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https://dspace.sti.ufcg.edu.br/handle/riufcg/45587| Title: | Modelagem hidrossedimentológica em unidades experimentais no semiárido paraibano utilizando redes neurais. |
| Other Titles: | Hydrosedimentological modeling in experimental units in the semi-arid region of Paraíba using neural networks. |
| ???metadata.dc.creator???: | FERNANDES, Amanda Cristiane Gonçalves. |
| ???metadata.dc.contributor.advisor1???: | ALCÂNTARA, Hugo Morais de. |
| ???metadata.dc.contributor.advisor-co1???: | FARIAS, Camilo Allyson Simões de. |
| ???metadata.dc.contributor.referee1???: | SILVA, Viviane Farias. |
| ???metadata.dc.contributor.referee2???: | MARTINS, Maria de Fátima. |
| ???metadata.dc.contributor.referee3???: | TSUYUGUCHI, Bárbara Barbosa. |
| ???metadata.dc.contributor.referee4???: | SANTOS, Celso Augusto Guimarães. |
| ???metadata.dc.contributor.referee5???: | SANTOS, Francisco Llledo dos. |
| Keywords: | Sedimentos;Escoamento superficial;Regressão Múltipla;Perceptron Multicamadas |
| Issue Date: | 29-Feb-2024 |
| Publisher: | Universidade Federal de Campina Grande |
| Citation: | FERNANDES, Amanda Cristiane Gonçalves. Modelagem hidrossedimentológica em unidades experimentais no semiárido paraibano utilizando redes neurais. 2024. 132 f. TESE (Doutorado em Engenharia e Gestão de Recursos Naturais.) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Gestão de Recursos Naturais, Centro de Tecnologia e Recursos Naturais, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2024. |
| ???metadata.dc.description.resumo???: | gerenciamento dos recursos hídricos em bacias hidrográficas no semiárido brasileiro necessita de monitoramento em diferentes escalas espacial e temporal, nem sempre possíveis de realizar. A inteligência artificial tem se mostrado promissora na modelagem ambiental, principalmente quando são utilizados dados hidrológicos. Objetivou-se com esse trabalho comparar modelos de redes neurais artificiais e de regressão linear simples e múltipla para estimar o escoamento superficial e a produção de sedimentos em unidades experimentais no estado da Paraíba. Foram utilizados dados obtidos de 147 eventos de chuva com consequente escamento, em microbacias e parcelas da Bacia Experimental de São João do Cariri-PB, cuja área variam de 100m² a 16.300m² e declividade de 3,4% a 7,1%, para parametrização dos modelos. As variáveis de entrada foram precipitação, período sem chuva, área, declividade e cobertura vegetal, enquanto as variáveis de saída foram escoamento e produção de sedimentos. As análises realizadas usando correlações, mapas auto- organizados (SOM - Self-Organizing Maps), regressão linear simples (RLS), regressão linear múltipla (RLM), e Rede Neural do tipo Perceptron Multicamadas (MLP - Multilayer Perceptron), permitiram comparar o desempenho dos modelos por meio dos valores do erro quadrático médio (RMSE) e do coeficiente de correlação (R²). Para a RLM o (RMSE) foi 453,39 e (R²) 0,63 para a produção de sedimentos e 3,79 e 0,67 para o escoamento, respectivamente. Para a rede MLP o (RSME) variou de 301,32 a 274,55 para a produção de sedimentos e de 2,58 a 2,45 para o escoamento. O (R²) variou de 0,84 a 0,86 para a produção de sedimentos e 3,79 e 0,67 para o escoamento. A suscetibilidade à erosão foi classificada como muito alta em zonas das microbacias e moderada nas parcelas experimentais. Os resultados indicaram que a precipitação é fator determinante para a geração do escoamento e produção de sedimentos. A análise de correlação de Pearson permitiu identificar correlação positiva e significativa da precipitação com escoamento e produção de sedimentos, variando de moderada a forte. A regressão linear simples não forneceu respostas satisfatórias para a previsão do escoamento e da produção de sedimentos, não devendo ser utilizada para regionalização hidrossedimentológica. A regressão linear múltipla superou a linear simples em precisão, sugerindo que há interação entre múltiplas variáveis. A análise da rede SOM revelou padrões complexos e interações entre as variáveis, destacando a importância da declividade, área e cobertura vegetal sobre a geração d escoamento e produção de sedimentos. Evidenciou-se que o escoamento e a produção de sedimentos são fortemente influenciados pela interação entre precipitação, cobertura vegetal e declividade, indicando que os modelos baseados em redes neurais não supervisionadas são alternativas atrativas para as áreas analisadas. Quando existem complexas relações de causa e efeito entre variáveis dos processos hidrossedimentológicos é necessário o uso de modelos não lineares e multivariados, a exemplo das redes neurais artificiais. A rede MLP mostrou flexibilidade e capacidade de capturar relações complexas não lineares, com desempenho promissor para dados de teste, com configurações simples que equilibram precisão e capacidade de generalização. Ressalta-se a complexidade dos processos hidrossedimentológicos e a necessidade de abordagens multidisciplinares para sua análise. Embora a regressão linear múltipla ofereça uma interpretação da influência de várias variáveis, as redes MLP apresentam resultados superiores para modelar a complexidade inerente a esses sistemas, mesmo havendo a subestimação ou superestimação da produção de sedimentos e do escoamento. |
