ارزیابی کارایی همدوسی تداخل سنجی راداری به منظور تعیین نوع کشت اراضی کشاورزی با استفاده از یادگیری ماشین

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری سنجش از دور و GIS، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تهران، ایران

2 دانشیار گروه سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی، دانشگاه تربیت مدرس

3 گروه سنجش ازدور و سیستم اطلاعات جغرافیایی، دانشکده علوم انسانی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

چکیده مبسوط

مقدمه

استفاده بهینه از زمین‌های کشاورزی یکی از دغدغه‌های مسئولان است چرا که کشاورزی از نظر اشتغال‌زایی، ارزآوری، تامین امنیت غذایی کشور و وابستگی کمتر به ارز خارجی از اهمیت بالایی برخوردار است. به دست آوردن اطلاعات مربوط به الگوی توزیع مکانی و سطح زیر کشت محصولات زراعی می‌تواند به استفاده کارامد از آنها کمک ‌کند. از جمله روش‌های مناسب، به منظور حصول اطلاعات در مورد سطح زیرکشت محصولات زراعی، بهره‌گیری از تصاویر ماهواره‌ای است. حوزه سنجش‌از‌دور با قابلیت ارائه تصاویر دارای قدرت تفکیک‌های مناسب و همچنین پوشش مکانی و زمانی وسیع، به رویکردی غالب جهت استخراج سطح زیرکشت و پایش محصولات زراعی تبدیل شده است. یکی از داده‌های سنجش از دوری که اخیراً در حوزه نقشه‌برداری نوع محصول زراعی مورد توجه قرار گرفته، تصاویر همدوسی تداخل‌سنجی رادار دریچه مصنوعی است که به دلیل حساسیت بالا به ساختار محصولات زراعی، کمک زیادی به نظارت و نقشه‌برداری آن‌ها می‌کند. مطالعات بسیاری در این حوزه انجام شده است که تمرکز آنها بیشتر بر ارزیابی قابلیت داده‌های همدوسی در شناخت مراحل فنولوژیکی محصولات زراعی مختلف بوده است. نقشه-برداری محصولات زراعی با استفاده از داده‌های همدوسی و قابلیت‌های یادگیری ماشین تا کنون چندان مورد توجه قرار نگرفته است. از این رو بهره‌گیری از این رویکردها می‌تواند در درک بهتر کارایی داده‌های همدوسی و قابلیت‌های آنها بسیار کارساز باشد.

روش‌شناسی

هدف اصلی مطالعه حاضر، ارزیابی کارایی داده‌های همدوسی مبتنی بر یادگیری ماشین به منظور نقشه‌برداری نوع محصول زراعی است. بدین منظور یک سری زمانی یک‌ساله برای سال زراعی 1398 (2019 میلادی) از داده‌های همدوسی دارای اطلاعات فاز ماهواره سنتینل -1 برای بخشی از اراضی دشت اردبیل واقع در غرب و شمال‌غرب شهر اردبیل تهیه گردید. در این راستا زنجیره‌ای از جفت تصاویر راداری با خط مبناهای مکانی و زمانی کوتاه جهت تولید داده‌های همدوسی استفاده شد. داده‌های میدانی از 1358 قطعه زمین با محصولات مختلف برداشت شد. در مرز قطعات زراعی یک حریم 10 متری برای جلوگیری از پیکسل‌های مخلوط در نظر گرفته شد. در مجموع 156026 پیکسل از تصاویر همدوسی برای نمونه، برداشت و به صورت تصادفی به سه دسته آموزشی (70%)، اعتبارسنجی (15%) و آزمایشی (15%) تقسیم شد. به منظور انتخاب بازه زمانی مناسب برای استفاده از تصاویر همدوسی، پاسخ فنولوژیکی محصولات به همدوسی تحلیل شد. در بازه زمانی انتخابی، سیگنال‌های فنولوژیکی محصولات مورد بررسی با سیگنا‌ل‌های مناطق شاهد ساخته‌شده و خاک لخت مقایسه شد تا از عدم اختلاط آنها اطمینان حاصل گردد. بدین ترتیب داده-های همدوسی چندزمانه در بازه انتخابی به‌عنوان ورودی طبقه‌بندی‌کننده ماشین بردار پشتیبان با کرنل‌های مختلف، جهت تفکیک و شناسایی نوع محصولات زراعی استفاده شدند.

نتایج

بررسی مقادیر سری زمانی همدوسی در مناطق شاهد انتخابی حاکی از تمایز رفتار همدوسی محصولات زراعی مختلف در مقایسه با هم و همچنین نسبت به مناطق ساخته‌شده و خاک لخت است. بر این اساس داده‌های همدوسی انطباق خوبی با مراحل فنولوژیکی اصلی محصولات زراعی نشان می‌دهند. از میان کرنل‌های مختلف طبقه‌بندی‌کننده ماشین بردار پشتیبان ، کرنل تابع پایه شعاعی بالاترین میزان صحت کلی برابر با 69/59 درصد را با ترکیب مختلفی از پارامترهای c و گاما در مرحله اعتبارسنجی به دست داد. صحت کلی نقشه‌ نوع محصول زراعی تولید‌شده با استفاده از طبقه‌بندی‌کننده ماشین بردار پشتیبان و کرنل تابع پایه شعاعی، در مرحله آزمایش برابر با 6/60 درصد است که بهترین عملکرد را در شناسایی گندم و بدترین را برای یونجه داشته است. صحت کاربر برای گیاهان گندم و سیب‌زمینی بالاتر و برای گیاهان ذرت، باقلا و یونجه پایین‌تر است.

