تعداد نشریات | 161 |
تعداد شمارهها | 6,573 |
تعداد مقالات | 71,036 |
تعداد مشاهده مقاله | 125,507,411 |
تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 98,771,121 |
مدلسازی و پیشبینی رقومی کلاسهای زیرگروه خاک با استفاده از رویکرد یادگیری عمیق در بخشی از اراضی خشک و نیمهخشک دشت قزوین | ||
تحقیقات آب و خاک ایران | ||
دوره 53، شماره 11، بهمن 1401، صفحه 2477-2499 اصل مقاله (2.39 M) | ||
نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
شناسه دیجیتال (DOI): 10.22059/ijswr.2023.353339.669426 | ||
نویسندگان | ||
اصغر رحمانی1؛ فریدون سرمدیان* 2؛ حسین عارفی3 | ||
1گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران. | ||
2عضو هیأت علمی گروه مهندسی علوم خاک، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران | ||
3گروه سنجش از دور و فتوگرامتری، دانشکده نقشه برداری و اطلاعات مکانی، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران | ||
چکیده | ||
در پژوهش حاضر به مقایسه کارایی رویکردهای یادگیری عمیق و روشهای یادگیری ماشین بهمنظور تهیه نقشه کلاسهای خاک پرداخته شد. جهت تحقق این هدف از اطلاعات حاصل از 278 خاکرخ مشاهداتی، و متغیرهای ژئومورفومتری حاصل از مدل رقومی ارتفاع ، باندها و شاخصهای مستخرج از ماهوارههای سنتیل 1 و 2 در فرآیند مدلسازی استفاده گردید.مدل یادگیری عمیق در محیط آنلاین Google Collaboratory و مدل جنگل تصادفی (نماینده یادگیری ماشین) با استفاده از تابع "rf" در بسته “caret” در محیط RStudio بر مبنای 80 درصد دادهها و اندازه پنجرههای 3 ،5 ،7 ،9 ،15 و21 اجرا شد. مدلها با 20 درصد باقیمانده دادهها بر اساس دو شاخص صحت عمومی و F1-Score اعتبارسنجی گردیدند. عدم قطعیت پیشبینی نیز با استفاده از نقشههای احتمال هر زیرگروه و شاخص آنتروپی محاسبه گردید. صحت عمومی پیشبینی دو مدل یادگیری عمیق و جنگل تصادفی در اندازه پنجره بهینه 15×15 به ترتیب 43 و 50 درصد برای به دست آمد. نتایج نشان داد که زیرگروه Typic Calcixerepts با افزایش اندازه پنجره محاسباتی از 3 تا 9 و 15 روند افزایشی در شاخص F1-Score و پس از رسیدن به قله یک روند کاهشی مشاهده گردید. میزان شاخص F1-score این زیرگروه در دو مدل به ترتیب مقادیر 69 و 77 درصد به دست آمد. بهطور کلی مدل یادگیری عمیق با وجود تعداد محدود خاکرخهای مشاهداتی توانسته در پیشبینی کلاسهای پیشبینی قابل قبولی را ارائه نماید و با وجود اختلاف اندک در شاخص صحت عمومی با مدل جنگل تصادفی، نقشههای نهایی کلاسهای زیرگروه خاک با عدم قطعیت کمتری پیشبینی نماید. | ||
کلیدواژهها | ||
کلاس خاک؛ یادگیری ماشین؛ شبکه عصبی کانولوشن؛ اثر مقیاس | ||
مراجع | ||
ایستگاه سینوپتیک قزوین، 1349-1399، سازمان هواشناسی ایران.
بی همتا؛ محمدرضا، زارع چاهوکی؛ محمد علی. (1389). اصول آمار در علوم مرتع داری. ویراش سوم. تهران. انتشارات دانشگاه تهران. 300صفحه.
سازمان زمین شناسی ایران، 1374. نقشه چهارگوش زمین شناسی. شماره 111. زمین شناسی.
موسوی؛ سیدروح اله، سرمدیان؛ فریدون، رحمانی؛ اصغر. (1398). مدلسازی و پیشبینی مکانی کلاس خاک با استفاده از الگوریتم یادگیری رگرسیون درختی توسعهیافته و جنگلهای تصادفی در بخشی از اراضی دشت قزوین. تحقیقات آب و خاک ایران, 50(10), 2525-2538. doi: 10.22059/ijswr.2019.280905.668198.
