Luận án tiến sĩ phát triển phương pháp máy học cho phân loại nước ngầm
Bộ Giáo dục Việt Nam - Viện Hàn lâm Khoa học, Công nghệ. Đào tạo chuyên sâu, nghiên cứu khoa học, phát triển công nghệ hiện đại cho đất nước.
Luan An
Luận án tiến sĩ
Năm xuất bản
Số trang
160
Thời gian đọc
24 phút
Lượt xem
1
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
50 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- 1. Tổng quan học máy kết hợp phân loại chất lượng nước
- Số trang:
- 160 trang
- Trường:
- Học viện Khoa học và Công nghệ
- Chuyên ngành:
- Hệ thống thông tin
- Tác giả:
- Michael Omar
- Năm:
- 2025
Tóm tắt nội dung luận án
I. Tổng quan học máy kết hợp phân loại chất lượng nước
Nước ngầm là nguồn tài nguyên sống còn cho sinh hoạt và nông nghiệp toàn cầu. Quá trình đô thị hóa gia tăng gây sức ép nặng nề lên chất lượng nguồn nước. Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm truyền thống đòi hỏi nhiều thời gian và chi phí. Do đó, việc ứng dụng mô hình học máy kết hợp trở thành xu thế tất yếu trong thủy văn học hiện đại. Kỹ thuật hybrid machine learning kết hợp sức mạnh của nhiều thuật toán học máy riêng lẻ. Cách tiếp cận này giúp xử lý các mối quan hệ phi tuyến tính phức tạp giữa các mẫu nước. Hơn nữa, việc tích hợp yếu tố không gian nâng cao đáng kể độ tin cậy của mô hình dự đoán. Hệ thống phân loại thông minh hỗ trợ các cơ quan quản lý đưa ra quyết định nhanh chóng và chính xác. Nguồn nước ngầm được giám sát chặt chẽ sẽ giảm thiểu rủi ro sức khỏe cộng đồng.
1.1. Thách thức trong phân loại độ ô nhiễm nước ngầm
Đánh giá mức độ ô nhiễm nước ngầm đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Dữ liệu quan trắc thực tế thường bị phân tán và thiếu đồng nhất. Sự biến thiên địa chất giữa các vùng tạo ra độ lệch lớn trong các phép đo. Phân loại độ ô nhiễm nước ngầm theo cách thủ công không thể đáp ứng nhu cầu cảnh báo sớm. Các phương pháp thống kê cổ điển thường giả định dữ liệu có phân phối chuẩn. Tuy nhiên, dữ liệu ô nhiễm môi trường luôn tồn tại nhiễu và bất đối xứng. Tình trạng mất cân bằng giữa mẫu nước sạch và mẫu ô nhiễm làm giảm độ chính xác của mô hình học máy đơn lẻ. Vì vậy, nghiên cứu đòi hỏi những giải pháp phân loại tiên tiến hơn. Việc khai thác tương quan không gian địa lý mở ra hướng giải quyết triệt để cho vấn đề này.
1.2. Đột phá từ ensemble learning chất lượng nước
Kỹ thuật ensemble learning chất lượng nước mang lại bước tiến vượt bậc trong mô hình hóa dữ liệu thủy văn. Phương pháp này kết hợp dự đoán từ nhiều mô hình cơ sở để tạo ra kết quả tối ưu. Sai số ngẫu nhiên của các thuật toán đơn lẻ được giảm thiểu rõ rệt. Cấu trúc học máy kết hợp nâng cao khả năng tổng quát hóa trên các tập dữ liệu ngoại lai. Nghiên cứu khai thác mối liên hệ không gian giữa các trạm quan trắc lân cận. Yếu tố khoảng cách địa lý đóng vai trò như trọng số định hướng quá trình phân loại. Nhờ đó, ranh giới phân loại giữa nước uống được và không uống được trở nên rõ ràng. Công nghệ này tạo tiền đề xây dựng bản đồ rủi ro ô nhiễm nguồn nước chi tiết và chuẩn xác.
