Despite deep-learning being state-of-the-art for data-driven model predictions, it has not yet found frequent application in ecology. Given the low sample size typical in many environmental research fields, the default choice for the modelling of ecosystems and its functions remain process-based models. The process understanding coded in these models complements the sparse data and neural networks can detect hidden dynamics even in noisy data. Embedding the process model in the neural network adds information to learn from, improving interpretability and predictive performance of the combined model towards the data-only neural networks and the mechanism-only process model. At the example of carbon fluxes in forest ecosystems, we compare different approaches of guiding a neural network towards process model theory. Evaluation of the results under four classical prediction scenarios supports decision-making on the appropriate choice of a process-guided neural network.


翻译:尽管深层学习是数据驱动模型预测的最新技术,但它尚未发现在生态中经常应用。鉴于许多环境研究领域典型的样本规模较低,生态系统建模及其功能的默认选择仍然是基于过程的模型。这些模型所编码的过程理解补充了稀有的数据和神经网络,甚至可以在噪音数据中探测隐藏的动态。将过程模型嵌入神经网络增加了信息以学习,改进了该综合模型对数据专用神经网络和机制专用过程模型的可解释性和预测性。在森林生态系统碳通量的例子中,我们比较了指导神经网络走向过程模型理论的不同方法。对四种典型预测情景下的结果的评估支持就正确选择过程引导神经网络作出决定。

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