Behrens, T., Schmidt, K., Ramirez-Lopez, L., Gallant, J., Zhu, A. X., & Scholten, T. (2014). Hyper-scale digital soil mapping and soil formation analysis. Geoderma, 213(1), 578-588. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2013.07.031 Bihamta, M., & Zare-chahooki, M. (2011). Principles of Statistics in range sciences. 3rd Ed. Tehran, Behrens, T., Zhu, A. X., Schmidt, K., & Scholten, T. (2010). Multi-scale digital terrain analysis and feature selection for digital soil mapping. Geoderma, 155(3-4), 175-185. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2009.07.010 Beucher, A., Rasmussen, C. B., Moeslund, T. B., & Greve, M. H. (2022). Interpretation of convolutional neural networks for acid sulfate soil classification. Frontiers in Environmental Science, 679(9), 1-14. https://doi.org/10.3389/fenvs.2021.809995 Brungard, C. W., Boettinger, J. L., Duniway, M. C., Wills, S. A., & Edwards Jr, T. C. (2015). Machine learning for predicting soil classes in three semi-arid landscapes. Geoderma, 239(1), 68-83. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2014.09.019 Cavazzi, S., Corstanje, R., Mayr, T., Hannam, J., & Fealy, R. (2013). Are fine resolution digital elevation models always the best choice in digital soil mapping?. Geoderma, 195(1), 111-121. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2012.11.020 Chaney, N. W., Wood, E. F., McBratney, A. B., Hempel, J. W., Nauman, T. W., Brungard, C. W., & Odgers, N. P. (2016). POLARIS: A 30-meter probabilistic soil series map of the contiguous United States. Geoderma, 274(15), 54-67. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2016.03.025 Conrad, O., Bechtel, B., Bock, M., Dietrich, H., Fischer, E., Gerlitz, L., ... & Böhner, J. (2015). System for automated geoscientific analyses (SAGA) v. 2.1. 4. Geoscientific Model Development, 8(7), 1991-2007. Dane, J. H., & Topp, C. G. (Eds.). (2020). Methods of soil analysis, Part 4: Physical methods (Vol. 20). John Wiley & Sons. Dormann, C. F., Elith, J., Bacher, S., Buchmann, C., Carl, G., Carré, G., & Lautenbach, S. (2013). Collinearity: a review of methods to deal with it and a simulation study evaluating their performance. Ecography, 36(1), 27-46. https://doi.org/10.1111/j.1600-0587.2012.07348.x Duan, M., & Zhang, X. (2021). Using remote sensing to identify soil types based on multiscale image texture features. Computers and Electronics in Agriculture, 187(1), 106272. http://dx.doi.org/10.1016/j.compag.2021.106272 Esfandiarpour-Boroujeni, I., Shahini-Shamsabadi, M., Shirani, H., Mosleh, Z., Bagheri-Bodaghabadi, M., & Salehi, M. H. (2020). Assessment of different digital soil mapping methods for prediction of soil classes in the Shahrekord plain, Central Iran. Catena, 193(1), 104648. https://doi.org/10.1016/j.catena.2020.104648. Gorelick, N., Hancher, M., Dixon, M., Ilyushchenko, S., Thau, D., & Moore, R. (2017). Google Earth Engine: Planetary-scale geospatial analysis for everyone. Remote sensing of Environment, 202(1), 18-27. https://doi.org/10.1016/j.rse.2017.06.031. Geological Survey of Iran, 1995. Geological Quadrangle Map. No111.Geology. (inPersian) Gallant, J. C., & Dowling, T. I. (2003). A multiresolution index of valley bottom flatness for mapping depositional areas. Water resources research, 39(12). https://doi.org/10.1029/2002WR001426. Heung, B., Hodúl, M., & Schmidt, M. G. (2017). Comparing the use of training data derived from legacy soil pits and soil survey polygons for mapping soil classes. Geoderma, 290, 51-68. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2016.12.001. Heung, B., Ho, H. C., Zhang, J., Knudby, A., Bulmer, C. E., & Schmidt, M. G. (2016). An overview and comparison of machine-learning techniques for classification purposes in digital soil mapping. Geoderma, 265, 62-77. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2015.11.014. Jamali, A., Mahdianpari, M., Mohammadimanesh, F., & Homayouni, S. (2022). A deep learning framework based on generative adversarial networks and vision transformer for complex wetland classification using limited training samples. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 115, 103095. https://doi.org/10.1016/j.jag.2022.103095. Jafari, A., Khademi, H., Finke, P. A., Van de Wauw, J., & Ayoubi, S. (2014). Spatial prediction of soil great groups by boosted regression trees using a limited point dataset in an arid region, southeastern Iran. Geoderma, 232, 148-163. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2014.04.029. Jiang, Z. D., Owens, P. R., Zhang, C. L., Brye, K. R., Weindorf, D. C., Adhikari, K., & Wang, Q. B. (2021). Towards a dynamic soil survey: Identifying and delineating soil horizons in-situ using deep learning. Geoderma, 401, 115341. