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Prévision de la profondeur de la nappe phréatique d'un champ de canneberges à l'aide de deux approches de modélisation des arbres de décision

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2019
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La gestion intégrée de l’eau souterraine constitue un défi majeur pour les activités industrielles, agricoles et domestiques. Dans certains systèmes agricoles, une gestion optimisée de la nappe phréatique représente un facteur important pour améliorer les rendements des cultures et l’utilisation de l'eau. La prévision de la profondeur de la nappe phréatique (PNP) devient l’une des stratégies utiles pour planifier et gérer en temps réel l’eau souterraine. Cette étude propose une approche de modélisation basée sur les arbres de décision pour prédire la PNP en fonction des précipitations, des précédentes PNP et de l'évapotranspiration pour la gestion de l’eau souterraine des champs de canneberges. Premièrement, deux modèles: « Random Forest (RF) » et « Extreme Gradient Boosting (XGB) » ont été paramétrisés et comparés afin de prédirela PNP jusqu'à 48 heures. Deuxièmement, l’importance des variables prédictives a été déterminée pour analyser leur influence sur la simulation de PNP. Les mesures de PNP de trois puits d'observation dans un champ de canneberges, pour la période de croissance du 8 juillet au 30 août 2017, ont été utilisées pour entraîner et valider les modèles. Des statistiques tels que l’erreur quadratique moyenne, le coefficient de détermination et le coefficient d’efficacité de Nash-Sutcliffe sont utilisés pour mesurer la performance des modèles. Les résultats montrent que l'algorithme XGB est plus performant que le modèle RF pour prédire la PNP et est sélectionné comme le modèle optimal. Parmi les variables prédictives, les valeurs précédentes de PNP étaient les plus importantes pour la simulation de PNP, suivie par la précipitation. L’erreur de prédiction du modèle optimal pour la plage de PNP était de ± 5 cm pour les simulations de 1, 12, 24, 36 et 48 heures. Le modèle XGB fournit des informations utiles sur la dynamique de PNP et une simulation rigoureuse pour la gestion de l’irrigation des canneberges.
Integrated ground water management is a major challenge for industrial, agricultural and domestic activities. In some agricultural production systems, optimized water table management represents a significant factor to improve crop yields and water use. Therefore, predicting water table depth (WTD) becomes an important means to enable real-time planning and management of groundwater resources. This study proposes a decision-tree-based modelling approach for WTD forecasting as a function of precipitation, previous WTD values and evapotranspiration with applications in groundwater resources management for cranberry farming. Firstly, two models-based decision trees, namely Random Forest (RF) and Extrem Gradient Boosting (XGB), were parameterized and compared to predict the WTD up to 48-hours ahead for a cranberry farm located in Québec, Canada. Secondly, the importance of the predictor variables was analyzed to determine their influence on WTD simulation results. WTD measurements at three observation wells within acranberry field, for the growing period from July 8, 2017 to August 30, 2017, were used for training and testing the models. Statistical parameters such as the mean squared error, coefficient of determination and Nash-Sutcliffe efficiency coefficient were used to measure models performance. The results show that the XGB algorithm outperformed the RF model for predictions of WTD and was selected as the optimal model. Among the predictor variables, the antecedent WTD was the most important for water table depth simulation, followed by the precipitation. Base on the most important variables and optimal model, the prediction error for entire WTD range was within ± 5 cm for 1-, 12-, 24-, 26-and 48-hour prediction. The XGB model can provide useful information on the WTD dynamics and a rigorous simulation for irrigation planning and management in cranberry fields.
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