Role of Machine Learning, Deep Learning and WSN in Disaster Management: A Review and Proposed Architecture

Disasters are occurrences that have the potential to adversely affect a community via casualties, ecological damage, or monetary losses. Due to its distinctive geoclimatic characteristics, India has always been susceptible to natural calamities. Disaster Management is the management of disaster prevention, readiness, response, and recovery tasks in a systematic manner. This paper reviews various types of disasters and their management approaches implemented by researchers using Wireless Sensor Networks (WSNs) and machine learning techniques. It also compares and contrasts various prediction algorithms and uses the optimal algorithm on multiple flood prediction datasets. After understanding the drawbacks of existing datasets, authors have developed a new dataset for Mumbai, Maharashtra consisting of various attributes for flood prediction. The performance of the optimal algorithm on the dataset is seen by the training, validation and testing accuracy of 100%, 98.57% and 77.59% respectively

Seasonal rainfall prediction in Juba County, South Sudan using the feedforward neural networks

Historical rainfall data from 1997-2016 of Juba County, South Sudan were used in a Feed-Forward Neural Network (FFNN) model to make future predictions. Annual rainfall data were aggregated into three seasons MAMJ, JAS and OND and later trained for best forecasts for the period 2017-2034 using the Alyuda Forecaster XL software. Best training of the time series was attained, once the minimum error of the weight expressed as MSE or AE between the measured variable and predicted was achieved during gradient descent.  The results showed that for MAMJ and JAS months, the number forecasts were over 85% whereas this was between 60-80% for OND months. The Seasonal Kendal (SK) test on future rainfall forecasts as well as the Theil-Sen slope showed negative monotonic trends in the mean values till the end of 2034 of all three seasons with MAMJ, JAS at OND at 100, 150 and 80 mm respectively.  Rainfall forecast showed that the MAMJ months for the years 2019 to 2027 will be moderately wet except in April 2021 which will experience some severe wetness (due to intensive rainfall). Interdecadal severe drought with less than 60, 100 and 10 mm for MAMJ, JAS and OND respectively, is expected between 2028 to 2033 after almost two decades. The declining onset of MAMJ rains is expected to significantly affect the timing for land preparation and crop planting.&nbsp

Optimization of state-of-the-art fuzzy-metaheuristic ANFIS-based machine learning models for flood susceptibility prediction mapping in the Middle Ganga Plain, India

CRediT authorship contribution statement: Dr. Aman Arora and Dr. Alireza Arabameri have conceptualized the study, prepared the dataset, and optimized the models. Dr. Manish Pandey has helped in writing the manuscript. Prof. Masood A. Siddiqui, Prof. U.K. Shukla, Prof. Dieu Tien Bui, Dr. Varun Narayan Mishra, and Dr. Anshuman Bhardwaj have helped in improving the manuscript at different stages of this work.Peer reviewedPostprin

Multivariate forecast of winter monsoon rainfall in India using SST anomaly as a predictor: Neurocomputing and statistical approaches

In this paper, the complexities in the relationship between rainfall and sea surface temperature (SST) anomalies during the winter monsoon (November-January) over India were evaluated statistically using scatter plot matrices and autocorrelation functions.Linear as well as polynomial trend equations were obtained and it was observed that the coefficient of determination for the linear trend was very low and it remained low even when polynomial trend of degree six was used. An exponential regression equation and an artificial neural network with extensive variable selection were generated to forecast the average winter monsoon rainfall of a given year using the rainfall amounts and the sea surface temperature anomalies in the winter monsoon months of the previous year as predictors. The regression coefficients for the multiple exponential regression equation were generated using Levenberg-Marquardt algorithm. The artificial neural network was generated in the form of a multiplayer perceptron with sigmoid non-linearity and genetic-algorithm based variable selection. Both of the predictive models were judged statistically using the Willmott index, percentage error of prediction, and prediction yields. The statistical assessment revealed the potential of artificial neural network over exponential regression.Comment: 18 page

Probabilistic and artificial intelligence modelling of drought and agricultural crop yield in Pakistan

