Multi‐Model Machine Learning Approach Accurately Predicts Lake Dissolved Oxygen With Multiple Environmental Inputs
Notice bibliographique
Résumé
Abstract As a key water quality parameter, dissolved oxygen (DO) concentration, and particularly changes in bottom water DO is fundamental for understanding the biogeochemical processes in lake ecosystems. Based on two machine learning (ML) models, Gradient Boost Regressor (GBR) and long‐short‐term‐memory (LSTM) network, this study developed three ML model approaches: direct GBR; direct LSTM; and a 2‐step mixed ML model workflow combining both GBR and LSTM. They were used to simulate multi‐year surface and bottom DO concentrations in five lakes. All approaches were trained with readily available environmental data as predictors. Indices of lake thermal structure and mixing provided by a one‐dimensional (1‐D) hydrodynamic model were also included as predictors in the ML models. The advantages of each ML approach were not consistent for all the tested lakes, but the best one of them was defined that can estimate DO concentration with coefficient of determination (R2) up to 0.6–0.7 in each lake. All three approaches have normalized mean absolute error (NMAE) under 0.15. In a polymictic lake, the 2‐step mixed model workflow showed better representation of bottom DO concentrations, with a highest true positive rate (TPR) of hypolimnetic hypoxia detection of over 90%, while the other workflows resulted in, TPRs are around 50%. In most of the tested lakes, the predicted surface DO concentrations and variables indicating stratified conditions (i.e., Wedderburn number and the temperature difference between surface and bottom water) are essential for simulating bottom DO. The ML approaches showed promising results and could be used to support short‐ and long‐term water management plans.
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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 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 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 ».