Iranian Journal of Soil and Water Research ISNN: 2423-7833 Homepage: http://ijswr.ut.ac.ir
Estimating Soil Moisture from Fusion of Soil Physical/Hydraulic Properties and Optical Remote Sensing Observations Using Machine Learning
Shokoufeh Shokri1, Ahmad Farrokhian Firouzi2, Ebrahim Babaiean3
1. Department of Soil Science and Engineering, Faculty of Agriculture, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran.
Email: [email protected]
2. Corresponding Author, Department of Soil Science and Engineering, Faculty of Agriculture, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran. Email: [email protected]
3. Department of Environmental Science, University of Arizona, Arizona, USA, Email: [email protected]
Article Info ABSTRACT
Article type: Research Article
Article history:
Received: Apr. 8, 2022 Revised: June. 27, 2022 Accepted: July. 30, 2022 Published online: Sep. 23, 2022
Keywords:
Modeling,
Soil hydraulic parameters, Sugarcane,
Infrared remote sensing.
Soil moisture content (SM) is a critical state variable that significantly affects both the hydrological cycle and agricultural production. Therefore, accurate estimation of soil moisture is important for agricultural water resources management. Remote sensing observations in the near- and shortwave infrared have large potential for estimating soil moisture. In addition, soil physical and hydraulic properties affect spatial and temporal variability of soil moisture. The objective of this research was to derive different models for soil moisture estimation in Amir Kabir sugarcane agro-industry fields, Kuzestan province using a combination of soil physical/hydraulic properties and remote sensing observations with machine learning algorithms. Consequently, 166 ground control points and 16 Sentinel-2 satellite images were investigated during the growth period of sugarcane in the year 2021. Six machine learning algorithms including decision tree (DT), support vector machine (SVM), Linear regression, Boosted and Bagged trees, and nural network were used for modeling. Seven models were derived from the combination of soil physical/hydrological properties and remote sensing indices in a hierarchical manner to predict soil moisture content at the field scale. The results indicated that the combination of soil physical/hydraulic properties with remote sensing indices enhances the accuracy of soil moisture estimation. It is observed that almost all developed models performed well for estimating soil moisture, with an RMSE of 0.04-0.06 cm-3cm-3 and an R2 of approximately 0.80. The STR parameter was found to be more sensitive to changes in soil water content than NIR reflectance. Therefore, STR was identified as the most important feature in estimating soil moisture content. Moreover, stepwise linear regression with RMSE value of 0.042 cm3 cm-3 performed the best in soil moisture estimation. According to the results, the models successfully capture the spatiotemporal dynamics of soil moisture and can be used for irrigation scheduling and precision irrigation management at the field scale.
Cite this article: Shokri, Sh., Farrokhian Firouzi, A., & Babaiean, E. (2022) Estimating Soil Moisture from Fusion of Soil Physical/Hydraulic Properties and Optical Remote Sensing Observations Using Machine Learning. Iranian Journal of Soil and Water Research, 53 (7), 1575-1591.
© The Author(s). Publisher: University of Tehran Press.
DOI: http//doi.org/ 10.22059/ijswr.2022.341492.669243
Homepage: http://ijswr.ut.ac.ir
یگژیو قیفلت کمک هب کاخ تبوطر دروآرب یاه
یکیزیف و
یکیلوردیه کاخ
اب هداد یاه یرون شجنس زا
رود
ب نیشام یریگدای شور زا هدافتسا ا
یرکش هفوکش نایخرف دمحا ،1
یزوریف
2
نایئاباب میهاربا ،
3
1 هورگ . مولع و یسدنهم
،کاخ هدکشناد
،یزرواشک هاگشناد دیهش نارمچ
