Estimation of Reference Evapotranspiration using Climatic Data.

M.S. Thesis. University of Hawaiʻi at Mānoa 2017

Application of soft computing models with input vectors of snow cover area in addition to hydro-climatic data to predict the sediment loads

The accurate estimate of sediment load is important for management of the river ecosystem, designing of water infrastructures, and planning of reservoir operations. The direct measurement of sediment is the most credible method to estimate the sediments. However, this requires a lot of time and resources. Because of these two constraints, most often, it is not possible to continuously measure the daily sediments for most of the gauging sites. Nowadays, data-based sediment prediction models are famous for bridging the data gaps in the estimation of sediment loads. In data-driven sediment predictions models, the selection of input vectors is critical in determining the best structure of models for the accurate estimation of sediment yields. In this study, time series inputs of snow cover area, basin effective rainfall, mean basin average temperature, and mean basin evapotranspiration in addition to the flows were assessed for the prediction of sediment loads. The input vectors were assessed with artificial neural network (ANN), adaptive neuro-fuzzy logic inference system with grid partition (ANFIS-GP), adaptive neuro-fuzzy logic inference system with subtractive clustering (ANFIS-SC), adaptive neuro-fuzzy logic inference system with fuzzy c-means clustering (ANFIS-FCM), multiple adaptive regression splines (MARS), and sediment rating curve (SRC) models for the Gilgit River, the tributary of the Indus River in Pakistan. The comparison of different input vectors showed improvements in the prediction of sediments by using the snow cover area in addition to flows, effective rainfall, temperature, and evapotranspiration. Overall, the ANN model performed better than all other models. However, as regards sediment load peak time series, the sediment loads predicted using the ANN, ANFIS-FCM, and MARS models were found to be closer to the measured sediment loads. The ANFIS-FCM performed better in the estimation of peak sediment yields with a relative accuracy of 81.31% in comparison to the ANN and MARS models with 80.17% and 80.16% of relative accuracies, respectively. The developed multiple linear regression equation of all models show an R$^{2}$ value of 0.85 and 0.74 during the training and testing period, respectively

Modeling of Reference Crop Evapotranspiration in Wet and Dry Climates Using Data-Mining Methods and Empirical Equations

In the present study, performance of data-mining methods in modeling and estimating reference crop evapotranspiration (ETo) is investigated. To this end, different machine learning, including Artificial Neural Network (ANN), M5 tree, Multivariate Adaptive Regression Splines (MARS), Least Square Support Vector Machine (LS-SVM), and Random Forest (RF) are employed by considering different criteria including impacts of climate (eight synoptic stations in humid and dry climates), accuracy, uncertainty and computation time. Furthermore, to show the application of data-mining methods, their results are compared with some empirical equations, that indicated the superiority of data- mining methods. In the humid climate, it was demonstrated that M5 tree model is the best if only accuracy criterion is considered, and MARS is a better data-mining method by considering accuracy, uncertainty, and computation time criteria. While in the dry climate, the ANN has better results by considering accuracy and all other criteria. In the final step, for a comprehensive investigation of data-mining ability in ETo modeling, all data in humid and dry climates are combined. Results showed the highest accuracy by MARS and ANN models

Machine Learning with Metaheuristic Algorithms for Sustainable Water Resources Management

The main aim of this book is to present various implementations of ML methods and metaheuristic algorithms to improve modelling and prediction hydrological and water resources phenomena having vital importance in water resource management

Agrometeorological forecasting

Agrometeorological forecasting covers all aspects of forecasting in agrometeorology. Therefore, the scope of agrometeorological forecasting very largely coincides with the scope of agrometeorology itself. All on-farm and regional agrometeorological planning implies some form of impact forecasting, at least implicitly, so that decision-support tools and forecasting tools largely overlap. In the current chapter, the focus is on crops, but attention is also be paid to sectors that are often neglected by the agrometeorologist, such as those occurring in plant and animal protection. In addition, the borders between meteorological forecasts for agriculture and agrometeorological forecasts are not always clear. Examples include the use of weather forecasts for farm operations such as spraying pesticides or deciding on trafficability in relation to adverse weather. Many forecast issues by various national institutions (weather, but also commodity prices or flood warnings) are vital to the farming community, but they do not constitute agrometeorological forecasts. (Modified From the introduction of the chapter: Scope of agrometeorological forecasting)JRC.H.4-Monitoring Agricultural Resource

Prediction of potential evapotranspiration using temperature-based heuristic approaches

