Previsão de séries temporais de evapotranspiração de referência com redes neurais convolucionais
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Forecasting reference evapotranspiration time series with convolutional neural networks
Primeiro orientador
Membros da banca
Eduardo Mazoni Andrade Maçal Mendes
Petrônio Cândido de Lima e Silva
Rodrigo César Pedrosa Silva
Petrônio Cândido de Lima e Silva
Rodrigo César Pedrosa Silva
Resumo
O crescimento da população e as mudanças climáticas estão fazendo com que o setor agrícola busque abordagens mais precisas e eficientes para garantir um suprimento adequado
e regular de alimentos para a sociedade com menor consumo de água. A agricultura 4.0
surge nessa conjuntura de escassez de recursos como uma gestão que busca através de
tecnologias como Big Data, Internet das Coisas (IoT), Inteligência Artificial e Robótica
fornecer às plantas e animais exatamente o que eles precisam e quando precisam, aumentando a produtividade e reduzindo os impactos ambientais. O manejo da irrigação,
prática essencial para o desenvolvimento de uma agricultura sustentável, busca, através da
previsão da evapotranspiração de referência, conhecer antecipadamente as necessidades
de água das culturas para planejar e gerenciar os recursos hídricos. Esta dissertação se
insere nesse contexto, com o objetivo de investigar o uso de modelos de aprendizagem
profunda, em especial das redes neurais convolucionais, na previsão de séries temporais de
evapotranspiração de referência (ETo). Para isso, foram implementadas três redes neurais
convolucionais com diferentes estruturas para prever uma série temporal diária de ETo.
Para otimizar os hiperparâmetros desses modelos foi utilizado um algoritmo genético que
buscou equilibrar dois objetivos, precisão e parcimônia. A validação dos modelos CNN
foi feita através da comparação com modelos conhecidos de previsão de séries temporais
como o ARIMA, WFTS e LSTM. Para fins de comparação foram implementados também
ensemble learning compostos pelos modelos CNN. Os resultados mostraram que os modelos
CNN são viáveis para previsão de séries temporais de ETo e que os modelos ensemble
melhoram as previsões em termos de variância, precisão e custo computacional em relação
aos modelos individuais.
Abstract
Population growth and climate change are causing the agricultural sector to seek more
accurate and efficient approaches to ensure an adequate and regular supply of food to
society with less water consumption. Agriculture 4.0 comes at this context of resource
scarcity as a management that seeks through technologies such as Big Data, Internet
of Things (IoT), Artificial Intelligence and Robotics to provide plants and animals with
exactly what they need and when they need it, increasing productivity and reducing
environmental impacts. Irrigation management, an essential practice for the development
of sustainable agriculture, seeks, through reference evapotranspiration forecasting, to know
in advance the water needs of crops to plan and manage water resources. This dissertation
is inserted in this context, aiming to investigate the use of deep learning models, especially
convolutional neural networks, in the prediction of reference evapotranspiration time
series (ETo). For this, three convolutional neural networks with different structures were
implemented to predict a daily time series of ETo. To optimize the hyperparameters of
these models a genetic algorithm was used, it sought to balance two objectives, precision
and parsimony. The CNN models were validated by comparing them with known time
series forecasting models such as ARIMA, WFTS and LSTM. For comparison purposes,
ensemble learning with the CNN models was also implemented. The results showed that
CNN models are feasible for ETo time series forecasting and that ensemble models improve
predictions in terms of variance, accuracy, and computational cost over individual models.
Assunto
Engenharia elétrica, Previsão, Redes neurais convolucionais, Séries temporais
Palavras-chave
Eevapotranspiração de referência, Previsão, Redes neurais convolucionais, Ensemble learning
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