نشریه آبیاری و زهکشی ایران

نشریه آبیاری و زهکشی ایران

شناسایی زودهنگام مزارع کلزا با استفاده از داده‌های ماهواره‌ای و الگوریتم‌های یادگیری ماشین (مطالعه موردی: استان اردبیل)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه بین المللی امام خمینی(ره)، قزوین، ایران
2 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه بین المللی امام خمینی(ره)، قزوین، ایران
3 گروه کاربرداهای سنجش از دور، مرکز تحقیقات فضایی، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران
چکیده
در سال‌های اخیر، تشخیص زودهنگام مزارع کلزا پیش از مرحله گلدهی به‌عنوان یکی از چالش‌های اصلی در پایش محصولات زراعی مطرح بوده است؛ چرا که امضای طیفی این محصول در مراحل اولیه رشد با محصولات مشابه نظیر گندم و جو همپوشانی قابل‌توجهی دارد. در این پژوهش، قابلیت تشخیص زودهنگام مزارع کلزا در منطقه پارس‌آباد استان اردبیل با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای سنتینل-۲ و الگوریتم جنگل تصادفی مورد ارزیابی قرار گرفت. بدین منظور، در گام نخست عملکرد تصاویر سنتینل-۲ و لندست ۸ در دوره گلدهی (فروردین و اردیبهشت) مقایسه شد که برتری سنتینل-۲ با دقت کلی 94/0 و ضریب کاپا 87/0 در برابر ۸4/0و 63/0 لندست-۸ به اثبات رسید. در گام دوم، پنج شاخص طیفیNDVI، EVI، NDRE، CFI و NDYI به‌صورت سری زمانی برای دوره کشت مهر ۱۳۹۵ تا اردیبهشت ۱۳۹۶ (سال زراعی 96-1395) استخراج و تحلیل گردید. شاخص NDRE به دلیل نیاز به باند Red Edge، تنها با تصاویر سنتینل-۲ قابل محاسبه بوده و در مرحله تشخیص زودهنگام به مجموعه شاخص‌ها افزوده شد. نتایج طبقه‌بندی نشان داد که در فصل زمستان (دی تا اسفند) با دقت کلی 91/0 و ضریب کاپا 81/0، می‌توان کلزا را حداقل یک تا دو ماه پیش از گلدهی با دقت قابل‌قبول تشخیص داد. در مقابل، طبقه‌بندی پاییزه (مهر تا آذر) به دلیل همپوشانی طیفی بالا با غلات، دقت کاپای 55/0 را به دست داد. همچنین حذف اسفند از بازه زمانی زمستان و تکرار طبقه‌بندی تنها برای دی و بهمن، افت دقت به 88/0 را نشان داد که بیانگر نقش کلیدی این ماه در تفکیک‌پذیری کلزا از غلات است. یافته‌های این پژوهش نشان می‌دهد که ترکیب سری زمانی شاخص‌های طیفی چندگانه به‌ویژه NDRE با الگوریتم جنگل تصادفی در محیط گوگل ارث انجین، رویکردی کارآمد برای تشخیص زودهنگام کلزا در مقیاس منطقه‌ای است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Early-season Detection of Canola Fields Using Satellite Data and Machine Learning Algorithms: A Case Study of Ardebil Province

نویسندگان English

Zohreh Faraji 1
Abbas Kaviani 2
So,maieh Talebi Esfandarani 3
Amir hossain Abdi 3
1 water Eng. Dept., Agricultural and natural resources Faculty, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran
2 Associated professor water Eng. Dept., Agricultural and natural resources Faculty, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran
3 Remote sensing applications department, Space research institute, Iranian space research center, Tehran, Iran
چکیده English

Early detection of canola fields prior to the flowering stage has emerged as one of the main challenges in crop monitoring, as the spectral signature during early growth stages shows considerable overlap with similar crops. In this study, the capability of early detection of canola fields in the Parsabad region of Ardabil Province was evaluated using Sentinel-2 satellite imagery and the Random Forest algorithm. To this end, in the first step, the performance of Sentinel-2 and Landsat-8 imagery during the flowering period (April and May) was compared, confirming the superiority of Sentinel-2 with an overall accuracy of 0.94 and a Kappa coefficient of 0.87, compared to 0.84 and 0.63 for Landsat-8. In the second step, five spectral indices — NDVI, EVI, NDRE, CFI, and NDYI — were extracted and analyzed as time series for the growing season from October 2016 to May 2017. The NDRE index, requiring the Red Edge band, is exclusively computable from Sentinel-2 imagery and was therefore incorporated into the index set at the early detection stage. Classification results demonstrated that during the winter season (January to March), canola can be detected at least one to two months prior to flowering with an overall accuracy of 0.91 and a Kappa coefficient of 0.81. In contrast, autumn classification (October to December) yielded a Kappa coefficient of only 0.55 due to high spectral overlap with cereal crops. Furthermore, excluding March from the winter dataset and repeating the classification solely for January and February resulted in an accuracy decline to 0.88, highlighting the critical role of March in distinguishing canola from cereals. The findings of this study demonstrate that combining multi-index spectral time series, particularly NDRE, with the Random Forest algorithm within the Google Earth Engine platform constitutes an effective approach for regional-scale early detection of canola.

کلیدواژه‌ها English

Cropping Pattern
Random Forest
Sentinel
NDRE index
Landsat

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 30 شهریور 1405