Pakistan is a drought-prone, agricultural nation with hydro-meteorological imbalances that increase the scarcity of water resources, thus, constraining water availability and leading major risks to the agricultural productivity sector and food security. Rainfall and drought are imperative matters of consideration, both for hydrological and agricultural applications. The aim of this doctoral thesis is to advance new knowledge in designing hybridized probabilistic and artificial intelligence forecasts models for rainfall, drought and crop yield within the agricultural hubs in Pakistan. The choice of these study regions is a strategic decision, to focus on precision agriculture given the importance of rainfall and drought events on agricultural crops in socioeconomic activities of Pakistan. The outcomes of this PhD contribute to efficient modelling of seasonal rainfall, drought and crop yield to assist farmers and other stakeholders to promote more strategic decisions for better management of climate risk for agriculturalreliant nations

Assessment of climate change and development of data based prediction models of sediment yields in Upper Indus Basin

Hohe Raten von Sedimentflüssen und ihre Schätzungen in Flusseinzugsgebieten erfordern die Auswahl effizienter Quantifizierungsansätze mit einem besseren Verständnis der dominierten Faktoren, die den Erosionsprozess auf zeitlicher und räumlicher Ebene steuern. Die vorherige Bewertung von Einflussfaktoren wie Abflussvariation, Klima, Landschaft und Fließprozess ist hilfreich, um den geeigneten Modellierungsansatz zur Quantifizierung der Sedimenterträge zu entwickeln. Einer der schwächsten Aspekte bei der Quantifizierung der Sedimentfracht ist die Verwendung traditioneller Beziehung zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Bodensatzlöschung (SRC), bei denen die hydrometeorologischen Schwankungen, Abflusserzeugungsprozesse wie Schneedecke, Schneeschmelzen, Eisschmelzen usw. nicht berücksichtigt werden können. In vielen Fällen führt die empirische Q-SSC Beziehung daher zu ungenauen Prognosen. Heute können datenbasierte Modelle mit künstlicher Intelligenz die Sedimentfracht präziser abschätzen. Die datenbasierten Modelle lernen aus den eingespeisten Datensätzen, indem sie bei komplexen Phänomenen wie dem Sedimenttransport die geeignete funktionale Beziehung zwischen dem Output und seinen Input-Variablen herstellen. In diesem Zusammenhang wurden die datenbasierten Modellierungsalgorithmen in der vorliegenden Forschungsarbeit am Lehrstuhl für Wasser- und Flussgebietsmanagement des Karlsruher Instituts für Technologie in Karlsruhe entwickelt, die zur Vorhersage von Sedimenten in oberen unteren Einzugsgebieten des oberen Indusbeckens von Pakistan (UIB) verwendet wurden. Die dieser Arbeit zugrunde liegende Methodik gliedert sich in vier Bearbeitungsschritte: (1) Vergleichende Bewertung der räumlichen Variabilität und der Trends von Abflüssen und Sedimentfrachten unter dem Einfluss des Klimawandels im oberen Indus-Becken (2) Anwendung von Soft-Computing-Modellen mit Eingabevektoren der schneedeckten Fläche zusätzlich zu hydro-klimatischen Daten zur Vorhersage der Sedimentfracht (3) Vorhersage der Sedimentfracht unter Verwendung der NDVI-Datensätze (Hydroclimate and Normalized Difference Vegetation Index) mit Soft-Computing-Modellen (4) Klimasignalisierung bei suspendierten Sedimentausträge aus Gletscher und Schnee dominierten Teileinzugsgebeiten im oberen Indus-Becken (UIB). Diese im UIB durchgeführte Analyse hat es ermöglicht, die dominiertenden Parameter wie Schneedecke und hydrologischen Prozesses besser zu und in eine verbesserte Prognose der Sedimentfrachten einfließen zu lassen. Die Analyse der Bewertung des Klimawandels von Flüssen und Sedimenten in schnee- und gletscherdominierten UIB von 13 Messstationen zeigt, dass sich die jährlichen Flüsse und suspendierten Sedimente am Hauptindus in Besham Qila stromaufwärts des Tarbela-Reservoirs im ausgeglichenen Zustand befinden. Jedoch, die jährlichen Konzentrationen suspendierter Sedimente (SSC) wurden signifikant gesenkt und lagen zwischen 18,56% und 28,20% pro Jahrzehnt in Gilgit an der Alam Bridge (von Schnee und Gletschern dominiertes Becken), Indus in Kachura und Brandu in Daggar (von weniger Niederschlag dominiertes Becken). Während der Sommerperiode war der SSC signifikant reduziert und lag zwischen 18,63% und 27,79% pro Jahrzehnt, zusammen mit den Flüssen in den Regionen Hindukush und West-Karakorum aufgrund von Anomalien des Klimawandels und im unteren Unterbecken mit Regen aufgrund der Niederschlagsreduzierung. Die SSC während der Wintersaison waren jedoch aufgrund der signifikanten Erwärmung der durchschnittlichen