بازسازی داده های دمای سطح زمین سنجنده‌ی ECOSTRESS با استفاده از یادگیری عمیق و رگرسیون بردار پشتیبان (مطالعه موردی: آبخیزهای بار-اریه و لتیان)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد علوم و مهندسی آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی و علوم دریایی دانشگاه تربیت مدرس

2 استادیار، گروه مهندسی آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تربیت مدرس

3 دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

دمای سطح زمین یک متغییر کلیدی در برنامهریزی ناحیهای و منطقهای میباشد باتوجه به اهمیت دمای سطح زمین در مطالعات تغییرات اقلیمی، مدل‌سازی هیدرولوژیکی‌، نظارت بر پوشش گیاهی، جزیره گرمای شهری، توسعه‌ی شهری،گرمایش جهانی، شرایط کشاورزی و همچنین تأثیر آن بر نرخ و زمان رشد گیاهان پارامتر ورودی به اکثر مدل‌ها است؛ هرچه دقت تخمین این متغیر بالاتر باشد خروجی مدل‌ نیز همراه با دقت بالاتری خواهد بود؛ بنابراین مطالعه بهینه و مناسب تغییرات مکانی و زمانی دمای سطح زمین در شرایط جوی و آب و هوایی متفاوت ضروری است.با توجه به محدودیت ایستگاههای هواشناسی، سنجش از دور میتواند به عنوان پایه و اساس بسیاری از دادههای هواشناسی مورد استفاده قرار گیرد. دمای سطح زمین در تصاویر ماهواره‌ای شامل میانگین دمای پیکسلی است که پوشش دهنده بخشی از سطح زمین بوده و بر اساس انرژی رسیده به سنجنده (رادیانس) در باند حرارتی محاسبه می شود. از این رو عدم وجود قدرت تفکیک زمانی و مکانی بالا‌ی داده‌های ماهواره‌ای به‌طور همزمان یک چالش اساسی در بررسی و تخمین متغیر دما مطرح می‌گردد. در این مطالعه سعی شد با استفاده از روش یادگیری عمیق و یادگیری ماشین، از تصاویر ماهواره‌ای MODIS، VIIRS و ECOSTRESS استفاده و نقشه‌های روزانه دمای سطح زمین سنجنده‌ی ECOSTRESS با قدرت تفکیک مکانی 70 متر در زمان‌های فاقد داده در آبخیز بار-اریه نیشابور استان خراسان رضوی و آبخیز سد لتیان در استان تهران تولید گردد. مدل‌های مورد استفاده در پژوهش شامل مدل SVR به‌عنوان یک مدل محبوب یادگیری ماشین در زمینه‌های پیش‌بینی و رگرسیون و مدل LSTM یکی از قوی‌ترین مدل‌های یادگیری عمیق در حوزه پردازش سری ‌های زمانی می‌باشند. برای این منظور سه جفت تاریخ برای هرحوضه (شش تاریخ) انتخاب شد. تصاویر هر جفت داده به طور همزمان دراختیار مدل‌ها قرار گرفتند. درنهایت با استفاده از آماره‌های RMSE، 〖 R〗^2و NRMSE عملکرد هر مدل در هر تاریخ مورد ارزیابی قرار گرفت. بررسی ضرایب RMSE ،〖 R〗^2 و NRSME مربوط به مدل LSTM و SVR برای هر دو منطقه نشان‌دهنده‌ی برتری عملکرد مدل LSTM بود. بهترین نتیجه RMSE ،〖 R〗^2 و NRMSE حاصل از مدل LSTM برای آبخیز بار-اریه در تاریخ‌های 17 ژوئن 2020 به ترتیب 81/1 درجه سانتی‌گراد، 66/0 و 94/11 درصد و در حوزه آبخیز لتیان برای تاریخ 28 ژوئن 2019 به ترتیب حدود 61/1 درجه سانتی‌گراد، 83/0 و 65/8 درصد بود. مدل LSTM با توجه به ساختار، ویژگی‌های خود و به‌عنوان یک مدل یادگیری عمیق قوی با استخراج ویژگی از درون داده‌های خام با درنظر گرفتن ماهیت سری زمانی بودن داده‌ها توانست بر پیچیدگی‌های فرآیند تحت مدل‌سازی غلبه نماید.ذکر این نکته ضروری است که با درنظرگرفتن پیچیدگی فرآیند و متنوع بودن عوامل موثر بر دمای سطح زمین نتایج به‌دست آمده از دقت و صحت قابل قبولی برخوردار هستند. بازسازی و پیش‌بینی دمای سطح زمین برای 3 الی4 روز بعد انجام شده است (با توجه به فاصله زمانی بین دو تصویر متوالی ECOSTRESS). تنوع و جزئیات رویدادهایی که در این زمان می‌تواند رخ دهد گواهی دیگر بر مناسب بودن نتایج و کارایی مدل‌ LSTM است. بررسی نتایج و مقادیر R^2 به‌عنوان یک معیار استاندارد برای ارزیابی تحلیل‌های رگرسیون، و نیز مقادیر RMSE و NRMSE نشان‌ از برتری مدل LSTM در بازسازی مقادیر دمای سطح زمین ECOSTRESS می‌باشد. با توجه به دامنه تغییرات و مولفه‌های موثر، دمای سطح زمین در تاریخ‌های مورد بازسازی بین صفر تا بعضا نزدیک به 35 درجه سانتیگراد تغییر نمود، مقدار RMSE (نشان دهنده متوسط خطای مدل) برای مدل LSTM بین حدود 1.5 تا 3 درجه سانتیگراد بوده که قابل قبول و مناسب به نظر می‌رسد. مقادیر نرمال شده RMSE یا همان NRMSE نیز در اغلب تاریخ‌ها بین 8 تا 17 درصد بوده که در مدل‌سازی‌های محیطی با توجه به پیچیدگی‌های بالای فرآیندها مقادیر قابل قبولی می‌باشند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Reconstruction of ECOSTRESS Land Surface Temperature Using Deep Learning and Support Vector regression (Case study: Bar-Arieh and Latian watersheds)

