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Title: Towards the improvement of machine learning peak runoff forecasting by exploiting ground- and satellite-based precipitation data: A feature engineering approach
Authors: Muñoz Pauta, Paul Andrés
metadata.dc.contributor.advisor: Célleri Alvear, Rolando Enrique
metadata.dc.contributor.tutor: Orellana Alvear, Johanna Marlene
metadata.dc.description.uri: 
0000-0002-7683-3768

0000-0002-6206-075X
metadata.dc.subject.other: Precipitación
Keywords: Ingeniería Civil
Productos satelitales
Imagen satelital
metadata.dc.audience.educationLevel: Tesis de Doctorado (PhD) en Recursos Hídricos
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescoamplio: 25 Ciencias de la Tierra y del Espacio
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescodetallado: 2508.10 Precipitación
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescoespecifico: 2507 Geofísica
Issue Date: 10-May-2023
metadata.dc.ucuenca.embargoend: 31-Dec-2023
metadata.dc.format.extent: 135 páginas
Publisher: Universidad de Cuenca
metadata.dc.description.city: 
Cuenca
Series/Report no.: TPHD;22
metadata.dc.type: bachelorThesis
Abstract: 
Peak runoff forecasting in complex mountain systems poses significant challenges in hydrology due to limitations in traditional physically-based models and data scarcity. However, the integration of machine learning (ML) techniques offers a promising solution by balancing computational efficiency and enabling the incorporation of satellite precipitation products (SPPs). However, debates have emerged regarding the effectiveness of ML in hydrology, as its black-box nature lacks explicit representation of hydrological processes, hindering performance improvement and result reproducibility. To address these concerns, recent studies emphasize the inclusion of FE strategies to incorporate physical knowledge into ML models, enabling a better understanding of the system and improved forecasting accuracy. This doctoral research aims to enhance the effectiveness of ML in peak runoff forecasting by integrating hydrological concepts through FE techniques, utilizing both ground-based and satellite-based precipitation data. For this, we explore ML techniques and strategies to enhance accuracy in complex macro- and mesoscale hydrological systems. Additionally, we propose a FE strategy for a proper utilization of SPP information which is crucial for overcoming spatial and temporal data scarcity. The integration of advanced ML techniques and FE represents a significant advancement in hydrology, particularly for complex mountain systems with limited or inexistent monitoring networks. The findings of this study will provide valuable insights for decision-makers and hydrologists, facilitating effective mitigation of the impacts of peak runoffs. Moreover, the developed methodologies can be adapted to other macro- and meso-scale systems, with necessary adjustments based on available data and system-specific characteristics, thus benefiting the broader scientific community.
Description: 
La predicción de picos de caudal en sistemas montañosos complejos presenta desafíos en hidrología debido a la falta de datos y las limitaciones de los modelos físicos. El aprendizaje automático (ML) ofrece una solución al permitir la integración de técnicas y productos satelitales de precipitación (SPPs). Sin embargo, se ha debatido sobre la efectividad del ML debido a su naturaleza de "caja negra" que dificulta la mejora del rendimiento y la reproducibilidad de los resultados. Para abordar estas preocupaciones, se han propuesto estrategias de ingeniería de características (FE) para incorporar conocimiento físico en los modelos de ML, mejorando la comprensión y precisión de las predicciones. Esta investigación doctoral tiene como objetivo mejorar la predicción de picos de caudal mediante la integración de conceptos hidrológicos a través de técnicas de FE y el uso de datos de precipitación in-situ y SPPs. Se exploran técnicas y estrategias de ML para mejorar la precisión en sistemas hidrológicos macro y mesoescala. Además, se propone una estrategia de FE para aprovechar la información de SPPs y superar la escasez de datos espaciales y temporales. La integración de técnicas avanzadas de ML y FE representa un avance en hidrología, especialmente para sistemas montañosos complejos con limitada o nula red de monitoreo. Los hallazgos de este estudio serán valiosos para tomadores de decisiones e hidrólogos, facilitando la mitigación de los impactos de los picos de caudal. Además, las metodologías desarrolladas se pueden adaptar a otros sistemas de macro y mesoescala, beneficiando a la comunidad científica en general.
metadata.dc.description.degree: 
Doctor (PhD) en Recursos Hídricos
URI: http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/41878
Appears in Collections:Tesis Doctoral/PHD

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