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物理プロセスを組み込んだ深層学習による水田内温度環境の予測モデルの構築

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ0781
補助金の研究課題番号 22J10619 (2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2022)
応募区分国内
審査区分 小区分41030:地域環境工学および農村計画学関連
研究機関東京大学

研究代表者

謝 文鵬  東京大学, 生産技術研究所, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワードpaddy field / PGNN / water temperature / 水田水温 / 熱収支モデル
研究開始時の研究の概要

本研究では、 観測対象水田において取得した観測データに基づき、物理プロセスを組み込んだニューラルネットワークを構築し、水田内の温度環境を再現する機械学習モデルを開発する。また、開発した機械学習モデルに対して、計算精度や他地域への適用性の評価、感度分析を実施する。さらに機械学習モデルの決定プロセスを局所的な解釈可能性とグローバルな解釈可能性の観点から明らかにすることで、モデルの信頼性を評価する。最後に、気象予測と組み合わせて水田内の温度環境を予測することで、水稲の品質向上に向けた水管理を支援するツールのプロトタイプを提示する。

研究実績の概要

Firstly, a paper titled "Interpretable Framework of Physics-guided Neural Network with Attention Mechanism: Simulating Paddy Field Water Temperature Variations" was published in the esteemed journal WRR. This work elucidates the interpretability of a novel neural network framework integrated with physics guidance and attention mechanisms, specifically applied to simulate variations in paddy field water temperature.
Furthermore, another paper was published in 2022 in the journal Irrigation and Drainage, titled "Development of a short-term hybrid forecast model of paddy water temperature as an alert system for high-temperature damage." This research focuses on the development of a hybrid forecasting model tailored for predicting short-term paddy water temperature variations, crucial for mitigating high-temperature damage in agricultural settings.
Additionally, active participation was observed in the AGU conferences of 2022 and 2023, where presentations were delivered to showcase the latest advancements in the research domain.
In summary, over the course of these two years, significant insights have been gained into the integration of deep learning and physical models, along with an understanding of the advantages that deep learning offers for modeling natural phenomena. This research has notably enhanced the understanding and prediction capabilities of dynamic variations in paddy field temperatures. Moreover, valuable insights have been derived for informing agricultural irrigation systems, policy support, and guiding recommendations aimed at optimizing agricultural yields.

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (7件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 5件、 招待講演 1件) 学会・シンポジウム開催 (1件)

  • [雑誌論文] Interpretable Framework of Physics‐Guided Neural Network With Attention Mechanism: Simulating Paddy Field Water Temperature Variations2022

    • 著者名/発表者名
      Xie W.、Kimura M.、Takaki K.、Asada Y.、Iida T.、Jia X.
    • 雑誌名

      Water Resources Research

      巻: 58 号: 5

    • DOI

      10.1029/2021wr030493

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Short-Term Prediction Model for Water Levels in Low-Lying Area applying DNN Trained by Observed and Artificially Generated Data2023

    • 著者名/発表者名
      Masaomi Kimura, Kei Awano, Yutaka Matsuno, Wenpeng Xie, Natsuki Yoshikawa
    • 学会等名
      AGU23
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Using Machine Learning Approaches to Reveal the Environmental Drivers of Stomatal Conductance2023

    • 著者名/発表者名
      Hongmei Li, Gang Zhao, Wenpeng Xie, Kei Yoshimura
    • 学会等名
      AGU23
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Physical-Theory Inclusion Neural Network for Accurate Paddy Water Temperature Simulation2023

    • 著者名/発表者名
      Wenpeng Xie, Masaomi Kimura, Runze Tian, Hongmei Li
    • 学会等名
      AGU23
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] From Calibration to Parameter Learning: Applying Deep Learning Frameworks to Geoscientific Models2023

    • 著者名/発表者名
      Wenpeng Xie, Kei Yoshimura
    • 学会等名
      CHES annual conforence
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] LSTM-based Meta-learning Framework to Simulate Water Temperature in Under-observed Paddy Fields with Few-Shot Monitoring Data2022

    • 著者名/発表者名
      Xie, W., Kimura, M., Takaki, K
    • 学会等名
      AGU Fall Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会・シンポジウム開催] AGU232023

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2022-04-28   更新日: 2024-12-25  

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