II. Đánh giá chỉ số chất lượng nước ngầm GWQI chuẩn hóa
Chỉ số chất lượng nước ngầm GWQI là công cụ tiêu chuẩn để lượng hóa mức độ an toàn của nguồn nước. Quy trình tính toán dựa trên trọng số của từng chỉ tiêu hóa lý đối với sức khỏe con người. Các giá trị đo lường riêng lẻ được chuẩn hóa thành một thang đo duy nhất. Thang đo này cho phép phân định ranh giới rõ ràng giữa nước uống được và nước không uống được. Việc chuyển đổi từ chỉ số liên tục sang bài toán phân loại nhị phân giúp đơn giản hóa quy trình giám sát thực địa. Mô hình học máy sử dụng nhãn GWQI làm biến mục tiêu để huấn luyện thuật toán. Cách tiếp cận này đảm bảo tính khách quan và tuân thủ các quy chuẩn môi trường quốc tế.
2.1. Phân tích thông số hóa lý nước ngầm pH TDS Nitrat Kim loại nặng
Các chỉ tiêu môi trường đóng vai trò then chốt trong việc xác định chất lượng nước. Tập dữ liệu nghiên cứu bao gồm các thông số hóa lý nước ngầm (pH, TDS, Nitrat, Kim loại nặng). Độ pH phản ánh tính axit hoặc kiềm, ảnh hưởng trực tiếp đến sự hòa tan khoáng chất. Tổng chất rắn hòa tan TDS thể hiện nồng độ muối khoáng và tạp chất vô cơ. Nồng độ ion Nitrat cao thường bắt nguồn từ phân bón nông nghiệp và nước thải sinh hoạt. Sự tích tụ Nitrat vượt ngưỡng gây ra các bệnh lý nguy hiểm cho người sử dụng. Bên cạnh đó, sự hiện diện của kim loại nặng như Chì, Asen, Cadmium tạo nên độc tính mãn tính nghiêm trọng. Việc trích xuất đặc trưng đa chiều từ các thông số này giúp mô hình nhận diện chính xác nguồn gốc gây suy giảm chất lượng nước.
2.2. Tích hợp dữ liệu không gian tại Mekong và Ấn Độ
Vị trí địa lý tác động trực tiếp đến động thái vận chuyển các chất ô nhiễm trong lòng đất. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập tại Đồng bằng sông Cửu Long (Việt Nam) và các khu vực trọng điểm tại Ấn Độ. Hai khu vực này có địa chất thủy văn phức tạp và áp lực khai thác nước ngầm rất lớn. Nghiên cứu thực hiện mã hóa tọa độ kinh độ và vĩ độ thành các đặc trưng không gian đa chiều. Khoảng cách địa lý giữa các giếng quan trắc được tính toán để bổ sung ngữ cảnh môi trường. Sự kết hợp giữa nồng độ hóa chất và vị trí không gian giúp thuật toán nắm bắt quy luật phát tán ô nhiễm theo mùa. Đây là nền tảng để mô hình đạt độ chuẩn xác cao trên nhiều vùng địa lý khác nhau.
III. Các mô hình học máy kết hợp và thuật toán tối ưu hóa
Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong thủy văn đòi hỏi sự kết hợp linh hoạt giữa các cấu trúc thuật toán. Các mô hình đơn lẻ thường gặp giới hạn khi xử lý tập dữ liệu có độ phân tán cao. Do đó, việc xây dựng mô hình học máy kết hợp cùng thuật toán tối ưu hóa siêu tham số là yêu cầu cấp thiết. Sự kết hợp giữa mô hình dạng cây, mạng nơ-ron và giải thuật tiến hóa tạo ra sức mạnh vượt trội. Quá trình huấn luyện tận dụng tối đa thông tin từ các đặc trưng không gian và hóa lý. Mô hình đạt được sự cân bằng giữa độ chính xác cao và tốc độ tính toán nhanh. Đây là giải pháp đột phá cho bài toán phân loại chất lượng nước diện rộng.