Lufttemperatur signifikant erhöht und lagen zwischen 20,08% und 40,72% pro Jahrzehnt. Die datenbasierte Modellierung im schnee und gletscherdominierten Gilgit Teilbecken unter Verwendung eines künstlichen neuronalen Netzwerks (ANN), eines adaptiven Neuro-Fuzzy-Logik-Inferenzsystems mit Gitterpartition (ANFIS-GP) und eines adaptiven Neuro-Fuzzy-Logik-Inferenzsystems mit subtraktivem Clustering (ANFIS) -SC), ein adaptives Neuro-Fuzzy-Logik- Inferenzsystem mit Fuzzy-C-Mittel-Clustering, multiplen adaptiven Regressionssplines (MARS) und Sedimentbewertungskurven (SRC) durchgeführt. Die Ergebnisse von Algorithmen für maschinelles Lernen zeigen, dass die Eingabekombination aus täglichen Abflüssen (Qt), Schneedeckenfläche (SCAt), Temperatur (Tt-1) und Evapotranspiration (Evapt-1) die Leistung der Sedimentvorhersagemodelle verbesserne. Nach dem Vergleich der Gesamtleistung der Modelle schnitt das ANN-Modell besser ab als die übrigen Modelle. Bei der Vorhersage der Sedimentfrachten in Spitzenzeiten lag die Vorhersage der ANN-, ANIS-FCM- und MARS-Modelle näher an den gemessenen Sedimentbelastungen. Das ANIS-FCM-Modell mit einem absoluten Gesamtfehler von 81,31% schnitt bei der Vorhersage der Spitzensedimente besser ab als ANN und MARS mit einem absoluten Gesamtfehler von 80,17% bzw. 80,16%. Die datenbasierte Modellierung der Sedimentfrachten im von Regen dominierten Brandu-Teilbecken wurde unter Verwendung von Datensätzen für Hydroklima und biophysikalische Eingaben durchgeführt, die aus Strömungen, Niederschlag, mittlerer Lufttemperatur und normalisiertem Differenzvegetationsindex (NDVI) bestehen. Die Ergebnisse von vier ANNs (Artificial Neural Networks) und drei ANFIS-Algorithmen (Adaptive Neuro-Fuzzy Logic Inference System) für das Brandu Teilnbecken haben gezeigt, dass der mittels Fernerkundung bestimmte NDVI als biophysikalische Parameter zusätzlich zu den Hydroklima-Parametern die Leistung das Modell nicht verbessert. Der ANFIS-GP schnitt in der Testphase besser ab als andere Modelle mit einer Eingangskombination aus Durchfluss und Niederschlag. ANN, eingebettet in Levenberg-Marquardt (ANN-LM) für den Zeitraum 1981-2010, schnitt jedoch am besten mit Eingabekombinationen aus Strömungen, Niederschlag und mittleren Lufttemperaturen ab. Die Ergebnisgenauigkeit R2 unter Verwendung des ANN-LM-Algorithmus verbesserte sich im Vergleich zur Sedimentbewertungskurve (SRC) um bis zu 28%. Es wurde gezeigt, dass für den unteren Teil der UIB-Flüsse Niederschlag und mittlere Lufttemperatur dominierende Faktoren für die Vorhersage von Sedimenterträgen sind und biophysikalische Parameter (NDVI) eine untergeordnete Rolle spielen. Die Modellierung zur Bewertung der Änderungen des SSC in schnee- und gletschergespeiste Gilgit- und Astore-Teilbecken wurde unter Verwendung des Temp-Index degree day modell durchgeführt. Die Ergebnisse des Mann-Kendall-Trendtests in den Flüssen Gilgit und Astore zeigten, dass der Anstieg des SSC während der Wintersaison auf die Erwärmung der mittleren Lufttemperatur, die Zunahme der Winterniederschläge und die Zunahme der Schneeschmelzen im Winter zurückzuführen ist. Während der Frühjahrssaison haben die Niederschlags- und Schneedeckenanteile im Gilgit-Unterbecken zugenommen, im Gegensatz zu seiner Verringerung im Astore-Unterbecken. Im Gilgit-Unterbecken war der SSC im Sommer aufgrund des kombinierten Effekts der Karakorum-Klimaanomalie und der vergrößerten Schneedecke signifikant reduziert. Die Reduzierung des Sommer-SSC im Gilgit Fluss ist auf die Abkühlung der Sommertemperatur und die Bedeckung der exponierten proglazialen Landschaft zurückzuführen, die auf erhöhten Schnee, verringerte Trümmerflüsse Trümmerflüsse und verringerte Schneeschmelzen von Trümmergletschern zurückzuführen sind. Im Gegensatz zum Gilgit River sind die SSC im Astore River im Sommer erhöht. Der Anstieg des SSC im Astore-Unterbecken ist auf die Verringerung des Frühlingsniederschlags und der Schneedecke, die Erwärmung der mittleren Sommerlufttemperatur und den Anstieg des effektiven Niederschlags zurückzuführen. Die Ergebnisse zeigen ferner eine Verschiebung der Dominanz von Gletscherschmelzen zu Schneeschmelzen im Gilgit-Unterbecken und von Schnee zu Niederschlägen im Astore-Unterbecken bei Sedimenteden Sedimentfrachten in UIB. Die vorliegende Forschungsarbeit zur Bewertung der klimabedingten Veränderungen des SSC und seiner Vorhersage sowohl in den oberen als auch in den unteren Teilbecken des UIB wird nützlich sein, um den Sedimenttransportprozess besser zu verstehen und aufbauen auf dem verbessertenProzessverständnis ein angepasstes Sedimentmanagement und angepasste Planungen der zukünftigen Wasserinfrastrukturen im UIB ableiten zu können

