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Enregistrement W4392239955 · doi:10.3390/w16050707

Dissolved Oxygen Forecasting for Lake Erie’s Central Basin Using Hybrid Long Short-Term Memory and Gated Recurrent Unit Networks

2024· article· en· W4392239955 sur OpenAlexafffund
Daiwei Pan, Yue Zhang, Ying Deng, Jesse Van Griensven Thé, Simon X. Yang, Bahram Gharabaghi

Notice bibliographique

RevueWater · 2024
Typearticle
Langueen
DomaineEnvironmental Science
ThématiqueHydrological Forecasting Using AI
Établissements canadiensLakes Environmental (Canada)University of Guelph
Organismes subventionnairesNatural Sciences and Engineering Research Council of Canada
Mots-clésEnvironmental scienceWater qualitySurface runoffFreshwater ecosystemPollutionStormwaterHydrology (agriculture)Drainage basinEcosystemEcologyCartographyGeographyEngineering

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Dissolved oxygen (DO) concentration is a pivotal determinant of water quality in freshwater lake ecosystems. However, rapid population growth and discharge of polluted wastewater, urban stormwater runoff, and agricultural non-point source pollution runoff have triggered a significant decline in DO levels in Lake Erie and other freshwater lakes located in populated temperate regions of the globe. Over eleven million people rely on Lake Erie, which has been adversely impacted by anthropogenic stressors resulting in deficient DO concentrations near the bottom of Lake Erie’s Central Basin for extended periods. In the past, hybrid long short-term memory (LSTM) models have been successfully used for the time-series forecasting of water quality in rivers and ponds. However, the prediction errors tend to grow significantly with the forecasting period. Therefore, this research aimed to improve the accuracy of DO forecasting models by taking advantage of Lake Erie’s real-time water quality (water temperature and DO concentration) monitoring network to establish temporal and spatial links between adjacent monitoring stations. We developed hybrid LSTM models that combine LSTM, convolutional neuron network LSTM (CNN-LSTM), hybrid CNN with gated recurrent unit (CNN-GRU) models, and convolutional LSTM (ConvLSTM) to forecast near-bottom DO concentrations in Lake Erie’s Central Basin. These hybrid LSTM models improve their capacity to handle complicated datasets with spatial and temporal variability. These models can serve as accurate and reliable tools for forecasting DO concentrations in freshwater lakes to help environmental protection agencies better access and manage the health of these vital ecosystems. Following analysis of a 21-site Lake Erie dataset for 2020 and 2021, the ConvLSTM model emerged as the most accurate and reliable, boasting an MSE of 0.51 mg/L, MAE of 0.42 mg/L, and an R-squared of 0.95 over the 12 h prediction range. The model foresees future hypoxia in Lake Erie. Notably, the temperature near site 713 holds significance for Central Basin DO forecasting in Lake Erie, as indicated by outcomes derived from the Shapley additive explanations (SHAP).

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni 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.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,000
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,000
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,924
Score d'incertitude au seuil0,152

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,001
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0000,000
Science ouverte0,0010,000
Intégrité de la recherche0,0010,000
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0000,000

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.

Tête enseignante Opus0,046
Tête enseignante GPT0,259
Écart entre enseignants0,213 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_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 découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations16
Publié2024
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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