Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration

RESUMEN Los peces nativos son indicadores de la salud de los ecosistemas acuáticos, y se han convertido en un elemento de calidad clave para evaluar el estado ecológico de los ríos. La comprensión de los factores que afectan a las especies nativas de peces es importante para la gestión y conservación de los ecosistemas acuáticos. El objetivo general de esta tesis es analizar las relaciones entre variables biológicas y de hábitat (incluyendo la conectividad) a través de una variedad de escalas espaciales en los ríos Mediterráneos, con el desarrollo de herramientas de modelación para apoyar la toma de decisiones en la restauración de ríos. Esta tesis se compone de cuatro artículos. El primero tiene como objetivos modelar la relación entre un conjunto de variables ambientales y la riqueza de especies nativas (NFSR), y evaluar la eficacia de potenciales acciones de restauración para mejorar la NFSR en la cuenca del río Júcar. Para ello se aplicó un enfoque de modelación de red neuronal artificial (ANN), utilizando en la fase de entrenamiento el algoritmo Levenberg-Marquardt. Se aplicó el método de las derivadas parciales para determinar la importancia relativa de las variables ambientales. Según los resultados, el modelo de ANN combina variables que describen la calidad de ribera, la calidad del agua y el hábitat físico, y ayudó a identificar los principales factores que condicionan el patrón de distribución de la NFSR en los ríos Mediterráneos. En la segunda parte del estudio, el modelo fue utilizado para evaluar la eficacia de dos acciones de restauración en el río Júcar: la eliminación de dos azudes abandonados, con el consiguiente incremento de la proporción de corrientes. Estas simulaciones indican que la riqueza aumenta con el incremento de la longitud libre de barreras artificiales y la proporción del mesohabitat de corriente, y demostró la utilidad de las ANN como una poderosa herramienta para apoyar la toma de decisiones en el manejo y restauración ecológica de los ríos Mediterráneos. El segundo artículo tiene como objetivo determinar la importancia relativa de los dos principales factores que controlan la reducción de la riqueza de peces (NFSR), es decir, las interacciones entre las especies acuáticas, variables del hábitat (incluyendo la conectividad fluvial) y biológicas (incluidas las especies invasoras) en los ríos Júcar, Cabriel y Turia. Con este fin, tres modelos de ANN fueron analizados: el primero fue construido solamente con variables biológicas, el segundo se construyó únicamente con variables de hábitat y el tercero con la combinación de estos dos grupos de variables. Los resultados muestran que las variables de hábitat son los ¿drivers¿ más importantes para la distribución de NFSR, y demuestran la importancia ecológica de los modelos desarrollados. Los resultados de este estudio destacan la necesidad de proponer medidas de mitigación relacionadas con la mejora del hábitat (incluyendo la variabilidad de caudales en el río) como medida para conservar y restaurar los ríos Mediterráneos. El tercer artículo busca comparar la fiabilidad y relevancia ecológica de dos modelos predictivos de NFSR, basados en redes neuronales artificiales (ANN) y random forests (RF). La relevancia de las variables seleccionadas por cada modelo se evaluó a partir del conocimiento ecológico y apoyado por otras investigaciones. Los dos modelos fueron desarrollados utilizando validación cruzada k-fold y su desempeño fue evaluado a través de tres índices: el coeficiente de determinación (R2 ), el error cuadrático medio (MSE) y el coeficiente de determinación ajustado (R2 adj). Según los resultados, RF obtuvo el mejor desempeño en entrenamiento. Pero, el procedimiento de validación cruzada reveló que ambas técnicas generaron resultados similares (R2 = 68% para RF y R2 = 66% para ANN). La comparación de diferentes métodos de machine learning es muy útil para el análisis crítico de los resultados obtenidos a través de los modelos. El cuarto artículo tiene como objetivo evaluar la capacidad de las ANN para identificar los factores que afectan a la densidad y la presencia/ausencia de Luciobarbus guiraonis en la demarcación hidrográfica del Júcar. Se utilizó una red neuronal artificial multicapa de tipo feedforward (ANN) para representar relaciones no lineales entre descriptores de L. guiraonis con variables biológicas y de hábitat. El poder predictivo de los modelos se evaluó con base en el índice Kappa (k), la proporción de casos correctamente clasificados (CCI) y el área bajo la curva (AUC) característica operativa del receptor (ROC). La presencia/ausencia de L. guiraonis fue bien predicha por el modelo ANN (CCI = 87%, AUC = 0.85 y k = 0.66). La predicción de la densidad fue moderada (CCI = 62%, AUC = 0.71 y k = 0.43). Las variables más importantes que describen la presencia/ausencia fueron: radiación solar, área de drenaje y la proporción de especies exóticas de peces con un peso relativo del 27.8%, 24.53% y 13.60% respectivamente. En el modelo de densidad, las variables más importantes fueron el coeficiente de variación de los caudales medios anuales con una importancia relativa del 50.5% y la proporción de especies exóticas de peces con el 24.4%. Los modelos proporcionan información importante acerca de la relación de L. guiraonis con variables bióticas y de hábitat, este nuevo conocimiento podría utilizarse para apoyar futuros estudios y para contribuir en la toma de decisiones para la conservación y manejo de especies en los en los ríos Júcar, Cabriel y Turia.Olaya Marín, EJ. (2013). Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/28853TESI

