地下水模型参数估计工具——PEST

Posted 2020-12-06 mhzt

1 Introduction

PEST（Parameter Estimation）是一个广泛适用的模型参数优化程序，需要给定初始参数，调用正模型，对比模型结果与观测值，在参数的给定范围内调整参数，达到收敛条件后，得到优化后的参数值。

运用PEST工具，不仅可以直接调用独立程序，也可以在地下水的主流商业软件中操作，现在已经嵌套于例如GMS, Visual Modflow等商业软件中，并且可以找到相应的step by step手册。

2 需要提供的文件

为了正确运行PEST，四种类型文件必须提供：

(1) 模型批处理文件

后缀为.bat

(2) 模型输入模板文件

包括需要校正的参数的输入模型

保存为.tpl文件，.tpl表示PEST模板文件

(3) 模型输出读取指令文件

由PEST使用，将其输出与观测结果进行比较

(4) PEST控制文件

该文件以pcf（PEST CONTROL FILE）开头，包含七个区域，每个区域以星号 空格 区域名称为开头

第一个区域为：控制数据（* control data）

line3 该区域有两个控制变量 (no)restart(if or not generate some output files that are used for restarting) 和 estimation(开启PEST的参数估计功能，而不是正则化或预测)

line4 五个变量。C1(第一列Column 1)是参数数量，C2是观测数据数量，C3是参数groups数量，C4是先验信息数量（如果有的话），C5是观测groups数量

line5 七个变量 C1是输入模板文件及其相应的模型输入文件对的数目，C2中的变量是模型输出读取指令文件对数和相应的模型输出文件；因此，这两个变量之和应等于“模型输入/输出”区域中的行数。其他变量可以不用管。

该区域的其余变量除了line9中的C1也可以不用管

line9 所有变量都是一个停止参数估计的准则，第一个变量是允许PEST运行的最大迭代次数，通常30次迭代对任何PEST运行都是足够的。

第二个区域为：参数集合（* parameter groups）

C1是参数名称，C

C1是集合名称，C2是选择如何增加参数的值，可以根据参数的当前值增加一个绝对值或相对值或者"rel_to_max"

如果C2是“relative”：C3是增量的分数；

如果C2是“absolute”：则C3中的增量是固定的；

如果C2是“rel_to_max”：这任何组参数的增量都被计算为绝对值最高的组内参数的分数，该分数仍然是C3中的变量。

C4是根据该组中参数的平均大小设置的，C5通常设置为“0.001”。

第三个区域为：参数数据（* parameter data）

C1是参数名称，C4是初始值，C5是下界，C6是上界；

如果你想要PEST找到某参数的最优值，你需要在C2中输入“none”or"log"，否则输入“fixed”or"tied"，一般用"none" or "fixed"。

C3一般填上“factor”，除非初值上下界其一为0或者上下边界值有负号，这时可以填上“relative”

C8一般都是1.0，C9为0，C10为1，不用担心它的意义。

C7表示该参数位于的参数集合。

第四个区域为：观测值集合（* observation groups）

C1为观测值集合名称

第五个区域为：观测值数据（* observation data）

C1为观测值数据名称，C2是观测值，C3是观测值权重，C4是所属观测值集合

第六个区域为：模型命令行（* model command line）

 只包含批处理文件

第七个区域为：模型的输入/输出（* model input/output）

 C1-C2为输入模板文件，C3-C4为模型输入文件

或者C1-C2为模型输出读取指令文件，C3-C4是相应模型输出文件

例如上图，line50为模型输出文件对，其余为输入文件对。