Desempenho de um algoritmo de otimização hierárquico multiobjetivo aplicado a um modelo de superfície terrestre e ecossistemas

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Camargos, Carla Cristina de Souza
Data de Publicação: 2013
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: LOCUS Repositório Institucional da UFV
Texto Completo: http://locus.ufv.br/handle/123456789/5261
Resumo: The performance of LSEMs (Land surface and ecosystem models) depends on the parameters of the equations representing the simulated process. However, the measurement of some parameters can be impractical or even impossible; therefore, they need to be estimated, or preferably optimized specifically for each ecosystem. When the parameters are calibrated to a single variable (mono-objective problem) they may not represent the reality, because the complexity of the model and its dependence on several variables (multi-objective problem). Thus, simultaneous multi-objective optimizations are indispensable. However, the optimization performance decreases as the number of variables to be optimized simultaneously increases. Furthermore, the study of simultaneous optimization using more than three objectives is a new area and not yet sufficiently studied. For simultaneous optimization of a large number of variables, there is a method that uses concepts of hierarchical systems theory in which the optimization occurs from the fastest (radiative fluxes) to the slowest process (carbon allocation). This study evaluates the performance of the hierarchical optimization using the index D (the average of the ratios between the individual outputs of multi-objective optimization and monoobjective). Understanding how the performance index D varies with respect to the number of objective functions optimized and to the number of hierarchical levels is important for the development of this research area. Two steps are necessary to achieve the study goals. First, a sensitivity analysis was performed to determine the output variables sensitivity to the model parameters. After, simulations were made using all possible combinations among the seven micrometeorological variables available (PARo, fAPAR, Rn, u *, H, LE, NEE) taking into account the hierarchy of processes. The results indicate that for up to three objective functions, hierarchical multi-objective optimization generates better results than the simultaneous multiobjective optimization (one hierarchical level), provided that the parameters distribution among hierarchical levels is consistent with the sensitivity analysis. Another important result shows that for the same number of outputs optimized, the greater the number of hierarchical levels the better the performance of the optimized model. However, the model performance falls quickly as the number of objective functions increases, evidencing that the power of hierarchy calibration that use a high number of objective functions is highly dependent on the removal of some constraints for model s performance.
id UFV_6b8752311b6c8eff76726c1c88f0253a
oai_identifier_str oai:locus.ufv.br:123456789/5261
network_acronym_str UFV
network_name_str LOCUS Repositório Institucional da UFV
repository_id_str 2145
spelling Camargos, Carla Cristina de Souzahttp://lattes.cnpq.br/4326541750632323Costa, Marcos Heilhttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4799234J7Martins, Márcio Arêdeshttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4798288T8Sediyama, Gilberto Chohakuhttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4788051E62015-03-26T13:50:12Z2013-11-122015-03-26T13:50:12Z2013-03-20CAMARGOS, Carla Cristina de Souza. Performance of a hierarchical multi-objective optimization algorithm applied to a land surface and ecosystem model. 2013. 67 f. Dissertação (Mestrado em Agrometeorologia; Climatologia; Micrometeorologia) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2013.http://locus.ufv.br/handle/123456789/5261The performance of LSEMs (Land surface and ecosystem models) depends on the parameters of the equations representing the simulated process. However, the measurement of some parameters can be impractical or even impossible; therefore, they need to be estimated, or preferably optimized specifically for each ecosystem. When the parameters are calibrated to a single variable (mono-objective problem) they may not represent the reality, because the complexity of the model and its dependence on several variables (multi-objective problem). Thus, simultaneous multi-objective optimizations are indispensable. However, the optimization performance decreases as the number of variables to be optimized simultaneously increases. Furthermore, the study