نقشه‌برداری محصولات زراعی با بهره‌گیری از الگوریتم‌های یادگیری ماشین و شاخص‌های دو پلاریزه دریافتی از داده‌های چند زمانه سنتینل-۱

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه سنجش از دور و GIS، دانشکده جغرافیا، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

2 گروه سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی، دانشکده برنامه‌ریزی و علوم محیطی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

سابقه و هدف: در سال‌های اخیر، با افزایش فشار بر منابع طبیعی و نیاز به بهره‌برداری پایدار از اراضی کشاورزی، اهمیت کشاورزی دقیق به‌عنوان رویکردی کارآمد برای مدیریت هوشمند منابع بیش‌ازپیش موردتوجه قرار گرفته است. یکی از چالش‌های اساسی در این حوزه، شناسایی دقیق نوع محصولات زراعی و پایش مراحل رشد آن‌ها در مقیاس‌های زمانی و مکانی مناسب است. فناوری سنجش‌ازدور، به‌ویژه رادار با روزنه مصنوعی (SAR)، امکان استخراج اطلاعات دقیق از سطح زمین را در شرایط مختلف آب‌وهوایی فراهم می‌سازد. برخلاف داده‌های اپتیکی که وابسته به شرایط نوری و اغلب در مناطق ابری با محدودیت مواجه‌اند، داده‌های راداری از جمله تصاویر ماهواره سنتینل-1، با قابلیت تصویربرداری شبانه‌روزی و عبور از پوشش ابری، ابزاری مؤثر برای پایش اراضی کشاورزی محسوب می‌شوند. در این راستا، پژوهش حاضر باهدف بررسی قابلیت داده‌های سری زمانی راداری سنتینل-1 و قطبش‌های VV و VH به همراه شاخص‌های قطبشی مشتق‌شده از آن‌ها، در طبقه‌بندی دقیق محصولات زراعی در منطقه‌ای در حومه شهر مشهد انجام شده است. تمرکز اصلی این مطالعه بر روی ارزیابی توانایی الگوریتم‌های مختلف یادگیری ماشین در ترکیب با داده‌های راداری در جهت بهبود دقت طبقه‌بندی و شناسایی دقیق‌تر محصولات بوده است.

مواد و روش‌ها: برای انجام این تحقیق، داده‌های سری زمانی راداری سنتینل-1 در دو قطبش VV و VH مربوط به دوره زمستان 1400 تا بهار 1401 مورداستفاده قرار گرفت. منطقه موردمطالعه بخشی از اراضی کشاورزی در شهرستان مشهد است که با تنوع مناسبی از محصولات زراعی مانند گندم، نخود، یونجه و همچنین اراضی غیر زراعی مشخص می‌شود. با پردازش داده‌های راداری، چهار شاخص قطبشی مهم شامل NRPB (نسبت نویز به سیگنال پس پراکنش)، DPDD (تفاضل قطبش‌های دوبه‌دو)، IDPDD (یکپارچگی تفاضلی قطبشی) و VDDPI (شاخص تغییرات زمانی در داده‌های VV و VH) استخراج شدند که در ترکیب با داده‌های اصلی برای طبقه‌بندی مورداستفاده قرار گرفتند.

برای طبقه‌بندی محصولات، سه الگوریتم قدرتمند یادگیری ماشین شامل درخت تقویت گرادیان (XGBoost)، جنگل تصادفی (RF) و ماشین بردار پشتیبان (SVM) به کار گرفته شد. داده‌های آموزشی برای هفت کلاس تعریف‌شده در منطقه جمع‌آوری گردید و صحت طبقه‌بندی از طریق ماتریس خطا، ضریب کاپا و دقت کلی مورد ارزیابی قرار گرفت.