The potential or reference evapotranspiration (ET0) is considered as one of the fundamental variables for irrigation management, agricultural planning, and modeling different hydrological pr?Cesses, and therefore, its accurate prediction is highly essential. The study validates the feasibility of new temperature based heuristic models (i.e., group method of data handling neural network (GMDHNN), multivariate adaptive regression spline (MARS), and M5 model tree (M5Tree)) for estimating monthly ET0. The outcomes of the newly developed models are compared with empirical formulations including Hargreaves-Samani (HS), calibrated HS, and Stephens-Stewart (SS) models based on mean absolute error (MAE), root mean square error (RMSE), and Nash-Sutcliffe efficiency. Monthly maximum and minimum temperatures (Tmax and Tmin) observed at two stations in Turkey are utilized as inputs for model development. In the applications, three data division scenarios are utilized and the effect of periodicity component (PC) on models’ accuracies are also examined. By importing PC into the model inputs, the RMSE accuracy of GMDHNN, MARS, and M5Tree models increased by 1.4%, 8%, and 6% in one station, respectively. The GMDHNN model with periodic input provides a superior performance to the other alternatives in both stations. The recommended model reduced the average error of MARS, M5Tree, HS, CHS, and SS models with respect to RMSE by 3.7–6.4%, 10.7–3.9%, 76–75%, 10–35%, and 0.8–17% in estimating monthly ET0, respectively. The HS model provides the worst accuracy while the calibrated version significantly improves its accuracy. The GMDHNN, MARS, M5Tree, SS, and CHS models are also compared in estimating monthly mean ET0. The GMDHNN generally gave the best accuracy while the CHS provides considerably over/under-estimations. The study indicated that the only one data splitting scenario may mislead the modeler and for better validation of the heuristic methods, more data splitting scenarios should be applied

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

Hybrid neural network based models for evapotranspiration prediction over limited weather parameters

Evapotranspiration can be used to estimate the amount of water required by agriculture projects and green spaces, playing a key role in water management policies that combat the hydrological drought, which assumes a structural character in many countries. In this context, this work presents a study on reference evapotranspiration (ETo) estimation models, having as input a limited set of meteorological parameters, namely: temperature, humidity, and wind. Since solar radiation (SR) is an important parameter in the determination of ETo, SR estimation models are also developed. These ETo and SR estimation models compare the use of Artificial Neural Networks (ANN), Long Short Term Memory (LSTM), Gated Recurrent Unit (GRU), Recurrent Neural Network (RNN), and hybrid neural network models such as LSTM-ANN, RNN-ANN, and GRU-ANN. Two main approaches were taken for ET(o )estimation: (i) directly use those algorithms to estimate ETo, and (ii) estimate solar radiation first and then use that estimation together with other meteorological parameters in a method that predicts ETo. For the latter case, two variants were implemented: the use of the estimated solar radiation as (ii.1) a feature of the neural network regressors, and (ii.2) the use of the Penman-Monteith method (a.k.a. FAO-56PM method, adopted by the United Nations Food and Agriculture Organization) to compute ETo, which has solar radiation as one of the input parameters. Using experimental data collected from a weather station (WS) located in Vale do Lobo (Portugal), the later approach achieved the best result with a coefficient of determination (R-2) of 0.977. The developed model was then applied to data from eleven stations located in Colorado (USA), with very distinct climatic conditions, showing similar results to the ones for which the models were initially designed ((R2) > 0.95), proving a good generalization. As a final notice, the reduced-set features were carefully selected so that they are compatible with free online weather forecast services.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Using Low Resolution Satellite Imagery for Yield Prediction and Yield Anomaly Detection

Low resolution satellite imagery has been extensively used for crop monitoring and yield forecasting for over 30 years and plays an important role in a growing number of operational systems. The combination of their high temporal frequency with their extended geographical coverage generally associated with low costs per area unit makes these images a convenient choice at both national and regional scales. Several qualitative and quantitative approaches can be clearly distinguished, going from the use of low resolution satellite imagery as the main predictor of final crop yield to complex crop growth models where remote sensing-derived indicators play different roles, depending on the nature of the model and on the availability of data measured on the ground. Vegetation performance anomaly detection with low resolution images continues to be a fundamental component of early warning and drought monitoring systems at the regional scale. For applications at more detailed scales, the limitations created by the mixed nature of low resolution pixels are being progressively reduced by the higher resolution offered by new sensors, while the continuity of existing systems remains crucial for ensuring the availability of long time series as needed by the majority of the yield prediction methods used today.JRC.H.4-Monitoring Agricultural Resource