tend to be simplistic combinations or individual models. In this study, we develop a WOA-CNN-LSTM-Attention model to predict PWV, which takes the sixteen GNSS PWV values near the HKKP station as characteristic parameters and the spatial relationship between the point of interest and its neighboring GNSS stations into consideration. An optimal model via the whale optimization algorithm (WOA) is investigated by using a wavelet analysis to separate noises, through combining convolutional neural network (CNN), long short-term memory neural network (LSTM) and attention mechanism. Results show that considerable improvement in the prediction accuracy has been achieved through a comparison between CNN-LSTM-Attention and the conventional LSTM and CNN-LSTM models. In terms of long-term predictability, CNN-LSTM-Attention is proven to be a superior model when 8 features are incorporated. The model's root mean square error (RMSE) is 2.30 mm which is reduced by 20.42 % than in the case of 0 feature is used. As a further analysis, we also examine the prediction performance of various models for hourly PWV using 7, 15, 30, 60 and 90 days of data as different lengths of training. The results show that CNN-LSTM-Attention has a better prediction effect when the training length is 30 days, the RMSE is 0.74 mm and the Nash-Sutcliffe efficiency coefficient (NSE) is 0.98.
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