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115341. Jensen, J. R. 2015. Introductory digital image processing: a remote sensing perspective (No. Ed. 4). Prentice-Hall Inc. Kuhn, M., Wing, J., Weston, S., Williams, A., Keefer, & C., Engelhardt, A., Team, R. C. (2020). Package ‘caret’. The R Journal, 223, 7. Kwak, G. H., Park, C. W., Lee, K. D., Na, S. I., Ahn, H. Y., & Park, N. W. (2021). Potential of hybrid CNN-RF model for early crop mapping with limited input data. Remote Sensing, 13(9), 1629. https://doi.org/10.3390/rs13091629. Lin, X., Li, C., Zhang, Y., Su, B., Fan, M., & Wei, H. (2017). Selecting feature subsets based on SVM-RFE and the overlapping ratio with applications in bioinformatics. Molecules, 23(1), 52:1-10. https://doi.org/10.3390/molecules23010052. Maynard, J. J., Salley, S. W., Beaudette, D. E., & Herrick, J. E. (2020). Numerical soil classification supports soil identification by citizen scientists using limited, simple soil observations. Soil Science Society of America Journal, 84(5), 1675-1692. https://doi.org/10.1002/saj2.20119. McBratney, A. B., Santos, M. M., & Minasny, B. (2003). On digital soil mapping. Geoderma, 117(1-2), 3-52. https://doi.org/10.1016/S0016-7061(03)00223-4 Mirakzehi, K., Pahlavan-Rad, M. R., Shahriari, A., & Bameri, A. (2018). Digital soil mapping of deltaic soils: A case of study from Hirmand (Helmand) river delta. Geoderma, 313, 233-240. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.10.048. Miller, B. A., Koszinski, S., Wehrhan, M., & Sommer, M. (2015). Impact of multi-scale predictor selection for modeling soil properties. Geoderma, 239, 97-106. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2014.09.018. Mousavi, S. R., Sarmadian, F., & Rahmani, A. (2020). Modelling and Prediction of Soil Classes Using Boosting Regression Tree and Random Forests Machine Learning Algorithms in Some Part of Qazvin Plain. Iranian Journal of Soil and Water Research, 50(10), 2525-2538. https://doi: 10.22059/ijswr.2019.280905.668198. Mousavi, S. R., Sarmadian, F., Omid, M., & Bogaert, P. (2022). Three-dimensional mapping of soil organic carbon using soil and environmental covariates in an arid and semi-arid region of Iran. Measurement, 201, 111706. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2022.111706. Neyestani, M., Sarmadian, F., Jafari, A., Keshavarzi, A., & Sharififar, A. (2021). Digital mapping of soil classes using spatial extrapolation with imbalanced data. Geoderma Regional, 26, e00422. https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2021.e00422. Nguyen, T. T., Pham, T. D., Nguyen, C. T., Delfos, J., Archibald, R., Dang, K. B., ... & Ngo, H. H. (2022). A novel intelligence approach based active and ensemble learning for agricultural soil organic carbon prediction using multispectral and SAR data fusion. Science of the Total Environment, 804, 150187. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.150187. Ng, W., Minasny, B., Montazerolghaem, M., Padarian, J., Ferguson, R., Bailey, S., & McBratney, A. B. (2019). Convolutional neural network for simultaneous prediction of several soil properties using visible/near-infrared, mid-infrared, and their combined spectra. Geoderma, 352, 251-267. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.06.016. Padarian, J., Minasny, B., & McBratney, A. B. (2019). Using deep learning to predict soil properties from regional spectral data. Geoderma Regional, 16, e00198. https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2018.e00198. Padarian, J., Minasny, B., & McBratney, A. B. (2019). Using deep learning for digital soil mapping. Soil, 5(1), 79-89. https://doi.org/10.5194/soil-5-79-2019. Rad, M. R. P., Toomanian, N., Khormali, F., Brungard, C. W., Komaki, C. B., & Bogaert, P. (2014). Updating soil survey maps using random forest and conditioned Latin hypercube sampling in the loess derived soils of northern Iran. Geoderma, 232, 97-106. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2014.04.036. Rahmani, A., Sarmadian, F., Mousavi, S. R., & Khamoshi, S. E. (2019). Digital soil mapping using geomorphometric analysis and case-based fuzzy logic approach. The International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 42, 863-866. Qazvin synoptic station, metrological data from 1970-2019. Iranian metrological organization. (inPersian) Shi, T., & Xu, H. (2019). Derivation of tasseled cap transformation coefficients for Sentinel-2 MSI at-sensor reflectance data. