Predicting Optical Water Quality Indicators from Remote Sensing Using Machine Learning Algorithms in Tropical Highlands of Ethiopia
Notice bibliographique
Résumé
Water quality degradation of freshwater bodies is a concern worldwide, particularly in Africa, where data are scarce and standard water quality monitoring is expensive. This study explored the use of remote sensing imagery and machine learning (ML) algorithms as an alternative to standard field measuring for monitoring water quality in large and remote areas constrained by logistics and finance. Six machine learning (ML) algorithms integrated with Landsat 8 imagery were evaluated for their accuracy in predicting three optically active water quality indicators observed monthly in the period from August 2016 to April 2022: turbidity (TUR), total dissolved solids (TDS) and Chlorophyll a (Chl-a). The six ML algorithms studied were the artificial neural network (ANN), support vector machine regression (SVM), random forest regression (RF), XGBoost regression (XGB), AdaBoost regression (AB), and gradient boosting regression (GB) algorithms. XGB performed best at predicting Chl-a, with an R2 of 0.78, Nash–Sutcliffe efficiency (NSE) of 0.78, mean absolute relative error (MARE) of 0.082 and root mean squared error (RMSE) of 9.79 µg/L. RF performed best at predicting TDS (with an R2 of 0.79, NSE of 0.80, MARE of 0.082, and RMSE of 12.30 mg/L) and TUR (with an R2 of 0.80, NSE of 0.81, and MARE of 0.072 and RMSE of 7.82 NTU). The main challenges were data size, sampling frequency, and sampling resolution. To overcome the data limitation, we used a K-fold cross validation technique that could obtain the most out of the limited data to build a robust model. Furthermore, we also employed stratified sampling techniques to improve the ML modeling for turbidity. Thus, this study shows the possibility of monitoring water quality in large freshwater bodies with limited observed data using remote sensing integrated with ML algorithms, potentially enhancing decision making.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».