نتیجه گیری

به طور کلی می‌توان گفت تصاویر همدوسی اطلاعات ارزشمندی به‌منظور شناسایی و تفکیک محصولات زراعی ارائه می‌دهند. استفاده از قابلیت‌های یادگیری ماشین می‌تواند در پایش و تفکیک انواع محصولات زراعی به داده‌های همدوسی کمک کند. در این راستا عواملی نظیر تعداد نمونه‌های آموزشی هر محصول، تعداد ویژگی‌های همدوسی، استفاده از داده‌های مکمل، اختلاف منظر سنجنده (خط‌مبنای مکانی)، ویژگی‌های توپوگرافیکی (شیب و جهت)، فاصله زمانی بین تصاویر رادار و نوع الگوریتم طبقه‌بندی تصویر، کارایی تصاویر همدوسی و طبقه‌بندی‌کننده را تحت تاثیر قرار می‌دهند که بایستی مورد توجه قرار گیرند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluating the efficiency of InSAR coherence in crop type mapping using machine learning

نویسندگان [English]

  • Fatemeh Amiri 1
  • Ali Shamsoddini 2
  • Mohamad Sharifikia 3
1 PhD student, Department of Remote Sensing and GIS, Faculty of Geography, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Associate professor, Department of Remote Sensing and GIS, Tarbiat Modares University
3 Department of Remote Sensing and GIS, Faculty of Humanities, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Introduction

The optimal use of agricultural land is a key concern for authorities due to agriculture's significant role in job creation, foreign exchange earnings, ensuring food security, and reducing reliance on imports. Gathering information about the spatial distribution and cultivated areas of various crops can enhance their efficient usage. One effective method for obtaining this information is through satellite imagery. Remote sensing technology, with its ability to provide high-resolution images and extensive spatial and temporal coverage, has become a dominant approach for crop type mapping. One of the remote sensing data that has recently received attention in the field of crop type mapping is the interferometric coherence images of synthetic aperture radar (InSAR). The sensitivity of these images to crop’s structure, making them valuable for monitoring and mapping crop types. Many studies have focused on assessing the ability of coherence data to identify the phenological stages of different crops. However, the combination of coherence data and machine learning techniques for crop type mapping has not received significant attention. Therefore, leveraging these innovative approaches can significantly enhance our understanding of the effectiveness of coherence data and its capabilities in crop monitoring.

Methodology

The main objective of this study is to evaluate the efficiency of machine learning-based InSAR coherence data for crop type mapping. To achieve this, a one-year time series of Synthetic Aperture Radar (SAR) data was compiled from Sentinel-1 phase information for the 2019 crop year, for the Ardabil plain, located to the west and northwest of Ardabil city. A network of SAR image pairs with short spatial and temporal baselines was created to produce coherence data. Field data were collected from 1,358 fields containing various crops. To avoid mixed pixels, a 10-meter buffer was established around the edges of each crop field. A total of 156,026 pixels from the coherence images were sampled and randomly divided into three groups: training (70%), validation (15%), and test (15%). To select the appropriate time interval for using coherence images, the phenological response of the crops to the InSAR coherence was analyzed. During the time interval, the phenological signals of the studied crops were compared with the signals of the built-up areas and bare soil to ensure that they were not mixed. Consequently, the multi-temporal InSAR coherence values in the selected time interval were used as input to the Support Vector Machine (SVM) classifier with different kernels to distinguish and identify the type of crops.



Result

The study of the coherence time series values in the selected control areas revealed distinct differences in the coherence behavior of various crops when compared to one another, as well as in comparison to both built-up and bare soil areas. The InSAR coherence data match well with the main phenological stages of the crops. Among the different SVM kernels tested, the radial basis function (RBF) kernel achieved the highest overall accuracy of 59.69% during the validation phase, utilizing various combinations of the parameters c and gamma. In the testing phase, the crop type map produced using the SVM classifier with the RBF kernel reached an overall accuracy of 60.6%. This model performed best in identifying wheat and least effectively in identifying alfalfa. User accuracy was notably higher for wheat and potato plants, while it was lower for corn, broad bean, and alfalfa.

Conclusion

Coherence images offer valuable insights for identifying and classifying crops. Leveraging machine learning techniques can enhance the utility of coherence data in monitoring and categorizing different crop types. Several factors influence the effectiveness of coherence images and the performance of classification algorithms, including the number of training samples available for each crop, the number of coherence features, the use of complementary data, sensor parallax (spatial baseline), topographical features (slope and aspect), the temporal resolution, and the classification algorithm. These characteristics should be carefully considered to optimize the analysis.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Crop type mapping
  • Support Vector Machine
  • Radar interferometry
  • Coherence
  • Sentinel-1