نویسندگان [English]

  • Forough Ahmadinezhad Baghban 1
  • Vahid Moosavi 2
  • Hamid Reza Moradi 3
1 M.Sc. student, department of watershed management engineering, faculty of natural resources and marine sciences, Tarbiat Modares University
2 Assistant Professor, Department of Watershed Management Engineering, Faculty of Natural Resources, Tarbiat Modares University (TMU),
3 UniversityFaculty of Natural Resources in Tarbiat Modares
چکیده [English]

Land surface temperature plays a crucial role in regional planning as it serves as a key parameter for various environmental applications, agriculture, meteorology, and other projects. Given the constraints of traditional meteorological stations, remote sensing technology emerges as a valuable tool for obtaining meteorological data. Surface temperature captured in satellite imagery represents the average temperature of a specific area on Earth, calculated by analyzing the energy detected by the sensor (radiance) within the thermal band. This data holds significance across scientific endeavors and facilitates comprehensive analysis and planning processes. Land surface temperature plays a pivotal role in determining the quality of water, soil, vegetation, and watershed health. Therefore, studying the spatial and temporal changes in the land surface temperature under various atmospheric and climatic conditions is essential. Remote sensing has emerged as a powerful tool for monitoring these changes. However, the limited temporal and spatial resolution in satellite data presents a significant challenge when analyzing and estimating temperature variables. In this study, the main aim was to tackle this challenge by leveraging deep learning and machine learning techniques. Specifically, the MODIS, VIIRS, and ECOSTRESS satellite images were used simultaneously to produce daily maps of land surface temperature with a spatial resolution of 70 meters in the Bar-Arieh watershed in Neishabur, Razavi Khorasan province and the Letian Dam watershed in Tehran province during periods with unavailable data. The models employed in this study are highly effective and extensively utilized in environmental modeling applications. The Support Vector Regression (SVR) model stands out as a robust machine learning algorithm, while the Long Short-Term Memory (LSTM) model is recognized as a dominant deep learning model known for its efficacy in various environmental modeling tasks. To accomplish this, we selected three pairs of dates for each basin, resulting in a total of six dates. The images from each pair were imported into the models. Subsequently, we assessed the performance of each model on each date using RMSE, R2, and NRMSE statistics. The findings revealed that the LSTM model outperformed the SVR model in both regions, as evidenced by lower RMSE values and NRMSE coefficients and higher R2 scores. For instance, the LSTM model produced the most accurate results for the Bar-Arieh watershed on June 17, 2020, with an RMSE of 1.81 degrees, R2 of 0.66, and NRMSE of 11.94%. Similarly, in the Latian watershed on June 28, 2019, the LSTM model achieved an RMSE of 1.61 degrees, R2 of 0.83, and NRMSE of 8.6%. The LSTM model demonstrated greater accuracy compared to the SVR model. Being a robust deep learning model, the LSTM model effectively addressed the complexities of the modeling process by extracting features from raw data and considering the time series nature of the data. Given the intricate nature of the Earth's surface temperature dynamics influenced by numerous factors, the modeling results exhibit satisfactory accuracy and precision. The forecasting of the Earth's surface temperature has been carried out for the upcoming 3 to 4 days, considering the potential complex events within this timeframe. This timeframe underscores the validity of the results and the efficacy of the utilized models. Evaluation metrics such as R-squared (R2), Root Mean Square Error (RMSE), and Normalized RMSE (NRMSE) highlight the LSTM model's capability in reconstructing ECOSTRESS land surface temperature values. The observed RMSE values falling within the range of 1.5 to 3 degrees Celsius for the LSTM model signify a commendable level of accuracy in predicting the Earth's surface temperature. Moreover, the normalized RMSE values, spanning from 8 to 17%, serve as a testament to the model's proficiency in capturing the nuanced temperature fluctuations inherent in environmental systems. These values indicate that the model's predictions typically align closely with the observed temperature data, showcasing its ability to effectively account for the complex interactions and dynamics influencing the Earth's surface temperature.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Deep learning
  • Land surface temperature
  • Machine learning
  • Remote sensing
  • Temperature modeling