基于物理的深度学习模型

该模型的目标是将物理模型与深度学习模型在结构上融合,形成一个内在混合模型,以同时利用物理模型的可解释性和深度学习强大的数据拟合能力。

以European Journal of Agronomy上的论文

《Physics-guided deep learning for crop yield estimation》为例:

1、选择关键物理过程:碳质量平衡(Carbon Mass Balance)
农业知识:

• 作物生长需要碳:叶片生长(LAI)消耗碳(碳需求)

• 作物通过光合作用产生碳(GPP)(碳供给)

• 物理定律:碳供给 ≈ 碳需求(否则作物会死亡)
数学表达:

LAI_carbon_supply = f(GPP, 分配系数) // 碳供给:光合作用产生的碳能支持多少叶片

LAI_carbon_demand = g(LAI) // 碳需求:当前叶片量需要多少碳维持

约束条件:LAI_carbon_supply ≈ LAI_carbon_demand

2、把物理方程改写成神经网络层(关键步骤!)
传统做法:

物理模型中分配系数是固定值(如0.3),不同地区需手动调整。
本模型创新:

让分配系数动态变化:不是固定值,而是由神经网络根据时空条件自动计算

实现方式:分配系数 α 不再是人工设定的常数,而是由神经网络根据输入的时空数据(经纬度、季节、土壤等)实时生成,使模型能自适应不同地区/季节

3、物理层如何融入整体网络?

物理层的作用:

在特征提取后插入,强制中间特征(LAI)必须满足碳平衡定律,避免神经网络输出违反农业常识的结果。

仅靠物理层还不够,需在训练时惩罚违反物理定律的行为:

(1) 传统损失函数(仅数据驱动)

loss = MSE(预测产量, 真实产量) # 只关注预测值是否接近真实值

(2) 本模型的物理增强损失函数

物理约束项:碳供给与碳需求的差距

physics_loss = (LAI_supply - LAI_demand) ** 2 # 违反碳平衡则损失变大

总损失 = 数据拟合损失 + 物理约束损失

total_loss = MSE(预测产量, 真实产量) + λ * physics_loss

λ:超参数,控制物理约束的强度(文档3提到用物理知识正则化网络)

效果:

当模型预测的LAI导致碳失衡时,physics_loss 会激增,迫使网络调整参数

即使没有足够产量数据,也能靠物理定律学习合理规律(解决小样本问题)

端到端训练(关键优势)

传统混合模型:

物理模型和AI模型分开训练 → 误差累积,无法全局优化

所有组件统一训练:

遥感特征提取层 + 物理层 + 产量预测层 → 整个网络用反向传播联合优化

优势:

模型构建流程图

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