ارزیابی مدل‌های یادگیری ماشین مبتنی بر MICE در بازسازی داده‌های گمشده اقلیمی در حوضه دریاچه ارومیه

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

وجود داده‌های گمشده در شبکه‌های ایستگاه‌های هواشناسی یکی از چالش‌های مهم در مطالعات هیدرولوژیکی و اقلیمی است که می‌تواند موجب افزایش عدم‌قطعیت و کاهش دقت تحلیل‌ها شود. انتخاب روش مناسب برای بازسازی این داده‌ها نقش تعیین‌کننده‌ای در بهبود کیفیت نتایج دارد. در این پژوهش، عملکرد روش MICE و چهار رویکرد ترکیبی آن شامل MICE–LR، MICE–DT، MICE–KNN و MICE–SVM در بازسازی داده‌های گمشده متغیرهای اقلیمی مورد ارزیابی قرار گرفت. تحلیل‌ها با استفاده از داده‌های شش ایستگاه منتخب حوضه دریاچه ارومیه انجام شد که تنوع مکانی و اقلیمی مناسبی را پوشش می‌دهند. ارزیابی عملکرد مدل‌ها بر اساس شاخص کارایی کلینگ–گوپتا (KGE)، درصد اریبی (PBIAS) و زمان اجرای محاسباتی صورت گرفت. نتایج نشان داد که تمامی مدل‌ها توانایی قابل قبولی در بازسازی داده‌های گمشده دارند؛ با این حال، بهبود عملکرد نسبت به روش پایه MICE وابسته به نوع مدل بوده است. در این میان، مدل‌های MICE–DT و MICE–SVM عملکرد برتری نسبت به مدل پایه از خود نشان دادند؛ به‌طوری‌که مدل MICE–DT در بازسازی متغیرهای دمایی، ابرناکی و فشار و مدل MICE–SVM در متغیرهای رطوبتی دقت بالاتری را ارائه کردند. با این وجود، روش پایه MICE در متغیرهای تابش و انرژی عملکردی قابل رقابت با مدل‌های ترکیبی داشت. در این میان، مدل‌های MICE–LR و MICE–DT با مقادیر کم‌تر PBIAS و زمان اجرای پایین‌تر، توازن مناسبی بین دقت بازسازی و کارایی محاسباتی برقرار کردند. در مقابل، مدل MICE–KNN به دلیل نیاز به محاسبه فاصله بین نمونه‌ها در هر تکرار، زمان اجرای بیشتری نسبت به مدل‌های خطی داشت. همچنین، مدل MICE–SVM به علت فرآیند بهینه‌سازی تکرارشونده در آموزش و تنظیم پارامترهای کرنل در هر مرحله از الگوریتم MICE، زمان اجرای قابل توجهی را به خود اختصاص داد؛ از این‌رو، در داده‌های حجیم و کاربردهای عملی در مقیاس‌های بزرگ گزینه‌ای کم‌کارآمدتر محسوب می‌شود. به‌طور کلی، نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که استفاده از رویکردهای ترکیبی ساده‌تر مبتنی بر MICE می‌تواند راهکاری مؤثر و کارآمد برای بازسازی داده‌های گمشده اقلیمی باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


  1. منابع

    ستاری، م. ت. شیرینی، ک. و جاویدان، س. (1403). ارزیابی کارائی روش‌های کاهش بعد در بهبود دقت مدل‌سازی شاخص کیفی آب با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین. مدل‌سازی مدیریت آب و خاک، 4(2)، 89-104. doi: 10.22098/mmws.2023.12434.1241

    محتشم، جاوید. 1402. بازسازی داده‌های بارندگی روزانه دارای دوره‌های مفقودی، با استفاده از روش‌های محاسبه چندگانه با تطبیق میانگین پیش‌بینی و جنگل تصادفی. پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی اصفهان. 278 ص.

    وفائی ممقانی، آ. اسدی، ا. دربندی، ص. و ستاری، م. ت. (1405). کاربست و مقایسه روش‌های درونیابی داده‌های گمشده‌ی تراز آب زیرزمینی با تأکید بر عملکرد DeepMVI (منطقه مورد مطالعه: دشت عجبشیر). مدلسازی مدیریت آب و خاک، 6 (1)، 17-36. doi: 10.22098/mmws.2025.17457.1601



    References

    Alejo-Sanchez, L. E., Márquez-Grajales, A., Salas-Martínez, F., Franco-Arcega, A., López-Morales, V., Acevedo-Sandoval, O. A., González-Ramírez, C. A., & Villegas-Vega, R. (2025). Missing data imputation of climate time series: A review. MethodsX, 15, 103.455. doi:10.1016/j.mex.2025.103455

    Amekudzi, L. K., Gyasi-Agyei, Y., Obuobie, E., & Addi, M. (2022). Evaluation of imputation techniques for infilling missing daily rainfall records on river basins in Ghana. Taylor & Francis.