Modern Climatology - Full Text

Climatology, the study of climate, is no longer regarded as a single discipline that treats climate as something that fluctuates only within the unchanging boundaries described by historical statistics. The field has recognized that climate is something that changes continually under the influence of physical and biological forces and so, cannot be understood in isolation but rather, is one that includes diverse scientific disciplines that play their role in understanding a highly complex coupled “whole system” that is the Earth’s climate. The modern era of climatology is echoed in this book. On the one hand it offers a broad synoptic perspective but also considers the regional standpoint as it is this that affects what people need from climatology, albeit water resource managers or engineers etc. Aspects on the topic of climate change – what is often considered a contradiction in terms – is also addressed. It is all too evident these days that what recent work in climatology has revealed carries profound implications for economic and social policy; it is with these in mind that the final chapters consider acumens as to the application of what has been learned to date. This book is divided into four sections that cover sub-disciplines in climatology. The first section contains four chapters that pertain to synoptic climatology, i.e., the study of weather disturbances including hurricanes, monsoon depressions, synoptic waves, and severe thunderstorms; these weather systems directly impact humanity. The second section on regional climatology has four chapters that describe the climate features within physiographically defined areas. The third section is on climate change which involves both past (paleoclimate) and future climate: The first two chapters cover certain facets of paleoclimate while the third is centered towards the signals (observed or otherwise) of climate change. The fourth and final section broaches the sub-discipline that is often referred to as applied climatology; this represents the important goal of all studies in climatology–one that affects modes of living. Here, three chapters are devoted towards the application of climatological research that might have useful application for operational purposes in industrial, manufacturing, agricultural, technological and environmental affairs. Please click here to explore the components of this work.https://digitalcommons.usu.edu/modern_climatology/1014/thumbnail.jp

Advances in Modelling of Rainfall Fields

Rainfall is the main input for all hydrological models, such as rainfall–runoff models and the forecasting of landslides triggered by precipitation, with its comprehension being clearly essential for effective water resource management as well. The need to improve the modeling of rainfall fields constitutes a key aspect both for efficiently realizing early warning systems and for carrying out analyses of future scenarios related to occurrences and magnitudes for all induced phenomena. The aim of this Special Issue was hence to provide a collection of innovative contributions for rainfall modeling, focusing on hydrological scales and a context of climate changes. We believe that the contribution from the latest research outcomes presented in this Special Issue can shed novel insights on the comprehension of the hydrological cycle and all the phenomena that are a direct consequence of rainfall. Moreover, all these proposed papers can clearly constitute a valid base of knowledge for improving specific key aspects of rainfall modeling, mainly concerning climate change and how it induces modifications in properties such as magnitude, frequency, duration, and the spatial extension of different types of rainfall fields. The goal should also consider providing useful tools to practitioners for quantifying important design metrics in transient hydrological contexts (quantiles of assigned frequency, hazard functions, intensity–duration–frequency curves, etc.)