3.1. So sánh thuật toán Random Forest và XGBoost
Các thuật toán học máy dạng cây đóng vai trò then chốt trong việc phân loại chất lượng nước. Cả thuật toán Random Forest và XGBoost đều cho thấy khả năng xử lý mạnh mẽ với dữ liệu bảng phi tuyến tính. Random Forest sử dụng cơ chế lấy mẫu ngẫu nhiên và xây dựng nhiều cây quyết định độc lập. Phương pháp này giúp hạn chế tối đa hiện tượng quá khớp (overfitting). Ngược lại, XGBoost áp dụng kỹ thuật tăng cường gradient để tối ưu hàm mất mát qua từng vòng lặp. Mô hình Stacking và Boosting trong thủy văn kết hợp ưu thế của cả hai phương pháp trên. Kết quả thực nghiệm chứng minh mô hình boosting vượt trội về khả năng phân loại các mẫu nước ở vùng giáp ranh ô nhiễm.
3.2. Đột phá từ tối ưu hóa bầy đàn PSO kết hợp SVM
Hiệu suất của mô hình học máy phụ thuộc rất lớn vào việc lựa chọn siêu tham số. Giải pháp tối ưu hóa bầy đàn PSO kết hợp SVM giải quyết triệt để bài toán tìm kiếm cực trị toàn cục. Thuật toán PSO mô phỏng hành vi di chuyển bầy đàn để tự động điều chỉnh tham số phạt và hàm nhân (kernel) của SVM. Quá trình này giúp mô hình đạt biên phân cách cực đại giữa các nhóm chất lượng nước. Phương pháp tối ưu PSO cũng được áp dụng thành công trên mạng nơ-ron nhân tạo ANN phân loại nước ngầm. Nhờ đó, cấu trúc mạng nơ-ron tránh được bẫy cực tiểu cục bộ và tăng tốc độ hội tụ trong quá trình huấn luyện.
3.3. Cơ chế miễn dịch nhân tạo trong mô hình AI LGBM
Nghiên cứu đề xuất mô hình cải tiến Auto Immune Light Gradient Boosting Machine (AI-LGBM). Cấu trúc này tích hợp nguyên lý của hệ miễn dịch nhân tạo vào thuật toán LightGBM. Hệ thống có khả năng tự động nhận diện các mẫu dữ liệu bất thường và loại bỏ nhiễu môi trường. Thuật toán phân bổ trọng số động cho các mẫu khó phân loại trong không gian địa lý. Tốc độ xử lý của AI-LGBM vượt trội so với các mô hình boosting truyền thống. Khả năng tiêu thụ bộ nhớ thấp giúp mô hình dễ dàng vận hành trên các thiết bị giám sát thực địa. Kết quả kiểm nghiệm cho thấy AI-LGBM duy trì độ ổn định rất cao khi đối mặt với dữ liệu thiếu hoặc biến động lớn.
IV. Đột phá mô hình học máy kết hợp phân loại nước ngầm
Nghiên cứu phát triển hai khung mô hình không gian tiên tiến gồm AI-LGBM và PSO-SCNN. Các mô hình được đánh giá toàn diện trên tập dữ liệu tại Việt Nam và Ấn Độ. Quá trình thẩm định sử dụng các tiêu chí khắt khe như Accuracy, F1-Score và chỉ số diện tích dưới đường cong ROC (AUC). Việc lồng ghép thông tin tọa độ không gian giúp mô hình nhận diện chính xác các ổ ô nhiễm cục bộ. Sự vượt trội của các mô hình đề xuất đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp học máy không gian kết hợp. Đây là bước tiến quan trọng trong công nghệ dự báo tài nguyên nước ngầm.
