مروری: داده گواری سنجش از دور در کالیبراسیون مدلهای رشد محصول: با تاکید بیشتر بر روشهای تحلیل حساسیت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی، دانشکده جغرافیا و علوم محیطی، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران

2 Image Processing Laboratory (IPL), University of Valencia, C/Catedrático José Beltrán 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain

چکیده

مقدمه: مدل‌های رشد محصول، ابزارهای مناسبی برای درک و پیش‌بینی تعاملات بین رشد محصول، شرایط محیطی و شیوه‌های مدیریت اراضی مانند آبیاری هستند ( Li et al., 2023). مدل‌های رشد محصول شامل چندین مرحله و پارامتر محاسباتی به همراه شرایط آب و هوایی، خاک، گیاه، مدیریت، دما، شوری، حاصلخیزی و تنش آبی هستند (Akbari et al., 2024b). این عوامل می‌توانند کالیبراسیون مدل را به طور قابل توجهی به چالش بکشند، حتی به طور بالقوه منجر به عدم قطعیت در نتایج شوند ((Guo et al., 2019.

برای اجرای موفقیت‌آمیز یک مدل شبیه‌سازی محصول، باید با پارامترهای دقیق مدل بر اساس شرایط محلی خاک، آب و هوا، شیوه‌های مدیریتی و سایر پارامترهای conservative/non-conservative که اندازه‌گیری آنها به صورت محلی ممکن است دشوار باشد، کالیبره شود (Shan et al., 2021). برای پرداختن به این چالش، به استراتژی داده‌گواری سنجش از دور نیاز است که داده‌های مشاهده‌شده را برای کالیبره کردن پارامترهای مدل در نظر بگیرد. این استراتژی تفاوت بین داده‌های مشاهده ‌شده و متغیرهای حالت شبیه‌سازی‌شده توسط مدل رشد محصول را به حداقل می‌رساند و سپس پارامترهای مدل را تخمین می‌زند (Hoefsloot et al., 2012). داده‌گواری محصولات ماهواره و تغییرپذیری مکانی آنها به صورت پیکسل در هر مزرعه در چنین مدل‌هایی می‌تواند تا حدودی عدم قطعیت‌های ناشی از فرض همگنی در مزارع را برطرف کند (Jin et al., 2017).

بنابراین، کالیبره کردن یک مدل رشد محصول برای موقعیت مکانی و شرایط کشاورزی یک منطقه می‌تواند ابزاری قدرتمند برای توسعه استراتژی‌های مؤثر مدیریت آب باشد که تولید را افزایش داده و مصرف آب را به حداقل می‌رساند (Hsiao et al., 2009). علاوه بر این، کالیبره کردن مدل‌های رشد محصول در مقیاس مکانی فراتر از یک مزرعه منفرد، لازم است عدم قطعیت‌های مربوط به داده‌های ورودی کاهش یابد تا کمبود اطلاعات در مورد مدیریت زمین و ساختار مدل در نظر گرفته شود. برای مقابله با این محدودیت‌ها (به عنوان مثال، کمبود داده‌ها و عدم قطعیت)، روش عملی ساده‌سازی مدل‌های رشد محصول با پارامترها و داده‌های مورد نیاز کمتر است. بنابراین، برای دستیابی به کالیبراسیون دقیق‌تر و بهینه مدل، یا به عبارت دیگر، اعمال تحلیل حساسیت (SA) ضروری است (Silvestro et al., 2017).

مواد و روشها: در این مطالعه، نقش تحلیل حساسیت (SA) را در کالیبراسیون پارامترهای مدل به عنوان بخشی از داده‌گواری داده‌های ماهواره‌ای در مدل‌های رشد محصول با هدف بهبود دقت شبیه‌سازی‌های رشد محصول و تخمین عملکرد بررسی می‌کند. کالیبراسیون شامل تنظیم پارامترهای مدل با هدف به حداقل رساندن اختلافات بین متغیرهای مشاهده شده و شبیه‌سازی‌های مدل است. بدون شک، انتخاب روش کالیبراسیون برای بهینه‌سازی پارامترهای مدل محصول به مدل خاص بستگی دارد و نیاز به آگاهی در مورد تأثیرگذارترین و حساس‌ترین پارامترهای آن دارد، که می‌توان آن را با SA تعریف کرد. در این راستا، با هدف بهینه‌سازی دادهگواری جریان‌های داده محصولات ماهواره‌ای در مدل‌سازی رشد محصول، شناسایی حساس‌ترین پارامترهای مدل و پارامترهایی که می‌توانند ثابت در نظر گرفته شوند، ضروری است. محدود کردن پارامترهای ورودی به ویژه هنگام کالیبراسیون مدل‌ها برای مکان‌های مطالعه خاص، افزونگی و عدم قطعیت را کاهش می‌دهد. در این تحقیق، تکنیک‌های مختلف SA قابل اجرا در مدل‌های رشد محصول، بررسی میشود و به خوانندگان در انتخاب بهترین روش SA برای رفع نیازهایشان کمک می‌کند.