نتایج و بحث: نتایج حاصل از مدل‌سازی و طبقه‌بندی، که بر اساس داده‌های میدانی مرتبط با مختصات هر قطعه زمین اعتبارسنجی شد، نشان داد که الگوریتم‌های XGBoost و RF به‌طور قابل‌توجهی عملکرد بهتری نسبت به الگوریتم SVM داشتند. دقت کلی و ضریب کاپا برای مدل XGBoost به‌ترتیب 83.48٪ و 0.78، برای مدل RF به‌ترتیب 82.27٪ و 0.78 گزارش شد، درحالی‌که الگوریتم SVM دقت کلی و ضریب کاپایی برابر با 61.46٪ و 0.51 ارائه داد. این اختلاف عملکرد عمدتاً ناشی از توانایی بالاتر الگوریتم‌های مبتنی بر درخت تصمیم در مدل‌سازی روابط پیچیده و غیرخطی بین ویژگی‌ها و کلاس‌ها است.

از میان شاخص‌های قطبشی، دو شاخص DPDD و IDPDD توانستند رفتار زمانی متفاوتی را در مراحل مختلف رشد گیاهان نشان دهند که این ویژگی برای تشخیص فنولوژیکی محصولات بسیار مفید بود. محصولاتی نظیر یونجه، نخود و گندم توسط الگوریتم‌های XGBoost و RF با دقت بالاتری طبقه‌بندی شدند و میزان اختلاط کمتری با سایر کلاس‌ها داشتند. در مقابل، الگوریتم SVM در تفکیک کلاس‌هایی با پوشش گیاهی مشابه، نظیر برخی محصولات زراعی نزدیک ‌فنولوژی، عملکرد ضعیف‌تری داشت و هم‌پوشانی قابل‌توجهی بین کلاس‌ها مشاهده گردید.

نتیجه‌گیری: پژوهش حاضر به‌روشنی نشان داد که داده‌های راداری سنتینل-1، به‌ویژه در دو قطبش VV و VH، در کنار شاخص‌های استخراج‌شده از سری‌های زمانی آن، قابلیت بالایی در طبقه‌بندی دقیق محصولات کشاورزی دارند. ترکیب این داده‌ها با الگوریتم‌های پیشرفته یادگیری ماشین به‌ویژه XGBoost و RF، می‌تواند بدون نیاز به داده‌های اپتیکی و با عملکردی قابل‌قبول، جایگزین مناسبی برای روش‌های سنتی در شرایط جوی نامناسب باشد. این موضوع به‌ویژه در مناطق ابری یا مناطقی که دسترسی به داده‌های نوری محدود است، اهمیت بیشتری می‌یابد.

همچنین، یافته‌های این تحقیق هم‌راستا با مطالعات مشابه بین‌المللی، بر اهمیت و اثربخشی شاخص‌های قطبشی به‌عنوان ابزارهایی کلیدی در پایش دوره‌ای رشد محصولات زراعی تأکید می‌کند. بهره‌گیری از این شاخص‌ها در کنار داده‌های سری زمانی می‌تواند گامی مؤثر در جهت بهینه‌سازی مدیریت اراضی کشاورزی، افزایش بهره‌وری و توسعه پایدار در بخش کشاورزی باشد. ازاین‌رو، استفاده از فناوری‌های نوین سنجش‌ازدور و یادگیری ماشین، نقش برجسته‌ای در آینده کشاورزی هوشمند و پایدار ایفا خواهد کرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Crop mapping using machine learning algorithms and dual-polarized indices derived from multi-temporal Sentinel-1 data

نویسندگان [English]

  • Syed Hedayat Sheikhghaderi 1
  • Mostafa Mahdavifard 2
  • Reyhaneh Modirzadeh 2
  • Khalil Valizadeh Kamran 2
1 Department of Remote Sensing and GIS, Faculty of Geographical Sciences, University of Kharazmi, Tehran, Iran
2 Department of Remote Sensing and Geographic Information Systems, Faculty of Planning and Environmental Sciences, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده [English]