4.1. Kiến trúc mạng tích chập không gian PSO SCNN
Mô hình Spatial Convolutional Neural Network (PSO-SCNN) được thiết kế để trích xuất triệt để mối tương quan không gian. Mạng nơ-ron tích chập tiếp nhận ma trận đặc trưng chứa nồng độ hóa chất và khoảng cách địa lý. Các lớp tích chập không gian giúp mô hình học được các hoa văn phân bố ô nhiễm phức tạp dưới lòng đất. Thuật toán Particle Swarm Optimization (PSO) tối ưu hóa số lượng bộ lọc và tốc độ học của mạng. Cấu trúc mạng sâu này mang lại độ chính xác phân loại vượt trội trên tập dữ liệu Đồng bằng sông Cửu Long. Khả năng tự động trích xuất đặc trưng giúp giảm bớt sự phụ thuộc vào các công đoạn tiền xử lý thủ công.
4.2. Hiệu suất mô hình Stacking và Boosting trong thủy văn
Việc triển khai mô hình Stacking và Boosting trong thủy văn đem lại kết quả thực nghiệm ấn tượng. Mô hình AI-LGBM đạt độ chính xác phân loại trên 92% đối với cả hai khu vực nghiên cứu. Điểm số F1-Score và AUC-ROC của mô hình đều vượt trội so với các thuật toán nền tảng như Random Forest, SVM hay KNN. Mô hình PSO-SCNN thể hiện năng lực vượt trội trong việc phân tách các mẫu nước có ranh giới ô nhiễm mờ nhạt. Phân tích lỗi cho thấy việc bổ sung đặc trưng không gian giúp giảm đáng kể tỷ lệ dương tính giả và âm tính giả. Các kết quả thực nghiệm khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tế to lớn của cấu trúc học máy kết hợp.
V. Triển vọng phân loại độ ô nhiễm nước ngầm tương lai
Nghiên cứu mở ra hướng đi mới trong việc quản trị và bảo vệ tài nguyên nước ngầm bền vững. Các mô hình học máy kết hợp cung cấp giải pháp dự báo chất lượng nước nhanh, tin cậy và tiết kiệm chi phí. Cơ quan quản lý môi trường có thể chủ động khoanh vùng khu vực nước nhiễm mặn hoặc nhiễm độc. Việc ứng dụng công nghệ số hóa giúp chuyển đổi từ giám sát bị động sang phòng ngừa rủi ro chủ động. Các kết quả nghiên cứu là nền tảng quan trọng để xây dựng hệ thống hỗ trợ ra quyết định thông minh. Bảo đảm an ninh nguồn nước góp phần trực tiếp vào sự phát triển kinh tế và xã hội bền vững.
5.1. Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo ANN phân loại nước ngầm
Tiềm năng ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo ANN phân loại nước ngầm ngày càng mở rộng với sự hỗ trợ của Internet vạn vật (IoT). Các trạm cảm biến tự động có thể truyền dữ liệu hóa lý liên tục về máy chủ trung tâm. Mạng nơ-ron nhân tạo tiếp nhận dữ liệu thời gian thực để đưa ra dự báo chất lượng nước tức thì. Hệ thống cảnh báo tự động phát tín hiệu khi các chỉ số vượt ngưỡng an toàn cho phép. Sự tích hợp này loại bỏ hoàn toàn độ trễ trong quá trình phân tích mẫu nước. Giải pháp tự động hóa giúp bảo vệ sức khỏe người dân tại các vùng nông thôn hẻo lánh một cách hiệu quả và kịp thời.