نتایج و بحث: این مطالعه نشان می‌دهد که روش‌های SA سراسری عمدتاً در کالیبراسیون مدل رشد محصول به کار می‌روند، به ویژه هنگامی که داده‌گواری محصولات ماهواره‌ای در مدل انجام شده‌اند. به عنوان یک روند کلی در مطالعات بررسی شده، مدل EFAST از نظر استفاده و دقت، عملکرد بهتری نسبت به Sobol دارد. در مواردی که پیچیدگی زیاد است، پیشنهاد می‌شود از روش موریس برای غربالگری پارامترها در ترکیب با مدل EFAST استفاده شود تا پیچیدگی محاسباتی کاهش یابد و موثرترین پارامترها با دقت نسبتاً بالا مشخص شوند. علاوه بر این، این مطالعه مروری نشان می‌دهد که ترکیب، یعنی ترکیب روش‌های SA سراسری موریس و EFAST از سایر روش‌های SA در کارایی محاسبه و دقت شناسایی پارامترهای تاثیرگذارتر، بهتر عمل می‌کند. چنین استراتژی‌های ترکیبی در یافتن پارامترهای تاثیرگذار برتری دارند، که می‌تواند منجر به کالیبراسیون دقیق و به نوبه خود، شبیه‌سازی‌های دقیق‌تر مدل رشد محصول شود.

نتیجه‌گیری: نتیجه گرفته میشود که ترکیبی از روش‌های سراسری SA، انتخاب مناسبی برای غلبه بر چالش‌ها و محدودیت‌های هر تکنیک و کاهش پیچیدگی‌های محاسباتی هنگام وارد کردن و داده‌گواری داده‌های ماهواره‌ای به مدل‌های رایج رشد محصول است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Review: Satellite Data Assimilation in Calibration of Crop Growth Model, more Emphasize on Sensitivity Analysis Techniques

نویسندگان [English]

  • Elahe Akbari 1
  • Jochem Verrelst 2
1 Department of Remote sensing and Geographic Information System, Faculty of Geography and Environmental sciences, Hakim sabzevari University, Sabzevar, Iran
2 2Image Processing Laboratory (IPL), University of Valencia, C/Catedrático José Beltrán 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
چکیده [English]

Introduction: Crop growth models are convenient tools for understanding and predicting the interactions between crop growth, environmental conditions, and land management practices such as irrigation (Servin-Palestina et al., 2022; Li et al., 2023). The crop models comprise several computational stages and parameters along with climate, soil, crop, management, temperature, salinity, fertility, and water stress conditions (Akbari et al., 2024b). These factors can significantly challenge model calibration, even potentially leading to uncertainties in the results (Guo et al., 2019).

To successfully run a crop simulation model, the selected model needs to be calibrated with accurate crop model parameters based on local soil conditions, weather, management practices, and other conservative/non-conservative parameters that may be difficult to measure locally (Shan et al., 2021). To address this challenge, it demands a spatially explicit data assimilation strategy that incorporates the observed data to calibrate the model parameters. It minimizes the difference between observed data and the state variables simulated by the crop growth model and then estimates the model parameters (Hoefsloot et al., 2012). The assimilation of the satellite-derived products and their spatial variability as pixels in each farm into such models can, to some extent, resolve the uncertainties introduced by the assumption of homogeneity in croplands (Hoefsloot et al., 2012; Jin et al., 2017).

Calibrating a crop growth model for the specific location and agricultural conditions of a region can thus be a powerful tool for developing effective water management strategies that enhance production while minimizing water consumption (Hsiao et al., 2009). Furthermore, when calibrating crop growth models on a spatial scale beyond an individual farm, it is necessary to reduce the uncertainties related to input data to account for the lack of information about land management and the structure of the model. To cope with these limitations (e.g., data scarcity, uncertainty), the pragmatic practice seeks to simplify crop growth models with fewer parameters and data requirements. It is therefore necessary to determine the minimum number of effective parameters in each of the crop growth models to achieve a more accurate and optimal model calibration, or, in other words, apply a sensitivity analysis (SA) (Silvestro et al., 2017).

Material and methods: This study examines the critical role of sensitivity analysis (SA) in model parameter calibration as a part of assimilating satellite data into crop growth models with the purpose of improving the accuracy of crop growth simulations and yield estimation. Calibration involves adjusting model parameters with the purpose of minimizing discrepancies between observed variables and model simulations. Undoubtedly, the choice of the calibration method for optimizing crop model parameters depends on the specific model and requires knowledge of its most influential and sensitive parameters, as can be defined by SA. In this light, aiming for optimizing assimilation of data streams of satellite products in crop growth modeling, it is indispensable to identify the most sensitive model parameters and those that can be fixed. Restricting input parameters reduces redundancy and uncertainty, particularly when calibrating models for specific study sites. This review explores the diversity of SA techniques applicable to crop growth models, aiding readers in choosing the best SA method for their needs.

Results and discussion: The study reveals that global SA methods are predominantly employed in crop growth model calibration practices, especially when data streams of satellite products have been assimilated into the model. As a general trend in the reviewed studies, the EFAST model tends to outperform Sobol in use and accuracy. In cases where complexity is high, it is suggested to use the Morris method for screening parameters in combination with applying the EFAST model to reduce computational complexity and crystallize the most effective parameters at relatively high accuracies. Furthermore, this review study shows the ensemble, i.e., combination, of global SA methods Morris and EFAST outperforms other SA methods in calculation efficiency and in precision of identifying driving parameters. Such ensemble strategies excel in finding the driving parameters, which can lead to fine-tuned calibration and, in turn, to more precise crop growth model simulations.

Conclusion: We conclude that an ensemble of global SA methods is an appropriate choice for overcoming the challenges and limitations of each technique and reducing the computational complexities when introducing satellite data assimilation into common crop growth models.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Keywords: Crop growth models
  • Sensitivity analysis
  • Satellite Data Assimilation
  • Calibration
  • Ensemble strategy