ABSTRACT

Introduction: In recent years, with increasing pressure on natural resources and the need for sustainable use of agricultural land, precision agriculture has gained growing importance as an efficient approach for smart resource management. One of the fundamental challenges in this field is the accurate identification of crop types and monitoring their growth stages at appropriate temporal and spatial scales. Remote sensing technology, particularly Synthetic Aperture Radar (SAR), enables the extraction of precise ground information under various weather conditions. Unlike optical data, which are highly dependent on illumination and often limited in cloudy regions, radar datasuch as Sentinel-1 imagery provide effective tools for agricultural monitoring with their all-weather, day-and-night imaging capability. In this context, the present study aims to investigate the potential of Sentinel-1 radar time series data and its VV and VH polarizations, along with derived polarimetric indices, for accurate crop classification in an agricultural area located in the suburbs of Mashhad. The main focus of this research is to evaluate the capability of different machine learning algorithms combined with radar data to enhance classification accuracy and achieve more precise crop identification.

Materials and Methods: For this study, Sentinel-1 radar time series data with VV and VH polarizations, covering the period from winter 2021 to spring 2022, were used. The study area includes agricultural lands in Mashhad County, characterized by a variety of crops such as wheat, chickpea, alfalfa, as well as non-cropland areas. Through radar data processing, four key polarimetric indices NRPB (Noise-to-Backscatter Ratio), DPDD (Dual-Polarization Difference), IDPDD (Integrated Dual-Polarization Differential), and VDDPI (Temporal Variation Index for VV and VH) were extracted and employed in combination with the original data for classification purposes.

Three powerful machine learning algorithms XGBoost, Random Forest (RF), and Support Vector Machine (SVM) were applied for crop classification. Training samples were collected for seven defined classes within the study area, and classification accuracy was evaluated using the error matrix, Kappa coefficient, and overall accuracy.

Results and Discussion: The results of modeling and classification, which were validated using field data associated with the coordinates of each plot, showed that the XGBoost and RF algorithms performed significantly better than the SVM algorithm. The overall accuracy and Kappa for the XGBoost model were 83.48% and 0.78, respectively, and for the RF model were 82.27% and 0.78, whereas the SVM algorithm achieved an overall accuracy and Kappa of 61.46% and 0.51. This performance difference is primarily attributed to the superior ability of tree-based algorithms to model complex and nonlinear relationships between features and classes.

Among the polarimetric indices, DPDD and IDPDD demonstrated distinct temporal behaviors during different crop growth stages, proving highly valuable for phenological crop discrimination. Crops such as alfalfa, chickpea, and wheat were classified with higher accuracy and less confusion by XGBoost and RF, whereas SVM struggled to separate classes with similar vegetation cover, leading to substantial overlaps between certain crop types. Among the polarimetric indices, DPDD and IDPDD demonstrated distinct temporal behaviors during different crop growth stages, proving highly valuable for phenological crop discrimination. Crops such as alfalfa, chickpea, and wheat were classified with higher accuracy and less confusion by XGBoost and RF, whereas SVM struggled to separate classes with similar vegetation cover, leading to substantial overlaps between certain crop types.

Conclusion: This study clearly demonstrated that Sentinel-1 radar data particularly VV and VH polarizations combined with time-series derived polarimetric indices, hold strong potential for accurate crop classification. The integration of these data with advanced machine learning algorithms, especially XGBoost and RF, can provide reliable alternatives to traditional optical-based methods, particularly in cloudy regions or areas with limited access to optical data. Moreover, the findings, in line with similar international studies, highlight the importance and effectiveness of polarimetric indices as key tools for periodic crop monitoring. Utilizing these indices alongside time-series data represents a significant step toward optimizing agricultural land management, enhancing productivity, and promoting sustainable development in the agricultural sector. Consequently, the adoption of modern remote sensing technologies and machine learning will play a pivotal role in shaping the future of smart and sustainable agriculture.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Sentinel-1
  • Machine Learning
  • Dual-Polarization Index
  • Crop Mapping
  • Google Earth Engine