    Azur, M. J., Stuart, E. A., Frangakis, C., & Leaf, P. J. (2011). Multiple imputation by chained equations: what is it and how does it work? International Journal of Methods in Psychiatric Research, 20(1), 40-49. doi:10.1002/mpr.329

    Chivers, B. D., Wallbank, J., Cole, S. J., Sebek, O., Stanley, S., Fry, M., & Leontidis, G. (2020). Imputation of missing sub-hourly precipitation data in a large sensor network: A machine learning approach. Journal of Hydrology, 588, 125126. :doi:10.1145/2939672.2939785

    Davari, S., Eslamian, S., Jamali, M., & Safavi, H. R. (2025). Application of machine learning algorithms for groundwater level prediction in the Najafabad plain. Scientific Reports. doi:10.47176/jwss.24.4.42931  

    Diouf, S., Deme, A., El Hadji Deme, P. F., & Diouf, I. (2023). An evaluation of the performance of imputation methods for missing meteorological data in Burkina Faso and Senegal. Afr. J. Environ. Sci. Technol, 17, 252-274. doi:10.47176/jwss.24.4.42933

    Farzandi, M., Sanaeinejad, H., Rezaei-Pazhan, H., & Sarmad, M. (2022). Improving estimation of missing data in historical monthly precipitation by evolutionary methods in the semi-arid area. Environment, Development and Sustainability, 24(6), 8313-8332. doi:10.1007/s10668-021-01784-4

    Géron, A., (2022). Hands-on machine learning with Scikit-Learn, Keras, and TensorFlow.  O'Reilly Media, Inc.

    Ghanavati, R., Salajegheh, A., Pourghasemi, H. R., Khalighi Sigaroodi, S., & Keshtkar, H. (2025). Evaluation of machine learning techniques (SVM, GLM, FDA, RF) in preparing flood susceptibility map of a part of Khuzestan province. Water and Soil Management and Modeling, 5(1), 231-246. doi:10.47176/jwss.24.4.42905

    Golkhatmi, N. S. N., & Farzandi, M. (2024). Enhancing Rainfall Data Consistency and Completeness: A Spatiotemporal Quality Control Approach and Missing Data Reconstruction Using MICE on Large Precipitation Datasets. Water Resources Management, 38(3), 815-833. doi:10.1007/s11269-023-03567-0

    Gupta Hoshin, V., Sorooshian, S., & Yapo Patrice, O. (1999). Status of Automatic Calibration for Hydrologic Models: Comparison with Multilevel Expert Calibration. Journal of Hydrologic Engineering, 4(2), 135-143. doi:10.1061/(ASCE)1084-0699

    Hamzah, F. B., Mohamad Hamzah, F., Mohd Razali, S. F., & El-Shafie, A. (2022). Multiple imputations by chained equations for recovering missing daily streamflow observations: A case study of Langat River basin in Malaysia. Hydrological Sciences Journal, 67(1), 137-149.

    Hassanzadeh, E., Zarghami, M. and Hassanzadeh, Y., (2012). Determining the main factors in declining the Urmia Lake level by using system dynamics modeling. Water Resources Management, 26(1), pp.129-145.

    Jääskeläinen, E., Manninen, T., Hakkarainen, J., & Tamminen, J. (2022). Filling gaps of black-sky surface albedo of the Arctic sea ice using gradient boosting and brightness temperature data. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 107, 102701. doi:10.1016/j.jag.2022.102701

    Jamali Jezeh, M., Shayannejad, M., & Hejazi, S. M. (2020). Evaluation the Performance of Filters Made of BC, PET and PP Textiles in Removing Oil Contaminants from Water [Research]. Journal of Water and Soil Science, 24(4), 29. (In Persian) doi:10.47176/jwss.24.4.42931

    Jamali, M., & Eslamian, S. (2023). Parametric and nonparametric methods for analyzing the trend of extreme events. In Handbook of Hydroinformatics (pp. 223-237). Elsevier.