of simultaneous optimization using more than three objectives is a new area and not yet sufficiently studied. For simultaneous optimization of a large number of variables, there is a method that uses concepts of hierarchical systems theory in which the optimization occurs from the fastest (radiative fluxes) to the slowest process (carbon allocation). This study evaluates the performance of the hierarchical optimization using the index D (the average of the ratios between the individual outputs of multi-objective optimization and monoobjective). Understanding how the performance index D varies with respect to the number of objective functions optimized and to the number of hierarchical levels is important for the development of this research area. Two steps are necessary to achieve the study goals. First, a sensitivity analysis was performed to determine the output variables sensitivity to the model parameters. After, simulations were made using all possible combinations among the seven micrometeorological variables available (PARo, fAPAR, Rn, u *, H, LE, NEE) taking into account the hierarchy of processes. The results indicate that for up to three objective functions, hierarchical multi-objective optimization generates better results than the simultaneous multiobjective optimization (one hierarchical level), provided that the parameters distribution among hierarchical levels is consistent with the sensitivity analysis. Another important result shows that for the same number of outputs optimized, the greater the number of hierarchical levels the better the performance of the optimized model. However, the model performance falls quickly as the number of objective functions increases, evidencing that the power of hierarchy calibration that use a high number of objective functions is highly dependent on the removal of some constraints for model s performance.O desempenho de um LSEM (Modelo de superfície terrestre e ecossistema) depende dos parâmetros das equações que representam os processos simulados. Contudo, a mensuração de alguns destes parâmetros pode ser impraticável ou até mesmo impossível; por isso, necessitam ser estimados ou, preferencialmente, otimizados para cada ecossistema. Quando os parâmetros são calibrados para uma única variável (problema mono-objetivo) eles podem não representar bem a realidade, dado a complexidade do modelo e sua dependência de diversas variáveis (problema multiobjetivo). Por isso, há a necessidade de uma otimização simultânea multiobjetiva. Porém, o desempenho da otimização diminui com o aumento do número de variáveis otimizadas simultaneamente e, além disso, o estudo da otimização simultânea de mais de três objetivos é uma área relativamente nova e não suficientemente estudada. Para a otimização simultânea de um grande número de variáveis, existe uma metodologia na qual se utiliza conceitos de teoria hierárquica de sistemas em que a otimização ocorre dos processos mais rápidos (fluxos radiativos) para os mais lentos (alocação de carbono). Este trabalho avalia o desempenho da otimização hierárquica do modelo, utilizando o índice D (a média das razões individuais entre as saídas das otimizações multiobjetiva e monoobjetiva). Entender como o índice de desempenho D do algoritmo de otimização hierárquico varia em relação ao número de funções objetivo otimizadas é de extrema importância para o desenvolvimento desta área de pesquisa. Para fazer atingir os objetivos, foram necessárias duas etapas. Primeiramente, foi feita uma análise de sensibilidade, a fim de conhecer a sensibilidade das variáveis de saída aos parâmetros do modelo. Depois, foram feitas simulações com todas as combinações possíveis entre as sete variáveis micrometeorológicas disponíveis (PARo, fAPAR, Rn, u*, H, LE, NEE) levando em consideração a hierarquia dos processos. Os resultados encontrados indicam que, para até três funções objetivo, a otimização multiobjetiva hierárquica pode gerar resultados melhores do que a otimização multiobjetiva tradicional (um único nível hierárquico), desde que a distribuição dos parâmetros entre as variáveis seja feita de forma coerente com a análise de sensibilidade. Outro resultado importante revela que para um mesmo número de saídas otimizadas, quanto maior o número de níveis hierárquicos melhor o desempenho do modelo otimizado. Porém, o desempenho do modelo diminui rapidamente quando o número de funções objetivo aumenta, evidenciando que o poder da calibração hierárquica para o uso de um grande número de funções objetivo é altamente dependente de algumas restrições que o modelo possui e um alto desempenho do modelo para muitas funções objetivo será possível somente após a remoção delas.