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 12(10), 4038-4048. https://doi.org/10.1109/JSTARS.2019.2938388. Shi, J., Yang, L., Zhu, A. X., Qin, C., Liang, P., Zeng, C., & Pei, T. (2018). Machine‐Learning Variables at Different Scales vs. Knowledge‐based Variables for Mapping Multiple Soil Properties. Soil Science Society of America Journal, 82(3), 645-656. https://doi.org/10.2136/sssaj2017.11.0392. Schoeneberger, P. J., Wysocki, D. A., & Benham, E. C. (Eds.). (2012). Field book for describing and sampling soils. Government Printing Office. Smith, M. P., Zhu, A. X., Burt, J. E., & Stiles, C. (2006). The effects of DEM resolution and neighborhood size on digital soil survey. Geoderma, 137(1-2), 58-69. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2006.07.002. Sparks, D. L., Page, A. L., Helmke, P. A., & Loeppert, R. H. (Eds.). (2020). Methods of soil analysis, part 3: Chemical methods (Vol. 14). John Wiley & Sons. Soil Survey Staff. (2014). Keys to Soil Taxonomy, 12th ed. USDA-Natural Resources Conservation Service. Stumpf, F., Schmidt, K., Goebes, P., Behrens, T., Schönbrodt-Stitt, S., Wadoux, A., & Scholten, T. (2017). Uncertainty-guided sampling to improve digital soil maps. Catena, 153, 30-38. Taghizadeh-Mehrjardi, R., Mahdianpari, M., Mohammadimanesh, F., Behrens, T., Toomanian, N., Scholten, T., & Schmidt, K. (2020). Multi-task convolutional neural networks outperformed random forest for mapping soil particle size fractions in central Iran. Geoderma, 376, 114552. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114552. Taghizadeh-Mehrjardi, R., Minasny, B., Toomanian, N., Zeraatpisheh, M., Amirian-Chakan, A., & Triantafilis, J. (2019). Digital mapping of soil classes using ensemble of models in Isfahan region, Iran. Soil Systems, 3(2), 37. https://doi.org/10.3390/soilsystems3020037. Taghizadeh-Mehrjardi, R., Nabiollahi, K., Minasny, B., & Triantafilis, J. (2015). Comparing data mining classifiers to predict spatial distribution of USDA-family soil groups in Baneh region, Iran. Geoderma, 253, 67-77. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2015.04.008. Tziolas, N., Tsakiridis, N., Ben-Dor, E., Theocharis, J., & Zalidis, G. (2020). Employing a multi-input deep convolutional neural network to derive soil clay content from a synergy of multi-temporal optical and radar imagery data. Remote Sensing, 12(9), 1389. https://doi.org/10.3390/rs12091389. Van Wambeke, A. R. (2000). The Newhall Simulation Model for estimating soil moisture & temperature regimes. Conservation Service: Department of Crop and Soil Sciences Cornell University, Ithaca, NY USA. http://www.bfenvironmental.com/pdfs/nsmt.pdf. Wadoux, A. M. C. 2019. Using deep learning for multivariate mapping of soil with quantified uncertainty. Geoderma, 351, 59-70. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.05.012. Yang, L., Cai, Y., Zhang, L., Guo, M., Li, A., & Zhou, C. (2021). A deep learning method to predict soil organic carbon content at a regional scale using satellite-based phenology variables. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 102, 102428. https://doi.org/10.1016/j.jag.2021.102428. Yang, J., Wang, X., Wang, R., & Wang, H. (2020). Combination of Convolutional Neural Networks and Recurrent Neural Networks for predicting soil properties using Vis–NIR spectroscopy. Geoderma, 380, 114616. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114616. Yan, Y., Kayem, K., Hao, Y., Shi, Z., Zhang, C., Peng, J., & Li, B. (2022). Mapping the Levels of Soil Salination and Alkalization by Integrating Machining Learning Methods and Soil-Forming Factors. Remote Sensing, 14(13), 3020. https://doi.org/10.3390/rs14133020. Zhang, J., Tian, H., Wang, P., Tansey, K., Zhang, S., & Li, H. (2022). Improving wheat yield estimates using data augmentation models and remotely sensed biophysical indices within deep neural networks in the Guanzhong Plain, PR China. Computers and Electronics in Agriculture, 192, 106616. https://doi.org/10.1016/j.compag.2021.106616. Zeraatpisheh, M., Ayoubi, S., Jafari, A., & Finke, P. (2017). Comparing the efficiency of digital and conventional soil mapping to predict soil types in a semi-arid region in Iran. Geomorphology, 285, 186-204. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2017.02.015. Zinck, J. A., Metternicht, G., Bocco, G., & Del Valle, H. F. (Eds.). (2015). Geopedology: An integration of geomorphology and pedology for soil and landscape studies. Springer. | ||
آمار تعداد مشاهده مقاله: 280 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 297 |