Deep Learning for Simulating Harmful Algal Blooms Using Ocean Numerical Model

水华 布鲁姆 卷积神经网络 回归 赤潮 计算机科学 人工智能 海洋学 深度学习 机器学习 生态学 统计 生物 数学 地质学 浮游植物 营养物
作者
Sang‐Soo Baek,JongCheol Pyo,Yong Sung Kwon,Seong-Jun Chun,Seung Ho Baek,Chi‐Yong Ahn,Hee‐Mock Oh,Young Ok Kim,Kyung Hwa Cho
出处
期刊:Frontiers in Marine Science [Frontiers Media]
卷期号:8 被引量:23
标识
DOI:10.3389/fmars.2021.729954
摘要

In several countries, the public health and fishery industries have suffered from harmful algal blooms (HABs) that have escalated to become a global issue. Though computational modeling offers an effective means to understand and mitigate the adverse effects of HABs, it is challenging to design models that adequately reflect the complexity of HAB dynamics. This paper presents a method involving the application of deep learning to an ocean model for simulating blooms of Alexandrium catenella . The classification and regression convolutional neural network (CNN) models are used for simulating the blooms. The classification CNN determines the bloom initiation while the regression CNN estimates the bloom density. GoogleNet and Resnet 101 are identified as the best structures for the classification and regression CNNs, respectively. The corresponding accuracy and root means square error values are determined as 96.8% and 1.20 [log(cells L –1 )], respectively. The results obtained in this study reveal the simulated distribution to follow the Alexandrium catenella bloom. Moreover, Grad-CAM identifies that the salinity and temperature contributed to the initiation of the bloom whereas NH 4 -N influenced the growth of the bloom.

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