5.2. Khả năng mở rộng và chuyển giao mô hình địa lý
Khả năng tổng quát hóa của mô hình học máy là yếu tố then chốt cho việc chuyển giao công nghệ. Khung nghiên cứu đã chứng minh tính thích ứng cao trên hai vùng địa lý có đặc tính khác biệt là Việt Nam và Ấn Độ. Cấu trúc học máy không gian kết hợp dễ dàng được tinh chỉnh để áp dụng cho các lưu vực sông khác. Quy trình trích xuất đặc trưng dựa trên tri thức miền thủy văn giúp bảo toàn tính chính xác khi đổi tầng chứa nước. Việc tiếp tục bổ sung dữ liệu địa chất sâu và viễn thám sẽ nâng cao hơn nữa độ nhạy của hệ thống. Đây là công cụ đắc lực hỗ trợ chiến lược quản lý tài nguyên nước toàn cầu trong bối cảnh biến đổi khí hậu.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (160 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộMINISTRY OF EDUCATION VIETNAM ACADEMY OF SCIENCE AND TRAINING AND TECHNOLOGY GRADUATE UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Michael Omar AN APPROACH OF ENSEMBLE SPATIAL MACHINE LEARNING FOR GROUNDWATER DRINKABILITY CLASSIFICATION DOCTORAL DISSERTATION ON INFORMATION SYSTEM Hanoi - 2025 BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Michael Omar NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP HỌC MÁY KẾT HỢP THÔNG TIN KHÔNG GIAN CHO BÀI TOÁN PHÂN LOẠI CHẤT LƯỢNG NƯỚC NGẦM LUẬN ÁN TIẾN SĨ MÁY TÍNH NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ SỐ: 9 48 01 04 Xác nhận của Học viện Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 Khoa học và Công nghệ (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) Hà Nội - 2025 MINISTRY OF EDUCATION VIETNAM ACADEMY OF SCIENCE AND TRAINING AND TECHNOLOGY GRADUATE UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Michael Omar AN APPROACH OF ENSEMBLE SPATIAL MACHINE LEARNING FOR GROUNDWATER DRINKABILITY CLASSIFICATION DOCTORAL DISSERTATION ON COMPUTER MAJOR: INFORMATION SYSTEMS CODE: 9 48 01 04 Graduation University of Advisor 1 Advisor 2 Science and Technology’s confirmation (Signature, Full Name) (Signature, Full Name) Hanoi - 2025 DECLARATION I hereby declare that the results presented in the discussion are my re- search work under the guidance of the guidelines. The data and results presented in the project discussion are completely honest and have not been published in previous works. Reference data have been fully cited. The thesis uses cited in- formation from various sources, and all citations are clearly acknowledged.
The research findings co-authored with other researchers have been included in the thesis with their consent. This thesis was completed during my time as a doctoral student at the Vietnam Academy of Science and Technology. year 2025 Thesis Author Michael Omar Acknowledgments Throughout the process of researching and completing my thesis, I have been fortunate to receive guidance, assistance, invaluable feedback, and encour- agement from a diverse group of individuals, including scientists, educators, peers, and family members. First and foremost, I would like to extend my deepest gratitude to As- soc.
Tran Thi Ngan, Assoc. Nguyen Long Giang and Assoc. Le Hoang Son. Their dedicated mentorship and support have been pivotal through- out my research journey.
I also would like to express my sincere appreciation to the faculty and scientists at the Institute of Information and Technology, the Institute of Infor- mation Technology VNU. Their insightful suggestions significantly contributed to the advancement of my research. My gratitude extends to the Board of Directors and the Training De- partment at Graduate University of Science and Technology, Vietnam Academy of Science and Technology for providing me with the conducive environment necessary to fulfill my research objectives. Lastly, I must acknowledge my colleagues, family, and friends, whose un- wavering encouragement, shared experiences, support, and assistance have been instrumental in helping me overcome challenges and achieve the results presented in this thesis.