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológicoapplication/pdfporUniversidade Federal de ViçosaMestrado em Meteorologia AgrícolaUFVBRAgrometeorologia; Climatologia; MicrometeorologiaHidroclimatologiaModelagemEcossistemaAlgoritmoSuperfície terrestreHydroclimatologyModelingEcosystemAlgorithmLand SurfaceCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::GEOCIENCIAS::METEOROLOGIA::CLIMATOLOGIADesempenho de um algoritmo de otimização hierárquico multiobjetivo aplicado a um modelo de superfície terrestre e ecossistemasPerformance of a hierarchical multi-objective optimization algorithm applied to a land surface and ecosystem modelinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:LOCUS Repositório Institucional da UFVinstname:Universidade Federal de Viçosa (UFV)instacron:UFVORIGINALtexto completo.pdfapplication/pdf2283755https://locus.ufv.br//bitstream/123456789/5261/1/texto%20completo.pdf7b17f9a16dc883593adc1fe443b6a654MD51TEXTtexto completo.pdf.txttexto completo.pdf.txtExtracted texttext/plain93719https://locus.ufv.br//bitstream/123456789/5261/2/texto%20completo.pdf.txt81dbcd1e405f470d37a520070887f205MD52THUMBNAILtexto completo.pdf.jpgtexto completo.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg3644https://locus.ufv.br//bitstream/123456789/5261/3/texto%20completo.pdf.jpg45a536c707a43dd16eb0d2be468dfc3eMD53123456789/52612016-04-10 23:03:53.808oai:locus.ufv.br:123456789/5261Repositório InstitucionalPUBhttps://www.locus.ufv.br/oai/requestfabiojreis@ufv.bropendoar:21452016-04-11T02:03:53LOCUS Repositório Institucional da UFV - Universidade Federal de Viçosa (UFV)false
dc.title.por.fl_str_mv Desempenho de um algoritmo de otimização hierárquico multiobjetivo aplicado a um modelo de superfície terrestre e ecossistemas
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv Performance of a hierarchical multi-objective optimization algorithm applied to a land surface and ecosystem model
title Desempenho de um algoritmo de otimização hierárquico multiobjetivo aplicado a um modelo de superfície terrestre e ecossistemas
spellingShingle Desempenho de um algoritmo de otimização hierárquico multiobjetivo aplicado a um modelo de superfície terrestre e ecossistemas
Camargos, Carla Cristina de Souza
Hidroclimatologia
Modelagem
Ecossistema
Algoritmo
Superfície terrestre
Hydroclimatology
Modeling
Ecosystem
Algorithm
Land Surface
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::GEOCIENCIAS::METEOROLOGIA::CLIMATOLOGIA
title_short Desempenho de um algoritmo de otimização hierárquico multiobjetivo aplicado a um modelo de superfície terrestre e ecossistemas
title_full Desempenho de um algoritmo de otimização hierárquico multiobjetivo aplicado a um modelo de superfície terrestre e ecossistemas
title_fullStr Desempenho de um algoritmo de otimização hierárquico multiobjetivo aplicado a um modelo de superfície terrestre e ecossistemas
title_full_unstemmed Desempenho de um algoritmo de otimização hierárquico multiobjetivo aplicado a um modelo de superfície terrestre e ecossistemas
title_sort Desempenho de um algoritmo de otimização hierárquico multiobjetivo aplicado a um modelo de superfície terrestre e ecossistemas
author Camargos, Carla Cristina de Souza
author_facet Camargos, Carla Cristina de Souza
author_role author
dc.contributor.authorLattes.por.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/4326541750632323
dc.contributor.author.fl_str_mv Camargos, Carla Cristina de Souza
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Costa, Marcos Heil
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4799234J7
dc.contributor.referee1.fl_str_mv Martins, Márcio Arêdes
dc.contributor.referee1Lattes.fl_str_mv http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4798288T8
dc.contributor.referee2.fl_str_mv Sediyama, Gilberto Chohaku
dc.contributor.referee2Lattes.fl_str_mv http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4788051E6
contributor_str_mv Costa, Marcos Heil
Martins, Márcio Arêdes
Sediyama, Gilberto Chohaku
dc.subject.por.fl_str_mv Hidroclimatologia
Modelagem
Ecossistema
Algoritmo
Superfície terrestre
topic Hidroclimatologia
Modelagem
Ecossistema
Algoritmo
Superfície terrestre
Hydroclimatology
Modeling
Ecosystem
Algorithm
Land Surface
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::GEOCIENCIAS::METEOROLOGIA::CLIMATOLOGIA
dc.subject.eng.fl_str_mv Hydroclimatology
Modeling
Ecosystem
Algorithm
Land Surface
dc.subject.cnpq.fl_str_mv CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::GEOCIENCIAS::METEOROLOGIA::CLIMATOLOGIA