    Jamali, M., & Eslamian, S. (2024). Climate Adaptation and Water–Environment–Energy Nexus. In Handbook of Climate Change Impacts on River Basin Management (pp. 225-236). CRC Press.

    Jing, X., Luo, J., Wang, J., Zuo, G., & Wei, N. (2022). A multi-imputation method to deal with hydro-meteorological missing values by integrating chain equations and random forest. Water Resources Management, 36(4), 1159-1173.

    Karbasi, M., 2016. Reconstruction of missing data of monthly total sunshine hours using artificial neural networks. Iranian Journal of Irrigation & Drainage, 10(5), pp.570-580.

    Ke, G., Meng, Q., Finley, T., Wang, T., Chen, W., Ma, W., Ye, Q., & Liu, T.-Y. (2017). Lightgbm: A highly efficient gradient boosting decision tree. Advances in Neural Information Processing Systems, 30.

    Knoben, W. J. M., Freer, J. E., & Woods, R. A. (2019). Technical note: Inherent benchmark or not? Comparing Nash–Sutcliffe and Kling–Gupta efficiency scores. Hydrol. Earth System. Science., doi:10.5194/hess-23-4323-2019

    Kumar, G. P., & Dwarakish, G. (2025). Comparison of the multiple imputation approaches for imputing rainfall data: A humid tropical river basin case study. Water Conservation Science and Engineering, 10(2), 87.

    Legates, D. R., & McCabe Jr, G. J. (1999). Evaluating the use of “goodness-of-fit” Measures in hydrologic and hydroclimatic model validation. Water Resources Research, 35(1), 233-241. doi:10.1029/1998WR900018

    Little, R., & Rubin, D. (1987). Multiple imputation for nonresponse in surveys. Wiley, 10, 9780470316696.

    Little, R. J., & Rubin, D. B. (2019). Statistical analysis with missing data. John Wiley & Sons.

    Liu, J., Jiang, L., Zhang, X., Druce, D., Kittel, C. M., Tøttrup, C., & Bauer-Gottwein, P. (2021). Impacts of water resources management on land water storage in the North China Plain: Insights from multi-mission earth observations. Journal of Hydrology, 603, 126933.

    Matinzadeh, M. m., Fattahi, R., Shayanzadeh, M., & Abdollahi, K. (2013). Estimation and Reconstruction of Annual Maximum 24-H Rainfall Data Using Combination of Genetic Algorithm and Artificial Neural Networks Models (Case Study: Chaharmahal va Bakhtiyari Province) ijwmse, 7(22), 53. http://jwmsei.ir/article-1-245-fa.html

    1. Moriasi, D., G. Arnold, J., W. Van Liew, M., L. Bingner, R., D. Harmel, R., & L. Veith, T. (2007). Model Evaluation Guidelines for Systematic Quantification of Accuracy in Watershed Simulations. Transactions of the ASABE, 50(3), 885-900. doi:10.13031/2013.23153

    O'Sullivan, B., & Kelly, G. (2024). Infilling of high‐dimensional rainfall networks through multiple imputation by chained equations. International Journal of Climatology, 44(9), 3075-3091.

    Plein, M., Feigel, G., Zeeman, M., Dormann, C. F., & Christen, A. (2025). Using Gradient Boosting for gap-filling to analyze temperature and humidity patterns in an urban weather station network in Freiburg, Germany. Urban Climate, 62, 102496. doi:10.1016/j.uclim.2025.102496

    Sahoo, A. and Ghose, D. K. 2022. Imputation of missing precipitation data using KNN, SOM, RF, and FNN. Soft Computing. 26: 5919-5936.

    Qaraghuli, K., Murshed, M., Said, M. A. M., Mokhtar, A., & Rousta, I. (2024). Univariate and multivariate imputation methods evaluation for reconstructing climate time series data: A case study of Mosul station-Iraq. Journal of Agrometeorology, 26(3), 318-323.

    Tashman, L.J., (2000). Out-of-sample tests of forecasting accuracy: an analysis and review. International Journal of Forecasting, 16(4), pp.437-450.

    Van Buuren, S. (2000). Multivariate imputation by chained equations: MICE V1. 0 User's Manual. Leiden: TNO.

    Wilks, D.S., 2011. Statistical methods in the atmospheric sciences (Vol. 100). Academic press.

    Willmott, C. J. (1981). ON THE VALIDATION OF MODELS. Physical Geography, 2(2), 184-194. doi:10.1080/02723646.1981.10642213