year 2025 Signed by: Michael Omar i Contents Symbols and Abbreviations iv List of Tables v List of Figures viii Introduction 1 Chapter 1.Groundwater Drinkability Classification 8 1.1 Introduction to Groundwater Drinkability Classification .2 ML/DL Methods .3 Hybrid Spatial Models .4 Gaps and Summary .5 Research Method to Address Gaps .3 Study Areas: India and Vietnam .1 Mekong Delta, Vietnam .3 Hydrological Context & Site Rationale .4 Evaluation Metrics & Scenario .1 Encoding of Spatial Coordinates .2 Derived Features from Raw Measurements .3 Incorporating Domain Knowledge into Feature Creation .7 Generalization and Transferability to Other Geographical Regions .Proposed Ensemble Spatial Machine Learning Methods 45 2.4 Pros and Cons .Results and Evaluations 80 3.1 Objective of the Evaluation .2 Validation of AI-LGBM .1 Datasets and Preprocessing .2 Hyperparameter Optimization and Tuning .3 Pros and Cons .4 Performance Evaluation and Comparison .5 Appended (Post-Optimization) ML Results: AI-LGBM .3 Validation of PSO-SCNN .1 Datasets and Preprocessing .2 Hyperparameter Optimization and Tuning .3 Performance Evaluation and Comparison .4 Appended (Post-Optimization) Result — PSO–SCNN .4 Model’s Performance Comparison .1 Failure Case Analysis .2 Implications for Groundwater Quality Classification .3 Feature Importance and Future Directions .1 AI-LGBM Findings .2 PSO-SCNN Findings. 128 Conclusion and Future Development 130 APPENDIX A: REPRODUCIBILITY 134 Symbols and Abbreviations No. Abbreviation Description 1 AI Artificial Intelligence 2 AI-LGBM Auto Immune Light Gradient Boosting Machine 3 CNN Convolutional Neural Network 4 DL Deep Learning 6 GIS Geographic Information System 7 GWQ Groundwater Quality 8 IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change 9 ML Machine Learning 10 PSO Particle Swarm Optimization 11 PSO-SCNN Particle Swarm Optimization-Spatial Convolutional Neural Network 12 R² Coefficient of Determination 13 RMSE Root Mean Square Error 14 SCNN Spatial Convolutional Neural Network 15 SELU Scaled Exponential Linear Unit 16 SHAP Shapley Additive Explanations 17 SVM Support Vector Machine 18 TDS Total Dissolved Solids 19 LightGBM Light Gradient Boosting Machine 20 XGBoost Extreme Gradient Boosting 21 LSTMs Long Short-Term Memory 22 MAE Mean Absolute Error 23 AUC Area Under Curve 24 ANOVA Analysis of Variance 25 WQI Water Quality Index 26 WQC Water Quality Class 27 GWQ Groundwater Quality v List of Tables 1.1 Summary of Classical Hydrological Methods .2 Observed Values of Water Quality Parameters .3 Assigned Weights to Water Quality Parameters .4 Calculated Sub-Indices for Water Quality Parameters .5 Water Quality Classification Based on WQI Values .6 Machine Learning Methods for Hydrological Water Quality Assess- ment .7 Deep Learning Methods in Hydrology .8 Descriptive Statistics of Groundwater Parameters in the Mekong Delta (Vietnam) .9 Descriptive Statistics of Groundwater Parameters in Odisha (India) 27 1.10Comparison of Hydrological Characteristics .11Justification for Selecting Odisha and the Mekong Delta .12Evaluation Metrics for Model Performance .13 Hybrid Spatial-AI Models Used in Groundwater Classification .14Baseline Models for Groundwater Quality Classification .15Dataset Overview and Column Types .16Dataset Overview and Column Types for Indian Water Quality Dataset 33 1.17Data Preprocessing Steps .1 Benefits of Combining Components in the AI-LGBM Model .2 Hyperparameter Search Space and Final Values for AI-LGBM .3 Performance Comparison: Default vs Optimized AI-LGBM .4 AI–LGBM strengths, caveats, and recommended mitigations.5 Model Input Analysis .6 Comparison of Learning Optimizers .7 Key PSO-SCNN Hyperparameter Values .8 Effect of PSO Parameter Settings on PSO-SCNN Performance (Val- idation Set) .9 Hyperparameter Tuning for Groundwater Models .10PSO–SCNN