description The performance of LSEMs (Land surface and ecosystem models) depends on the parameters of the equations representing the simulated process. However, the measurement of some parameters can be impractical or even impossible; therefore, they need to be estimated, or preferably optimized specifically for each ecosystem. When the parameters are calibrated to a single variable (mono-objective problem) they may not represent the reality, because the complexity of the model and its dependence on several variables (multi-objective problem). Thus, simultaneous multi-objective optimizations are indispensable. However, the optimization performance decreases as the number of variables to be optimized simultaneously increases. Furthermore, the study of simultaneous optimization using more than three objectives is a new area and not yet sufficiently studied. For simultaneous optimization of a large number of variables, there is a method that uses concepts of hierarchical systems theory in which the optimization occurs from the fastest (radiative fluxes) to the slowest process (carbon allocation). This study evaluates the performance of the hierarchical optimization using the index D (the average of the ratios between the individual outputs of multi-objective optimization and monoobjective). Understanding how the performance index D varies with respect to the number of objective functions optimized and to the number of hierarchical levels is important for the development of this research area. Two steps are necessary to achieve the study goals. First, a sensitivity analysis was performed to determine the output variables sensitivity to the model parameters. After, simulations were made using all possible combinations among the seven micrometeorological variables available (PARo, fAPAR, Rn, u *, H, LE, NEE) taking into account the hierarchy of processes. The results indicate that for up to three objective functions, hierarchical multi-objective optimization generates better results than the simultaneous multiobjective optimization (one hierarchical level), provided that the parameters distribution among hierarchical levels is consistent with the sensitivity analysis. Another important result shows that for the same number of outputs optimized, the greater the number of hierarchical levels the better the performance of the optimized model. However, the model performance falls quickly as the number of objective functions increases, evidencing that the power of hierarchy calibration that use a high number of objective functions is highly dependent on the removal of some constraints for model s performance.
publishDate 2013
dc.date.available.fl_str_mv 2013-11-12
2015-03-26T13:50:12Z
dc.date.issued.fl_str_mv 2013-03-20
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2015-03-26T13:50:12Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.citation.fl_str_mv CAMARGOS, Carla Cristina de Souza. Performance of a hierarchical multi-objective optimization algorithm applied to a land surface and ecosystem model. 2013. 67 f. Dissertação (Mestrado em Agrometeorologia; Climatologia; Micrometeorologia) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2013.
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://locus.ufv.br/handle/123456789/5261
identifier_str_mv CAMARGOS, Carla Cristina de Souza. Performance of a hierarchical multi-objective optimization algorithm applied to a land surface and ecosystem model. 2013. 67 f. Dissertação (Mestrado em Agrometeorologia; Climatologia; Micrometeorologia) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2013.
url http://locus.ufv.br/handle/123456789/5261
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Viçosa
dc.publisher.program.fl_str_mv Mestrado em Meteorologia Agrícola
dc.publisher.initials.fl_str_mv UFV
dc.publisher.country.fl_str_mv BR
dc.publisher.department.fl_str_mv Agrometeorologia; Climatologia; Micrometeorologia
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Viçosa
dc.source.none.fl_str_mv reponame:LOCUS Repositório Institucional da UFV
instname:Universidade Federal de Viçosa (UFV)
instacron:UFV
instname_str Universidade Federal de Viçosa (UFV)
instacron_str UFV
institution UFV
reponame_str LOCUS Repositório Institucional da UFV
collection LOCUS Repositório Institucional da UFV
bitstream.url.fl_str_mv https://locus.ufv.br//bitstream/123456789/5261/1/texto%20completo.pdf
https://locus.ufv.br//bitstream/123456789/5261/2/texto%20completo.pdf.txt
https://locus.ufv.br//bitstream/123456789/5261/3/texto%20completo.pdf.jpg
bitstream.checksum.fl_str_mv 7b17f9a16dc883593adc1fe443b6a654
81dbcd1e405f470d37a520070887f205
45a536c707a43dd16eb0d2be468dfc3e
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv LOCUS Repositório Institucional da UFV - Universidade Federal de Viçosa (UFV)
repository.mail.fl_str_mv fabiojreis@ufv.br
_version_ 1801213057125318656