| Abstract: | The management of water resources in river basins in the Brazilian semi-arid region requires monitoring at different spatial and temporal scales, which aren’t always possible to carry out. Artificial intelligence has shown promise in environmental modeling, especially when hydrological data is used. The objective of this work was to compare Artificial Neural Networks (ANN) and simple and multiple linear regression to estimate estimate runoff and sediment yield in experimental units in the state of Paraíba. Data obtained from 147 rain events with consequent flooding were used, in micro-basins and experimental plots of the Experimental Basin of São João do Cariri-PB, whose áreas varies from 100m² to 16.300m² and slope of 3,4% to 7,1%, to model parametization. The input variables were precipitation, period without rain, area, slope and vegetation cover, while the output variables were sediment yield and runoff. The analyzes carried out using correlations, self-organizing maps (SOM), simple linear regression (RLS), multiple linear regression (RLM) and Multilayer Perceptron Neural Network (MLP), allowed comparing the performance of the models through mean squared error error (RMSE) and correlation coefficient (R²) values. For RLM the (RMSE) was 453.39 and (R²) 0.63 for Sediment Yield and 3.79 and 0.67 for runoff. For the MLP network, (RSME) ranged from 301.32 to 274.55 for Sediment Yield and 2.58 to 2.45 for runoff. The (R²) varied from 0.84 to 0.86 for Sediment Yield and 3.79 and 0.67 for runoff. Susceptibility to erosion was classified as very high in microbasins and moderate in the experimental plots. The results indicated that precipitation is a determining factor in the Generation of runoff and sediment yield. Pearson's correlation analysis identifying a positive and significant correlation between rain and runoff and sediment yield, ranging from moderate to strong. Simple linear regression was not able to provide satisfactory answers for predict runoff and sediment yield, and should be not used for hydrosedimentological regionalization. Multiple linear regression suprassed simple linear regression in accuracy, suggesting that the interaction between multiple variables. The SOM network analysis revealed complex patterns and interactions between variables, highlighting the importance of slope, area and vegetation cover on runoff generation and sediment yield. It was evidente that runoff and sediment yield are strongly influenced by the interaction between precipitation, vegetation cover and slope, indicating that models based on unsupervised neural networks are attractive alternatives for áreas analyzed. When there are complex cause and effect relationships between variables in hydrosedimentological processes, it is necessary to use non-linear and multivariate models, such as artificial neural networks. The MLP network has shown flexibility and the ability to capture complex non-linear relationships, with promising performance for test data, with simple configurations that balance accuracy and generalizability. The complexity of hydrosedimentological processes and the need for multidisciplinary approaches to their analysis are highlighted. Although multiple linear regression offers an interpretation of the influence several variables, MLP networks present superior results for modeling the complexity inherent in these systems, even with underestimation or overestimation sediment yield and runoff. |
| Keywords: | Sedimentos Escoamento superficial Regressão Múltipla Perceptron Multicamadas |
| ???metadata.dc.subject.cnpq???: | Engenharia de Recursos Naturais |
| URI: | https://dspace.sti.ufcg.edu.br/handle/riufcg/45587 |
| Appears in Collections: | Doutorado em Engenharia e Gestão de Recursos Naturais. |
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|---|---|---|---|---|
| AMANDA CRISTIANE GONÇALVES FERNANDES - TESE - (PPGEGRN) 2024.pdf | 3.88 MB | Adobe PDF | View/Open |
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