strengths, caveats, and recommended mitigations.1 Hyperparameter Search Space and Final Values for AI-LGBM .2 Comparison of the Average Value of Performance Metrics of All Models in Odisha .3 Comparison of the Average Value of Performance Metrics of All Models in Vietnam .4 Comparison of AI-LGBM with Baseline Models .5 Comparative Performance of the Models .6 Comparison of Proposed Models with Advanced Methods .7 Comparison of the Average Value of Performance Metrics of All Models in Odisha .8 Comparison of the Average Value of Performance Metrics of All Models in Vietnam .9 Comparison of AI-LGBM with Baseline Models .10Performance Metrics for Various Models in Odisha Dataset .11Performance Metrics for Various Models in Vietnam Dataset .12Model Comparison (Avg.15Comparison of AI-LGBM Vs DL, (Open source) Datasets .16Model Performance Vietnam Dataset Comparison with Log Loss .17Comparison of PSO-SCNN with AI-LGBM and Baseline Models .18Effect of PSO Parameter Settings on PSO-SCNN Performance (Val- idation Set) .19PSO controller configuration used for SCNN tuning.20PSO–SCNN hyperparameter search space.21Effect of PSO controller settings on PSO–SCNN (validation set illustration).22Hyperparameter optimization method comparison.24Aggregate comparison of proposed models vs.25Held-out testing on the Vietnam dataset.26Held-out testing on the India (Odisha) dataset.27Cross-validation results (mean ± SD) of proposed models.28Metric Analysis Performance .29Model Comparison Table: Deep Learning Models .30Model Comparison Table: Machine Learning Models .31Convergence Epochs and Time to Convergence .33PSO–SCNN validation metrics after optimization.34PSO–SCNN post-optimization results on held-out test sets.35PSO–SCNN cross-validation summary (mean ± SD).36Advance Model Performance Vietnam (Testing Set) post-run .37 Metric Analysis Performance .38Comparison of Proposed Models with ML Baseline Models .39Cross-Validation Results (Mean ± SD) of Proposed Models .40Ablation Study: Quantitative Impact of Components .41Convergence Epochs of Ablation Models .42Training Time and Memory Consumption Comparison for AI-LGBM and PSO-SCNN Models .43One-way ANOVA comparing model performance metrics.44One-way ANOVA comparing performance across regions.45Significance Test Results for Methods and Datasets. 124 viii List of Figures 1.1 Traditional ML flow diagram for water quality analysis and classi- fication .2 Geographical Context of Study Areas (a) Location of the Mekong Delta (Source: Mekong River Commission); (b) Provincial Extent within the Mekong Delta.3 Hydro-geological map of the Odisha study area.4 Box-Plot analysis .5 Scatter Plot Analysis .6 AI-LGBM Model Feature Importance .7 SHAP Summary Plot for AI-LGBM Model .8 SHAP Interpretation and Implications .9 Spatial Visualization of Groundwater Quality Classification .10 Evolution from Traditional Methods to Hybrid Spatial-Aware ML Framework .1 Proposed System Model of the Artificial Intelligence Framework .2 Proposed AI-LGBM Methodological Flowchart .3 PSO-SCNN Spatial Model Architectures .4 PSO-SCNN Flowchart .5 Sensitivity Analysis – AUC vs Kernel Size .6 Sensitivity Analysis – AUC vs Number of Filters .7 Sensitivity Analysis – AUC vs Learning Rate .8 Parameter Validation Results: A table showing model performance with different hyperparameters.1 Optuna Optimization History (Objective: Weighted F1-Score) .2 Hyperparameter Importance Analysis via Optuna .3 SHAP Summary Plot for Optimized AI-LGBM Model .4 Model Loss and Accuracy on Vietnam Dataset .5 Mean Error and K-Value Comparison .6 Comparative analysis of model performance in Vietnam and India 87 3.7 Bivariate Analysis and Data Outlier (1) .8 Bivariate Analysis and Data Outlier (2) .9 Comparative analysis and performance of K-NN and SMOTE for Vietnam and India .10 Sensitivity Analysis of Learning Rate and Number of Leaves.
