Algal bloom forecasting with time-frequency analysis: A hybrid deep learning approach

水华 布鲁姆 自回归积分移动平均 计算机科学 深度学习 人工神经网络 人工智能 适应性 均方误差 自回归模型 机器学习 时间序列 海洋学 统计 生态学 数学 浮游植物 营养物 生物 地质学
作者
Muyuan Liu,Junyu He,Yuzhou Huang,Tao Tang,Jing Hu,Xi Xiao
出处
期刊:Water Research [Elsevier BV]
卷期号:219: 118591-118591 被引量:80
标识
DOI:10.1016/j.watres.2022.118591
摘要

The rapid emergence of deep learning long-short-term-memory (LSTM) technique presents a promising solution to algal bloom forecasting. However, the discontinuous and non-stationary processes within algal dynamics still largely limit the functions of LSTMs. To overcome this challenge, an advanced time-frequency wavelet analysis (WA) technique was introduced to enhance the prediction accuracy of LSTMs. Herein, the novel hybrid approach (named WLSTM) successfully decreased the algal forecasting inaccuracy of classic LSTMs by 41% ± 8% in Lake Mendota (Wisconsin, USA), with powerful one-step-ahead predictions at hourly, daily, and monthly time resolutions (R2 = 0.976, 0.878, and 0.814, respectively). In addition, the WLSTM outperformed the other two widely used algal forecasting approaches - deep neural network (DNN), and autoregressive-integrated-moving-average (ARIMA) model, represented by average 72% and 85% decrease in root-mean-square-error, respectively. Furthermore, the WLSTM was implemented in an experimentally fertilized lake (Lake Tuesday, Michigan) for a multi-step forecasting examination. It satisfactorily forecasted the algal fluctuations involving substantial peak and extreme values (average R2 > 0.900) and presented accurate judgment outcomes to their bloom levels with high accuracy > 95% on average. This work highlighted the utility of deep learning approaches in effective early-warning for algal blooms, and demonstrated an important direction for improving the adaptability of conventional deep learning approaches to the aquatic problems.
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