مدیریت آب و آبیاری

مدیریت آب و آبیاری

تخمین شکاف عملکرد گندم و جو آبی با تصاویر لندست۸ و یادگیری ماشین در پارس‌آباد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه بین المللی امام خمینی
2 دانشیار گروه مهندسی آب دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)
3 گروه کاربردهای سنجش از دور، مرکز تحقیقات فضایی، پیوهشگاه فضایی ایران
4 گروه کاربردهای سنجش از دور، مرکز تحقیقات فضایی، پژوهشگاه فضایی ایران
10.22059/jwim.2026.419593.1329
چکیده
پیش‌بینی دقیق عملکرد محصولات زراعی یکی از چالش‌های اساسی مدیریت پایدار منابع آب و خاک است.در این پژوهش، عملکرد گندم آبی و جو آبی در منطقه پارس‌آباد اردبیل طی سال زراعی ۱۳۹۳ با استفاده از تصاویر لندست ۸ و الگوریتم‌های یادگیری ماشین تخمین‌زده و طبقه‌بندی شد.لذا ۲۹ شاخص طیفی، زمانی و توپوگرافی از دو پنجره فنولوژیک پنجه‌زنی و گل‌دهی استخراج گردید.با حذف داده‌های پرت عملکرد، با استفاده از ضریب همبستگی پیرسون، ۲۴ شاخص معنادار (p<0.05) برای گندم و ۲۰ شاخص برای جو انتخاب شد.سپس سه الگوریتم جنگل تصادفی (RF)، درخت گرادیانی تقویت شده (GBT) و ماشین بردار پشتیبان (SVM) با استفاده از ویژگی‌های کامل و ویژگی‌های منتخب بر اساس آستانه اهمیت تجمعی ۳۰ درصد آموزش داده و مقایسه شدند.نتایج نشان داد جنگل تصادفی در هر دو محصول بهترین عملکرد را داشت؛به‌طوری‌که برای گندم، 433/0=2 R و ۸۶۲RMSE= کیلوگرم بر هکتار، و برای جو، 457/0=2 R و 869RMSE= کیلوگرم بر هکتار به‌دست آمد.کاهش فضای ویژگی به شش ویژگی برای گندم و پنج ویژگی برای جو، تأثیر اندکی بر دقت گندم داشت،اما عملکرد GBT را برای جو به‌طور محسوسی بهبود بخشید.در طبقه‌بندی دوکلاسه عملکرد، مدل RF با دقت کلی 7/74 درصد (کاپا=499/0) برای گندم و 6/84 درصد (کاپا=690/0) برای جو،در تمامی معیارها از GBT و SVM پیشی گرفت.شکاف عملکرد مشاهداتی برای گندم 3/30 درصد و برای جو 6/40 درصد بود،در حالی‌که مقادیر متناظر ماهواره‌ای به‌ترتیب 6/21 و 1/26 درصد به‌دست آمد. همگرایی میانگین عملکرد واقعی در دو روش (با اختلاف کمتر از ۶ درصد)، اعتبار رویکرد مبتنی بر سنجش‌ازدور را تأیید می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Estimation of Irrigated Wheat and Barley Yield Gap Using Landsat8 Imagery, Machine Learning in Parsabad

نویسندگان English

Zohreh Faraji 1
Abbas Kaviani 2
Somayeh Talebi Esfandarani 3
Farzaneh Hadadi Barforoosh 4
1 Water Science and Eng., Dept., Imam Khomeini International University
2 Imam Khomeini International University
3 Remote sensing applications department, Space research institute, Iranian space research center
4 Remote sensing applications department, Space research institute, Iranian space research center
چکیده English

Accurate crop yield prediction is a key challenge for sustainable water and soil management in arid and semi-arid regions. This study estimated and classified irrigated wheat and barley yield in Parsabad, Ardabil province, Iran, during the 2014 growing season using Landsat-8 imagery and machine learning. Twenty-nine spectral, temporal, and topographic features were extracted from two phenological windows, tillering and anthesis. After removing yield outliers, Pearson correlation identified 24 significant features (p < 0.05) for wheat and 20 for barley. Three algorithms, Random Forest (RF), Gradient Boosted Trees (GBT), and Support Vector Machine (SVM), were trained using the full feature set and a reduced set selected via a 30% cumulative importance threshold, then compared. Random Forest achieved the best performance for both crops, with R² = 0.433 and RMSE = 862 kg/ha for wheat, and R² = 0.457 and RMSE = 869 kg/ha for barley. Reducing the feature space to six variables for wheat and five for barley had a minor effect on wheat accuracy but markedly improved the GBT model for barley. In binary yield classification, RF reached 74.7% overall accuracy (Kappa = 0.499) for wheat and 84.6% (Kappa = 0.690) for barley, outperforming GBT and SVM on all metrics. The observational yield gap was 30.3% for wheat and 40.6% for barley, while satellite-based estimates were 21.6% and 26.1%, respectively. Convergence of mean actual yield between the two approaches, with a difference under 6%, supports the validity of the remote sensing-based approach for crop yield estimation.

کلیدواژه‌ها English

Feature Selection
Gradient Boosted Trees
Random Forest
Support Vector Machine

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 05 مهر 1405