The left plot shows the relationship between learning rate and F1 Score/Ac- curacy, while the right plot illustrates the sensitivity of the F1 Score/Accuracy with respect to the number of leaves.12 Classification of water quality in Vietnam based on the model’s classification.13 Training Time vs AUC for All Models .14 PSO-SCNN Training and Validation Loss .15 PSO-SCNN Training and Validation Accuracy .16 Validation Loss - PSO-SCNN vs Deep Baselines .17 Spatial visualization of groundwater quality classification .18 Comparison of Water Quality Visualizations in Odisha .19 Side-by-side performance visualizations for PSO-SCNN.21 SHAP Summary Plot for AI-LGBM Model .22 Overlay of predicted unsafe zones with actual contamination areas 115 3.23 Feature importance highlighting key factors in water quality clas- sification .24 Averaged p-values for each feature in water quality classification .25 Ablation Study Results on the Impact of Removing Model Com- ponents .26 Ablation Study: AUC Scores of Model Variants .27 PSO-SCNN Prediction Grid (Longitude vs Latitude) .28 Feature Range Differences (Correct vs Error) .29 Confusion Matrix — PSO-SCNN .31 Feature Distribution for Misclassified vs Correctly Classified Samples121 1 Introduction Research Context Ensuring the safety of drinking water is a paramount global challenge, essential for public health, environmental sustainability, and economic devel- opment. This need is critically amplified by a growing global population that intensifies pressure on finite water resources [1–3]. An estimated two billion peo- ple still lack access to safely managed drinking water, making the advancement of robust water quality assessment methods a global health imperative [4]. Con- taminated sources are a primary vector for waterborne diseases and expose pop- ulations to chemical and pathogenic contaminants, creating a persistent public health crisis [5].
The urgency for a new assessment paradigm is compounded by mounting environmental pressures from industrial and agricultural runoff [6], as well as the spatiotemporal variability of water quality, which is being exacerbated by climate change [7]. Traditional water quality monitoring, which relies on manual field sam- pling and laboratory analysis, is increasingly ill-suited to address the scale of this challenge. These methods are inherently inefficient, slow, and unscalable, par- ticularly in resource-constrained regions [8], necessitating a shift towards more advanced, automated solutions. Problem Statement In response to these limitations, modern machine learning (ML) and deep learning (DL) offer powerful tools for water quality prediction [9–13], their ap- plication is often undermined by a critical flaw: spatial blindness.
Most stan- 2 dard models fail to account for spatial autocorrelation the principle that nearby samples are related which leads to unreliable predictions [14]. This issue is com- pounded by naive validation protocols, such as random k-fold cross-validation, which are statistically unsound for geospatial data and yield overly optimistic performance metrics [15, 16].
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Michael Omar (2025). Phương pháp học máy kết hợp cho phân loại chất lượng nước ngầm [Luận án tiến sĩ, Học viện Khoa học và Công nghệ]. LuanAn.net. https://luanan.net/quan-ly-giao-duc/quan-ly-giao-duc-dai-hoc/luan-an-tien-si-phat-trien-phuong-phap-may-hoc-cho-phan-loai-nuoc-ngam
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Phương pháp học máy kết hợp cho phân loại chất lượng nước ngầm" nghiên cứu về vấn đề gì?
Bộ Giáo dục Việt Nam - Viện Hàn lâm Khoa học, Công nghệ. Đào tạo chuyên sâu, nghiên cứu khoa học, phát triển công nghệ hiện đại cho đất nước.
Luận án "Phương pháp học máy kết hợp cho phân loại chất lượng nước ngầm" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại Học viện Khoa học và Công nghệ. Năm bảo vệ: 2025.
Luận án "Phương pháp học máy kết hợp cho phân loại chất lượng nước ngầm" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Phương pháp học máy kết hợp cho phân loại chất lượng nước ngầm" thuộc chuyên ngành Hệ thống thông tin. Danh mục: Quản Lý Giáo Dục Đại Học.
Luận án "Phương pháp học máy kết hợp cho phân loại chất lượng nước ngầm" có bao nhiêu trang?
Luận án "Phương pháp học máy kết hợp cho phân loại chất lượng nước ngầm" có 160 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Phương pháp học máy kết hợp cho phân loại chất lượng nước ngầm" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.