Data Assimilation by Artificial Neural Networks for an Atmospheric General Circulation Model: Conventional Observation

This paper presents an approach for employing artificial neural networks (NN) to emulate an ensemble Kalman filter (EnKF) as a method of data assimilation. The assimilation methods are tested in the Simplified Parameterizations PrimitivE-Equation Dynamics (SPEEDY) model, an atmospheric general circulation model (AGCM), using synthetic observational data simulating localization of balloon soundings. For the data assimilation scheme, the supervised NN, the multilayer perceptrons (MLP-NN), is applied. The MLP-NN are able to emulate the analysis from the local ensemble transform Kalman filter (LETKF). After the training process, the method using the MLP-NN is seen as a function of data assimilation. The NN were trained with data from first three months of 1982, 1983, and 1984. A hind-casting experiment for the 1985 data assimilation cycle using MLP-NN were performed with synthetic observations for January 1985. The numerical results demonstrate the effectiveness of the NN technique for atmospheric data assimilation. The results of the NN analyses are very close to the results from the LETKF analyses, the differences of the monthly average of absolute temperature analyses is of order 0.02. The simulations show that the major advantage of using the MLP-NN is better computational performance, since the analyses have similar quality. The CPU-time cycle assimilation with MLP-NN is 90 times faster than cycle assimilation with LETKF for the numerical experiment.Comment: 17 pages, 16 figures, monthly weather revie

Stacking-Based Deep Neural Network: Deep Analytic Network for Pattern Classification

Stacking-based deep neural network (S-DNN) is aggregated with pluralities of basic learning modules, one after another, to synthesize a deep neural network (DNN) alternative for pattern classification. Contrary to the DNNs trained end to end by backpropagation (BP), each S-DNN layer, i.e., a self-learnable module, is to be trained decisively and independently without BP intervention. In this paper, a ridge regression-based S-DNN, dubbed deep analytic network (DAN), along with its kernelization (K-DAN), are devised for multilayer feature re-learning from the pre-extracted baseline features and the structured features. Our theoretical formulation demonstrates that DAN/K-DAN re-learn by perturbing the intra/inter-class variations, apart from diminishing the prediction errors. We scrutinize the DAN/K-DAN performance for pattern classification on datasets of varying domains - faces, handwritten digits, generic objects, to name a few. Unlike the typical BP-optimized DNNs to be trained from gigantic datasets by GPU, we disclose that DAN/K-DAN are trainable using only CPU even for small-scale training sets. Our experimental results disclose that DAN/K-DAN outperform the present S-DNNs and also the BP-trained DNNs, including multiplayer perceptron, deep belief network, etc., without data augmentation applied.Comment: 14 pages, 7 figures, 11 table

Transfer Meets Hybrid: A Synthetic Approach for Cross-Domain Collaborative Filtering with Text

Collaborative filtering (CF) is the key technique for recommender systems (RSs). CF exploits user-item behavior interactions (e.g., clicks) only and hence suffers from the data sparsity issue. One research thread is to integrate auxiliary information such as product reviews and news titles, leading to hybrid filtering methods. Another thread is to transfer knowledge from other source domains such as improving the movie recommendation with the knowledge from the book domain, leading to transfer learning methods. In real-world life, no single service can satisfy a user's all information needs. Thus it motivates us to exploit both auxiliary and source information for RSs in this paper. We propose a novel neural model to smoothly enable Transfer Meeting Hybrid (TMH) methods for cross-domain recommendation with unstructured text in an end-to-end manner. TMH attentively extracts useful content from unstructured text via a memory module and selectively transfers knowledge from a source domain via a transfer network. On two real-world datasets, TMH shows better performance in terms of three ranking metrics by comparing with various baselines. We conduct thorough analyses to understand how the text content and transferred knowledge help the proposed model.Comment: 11 pages, 7 figures, a full version for the WWW 2019 short pape