،زاوها
،زاوها :لیمیا ،ناریا [email protected]
2 ن . هورگ ،لوئسم هدنسیو مولع
و یسدنهم
،کاخ هدکشناد
،یزرواشک هاگشناد دیهش نارمچ
،زاوها
،زاوها :لیمیا ،ناریا [email protected]
3 طیحم مولع هورگ . تسیز
، هاگشناد ،انوزیرآ انوزیرآ ، :لیمیا ،اکیرمآ [email protected]
هلاقم تاعلاطا هدیکچ
:هلاقم عون یشهوژپ ةلاقم
رات ی خ رد ی تفا : 19 / 1 / 1401
رات ی خ یرگنزاب 6 : / 4 / 1401
رات ی خ ذپ ی شر 8 : / 5 / 1401
رات ی خ راشتنا : 1 / 7 / 1401
هژاو :یدیلک یاه
لدم زاس ی
، اهرتماراپ ی ه ی لورد ی ک ی کاخ ،
تشک و ما تعنص ی بکر ی
،ر
نی
،رکش شجنس نودام رودزا زمرق . هب کاخ تبوطر
غتم ناونع ی ر ی وپ یا ،نامز و ناکم رد ی
ک ی لصا لماوع زا ی
بط رد بآ هخرچ رد راذگرثا ی
تع لوت و ی د
زرواشک تلاوصحم ی
م بوسحم ی
؛دوش اربانب ی ن قد دروآرب ی ق ارب نآ ی دم ی ر ی ت هب ی هن زرواشک شخب رد بآ عبانم ی
ئاح مها ز ی ت هداد .تسا یاه ط ساکعنا یف ی شجنس زا لوط رد رود نودام جوم
دزن زمرق ی ک لباق رود و ی ت ز ی دا ی ارب ی
فرط زا و دنراد کاخ تبوطر دروآرب ی
و ی گژ ی اه ی ف ی ز ی ک ی ه و ی لورد ی ک ی غت رب کاخ یی ذپر ی ر ی ناکم ی نامز و ی وطر تب
ا زا فده .دنراذگرثا کاخ ی
ن زرا و هعسوت شهوژپ ی
با ی لدم یاه خم کرت زا لصاح فلت ی
ب غتم ی اهر ی شجنس و رودزا
فی ز ی ک ی ارب کاخ ی دروآرب تشک عرازم رد کاخ تبوطر و
ما تعنص ی بکر ی ر شور زا هدافتسا اب ناتسزوخ یاه
فلتخم
ی گدا ی ر ی شام ی ن دب .دوب ی ن روظنم 166 مز لرتنک هطقن ین
ی و 16 وصت ی ر تنس هراوهام ی
لن - 2 گ دشر هرود لوط رد ی
ها
نی رکش لاس رد 1400 دروم کرت زا .تفرگ رارق هدافتسا ی
ب و ی گژ ی یاه ف ی ز ی ک ی ه / ی لورد ی ک ی صخاش و اه ی شجنس ،رودزا
هب لدم تفه بتارم هلسلس تروص
ی روگلا شش اب هک دمآ تسد هب ی
مت ی گدا ی ر ی شام ی ن مصت تخرد لماش ی
م گ ی ر ی
،
شام ی ن طخ رادرب ی
، سرگر ی نو طخ ی
، هعسوت تخرد ی
،هتفا ک تخرد ی هس راذگ ی بصع هکبش و ی
ت فل ی ق زرا و ی با ی ش .دند
اتن ی ج کرت داد ناشن ی
ب و ی گژ ی یاه ف ی ز ی ک ی ه / ی لورد ی ک ی صخاش و اه ی شجنس ار کاخ تبوطر دروآرب تقد رودزا
ازفا ی ش م ی دهد رقت . ی
ًاب لدم همه یاه هب تسد رادقم اب هدمآ
0.060 - RMSE= 0.040
3
cm-
cm3
و
R2
دودح 80 / 0
لوبق لباق دروآرب ی
هئارا کاخ تبوطر رادقم زا غتم .دنداد
ی ر اقم ردSTR
ی هس اب لد هبNIR
ی ل ساسح ی ت ب ی رتش ب ه رادقم
مها ،کاخ بآ ی
ت رتلااب ی سرگر شور ،هولاعب .داد ناشن دوخ زا کاخ تبوطر دروآرب رد ی
نو طخ ی ماگ هب رادقم اب ماگ
رباربRMSE 0.042
3
cm-
cm3
اقم رد ی هس اس اب ی ر لدم اه ی ی گدا ی ر ی شام ی ن رتلااب تقد اب ی
خ تبوطر روآرب ار کا د
اتن .درک ی ج لدم هک داد ناشن اه
ی هئارا داق هدش ر غت دروآرب هب یی
تار ناکم ی نامز و ی م اذل ،دنتسه کاخ تبوطر ی
ناوت
نآ زا اه یارب همانرب یر ز ی قد ی ق بآ ی را ی دم و ی ر ی ت هب ی هن قم رد بآ ی سا .درک هدافتسا هعرزم
دانتسا : رکش ی ، هفوکش
؛ خرف ی نا ف ی زور ی
، دمحا
؛ ئاباب یا ن
، هاربا ی م ( 1401 ).
فلت کمک هب کاخ تبوطر دروآرب ی
ق وی گژ ی اه ی ف ی ز ی ک ی ه و ی لورد ی ک ی هداد اب کاخ اه ی رون ی
شجنس زا شور زا هدافتسا اب رود ی
گدا ی ر ی شام ی ن ناریا کاخ و بآ تاقیقحت هلجم . ،
53 ( 7 ،) 1591 - 1575 .
DOI: http//doi.org/ 10.22059/ijswr.2022.341492.669243
.نارهت هاگشناد تاراشتنا هسسؤم :رشان .ناگدنسیون©
همدقم کاخ تبوط تسیز درکلمع و ناسنا تملاس ،ییاذغ تینما رب یمیقتسم ریثأت
موب دراد هب و قیقد دروآرب.
عقوم یزرواشک رد بآ تیریدم رد نآ
خرچ و ( تسا رادروخرب یدایز تیمها زا تعیبط رد بآ ه
Jung et al., 2010; McColl et al., 2017
.) نیازا
،ور لدم یزاس و شیاپ
تبوطر کاخ هجوتدروم نارگشهوژپ
هتفرگرارق یدایز هب ،تسا
یروط تخانش هک تارییغت
بآ و ییاوه یارب هعسوت هناماس یاه تشک رادیاپ و
نینچمه دوبهب یزرواشک قیقد
و تینما یهاگآ دنمزاین ییاذغ زا
تارییغت یناکم و ینامز تبوطر کاخ ( تسا
Zareie et al., 2016
.)
رد هک رضاح هعلاطم رد تشک
و ما تعنص ریبکری هدشارجا ،تسا نیا هب هجوت اب دحاو رد رکشین تشک ریز حطس هک
تشک یاه و
تعنص
غلاب یتحاسم یاراد ناتسزوخ ناتسا رد لاعف رب
84000 تکه را و مهم زا تشک نیرت و
تعنص ناریا رد دوجوم یاه تسا
مهس ، یدایز یضارا زا
کت لرتنک نیاربانب ؛تسا هداد صاصتخا دوخ هب ار ناتسا یزرواشک نآ تلاکشم و لئاسم هب یگدیسر و عرازم کت
لکشم یرما اه .تسا
یدادعت لرتنک و یسرزاب تهج یدایز یناسنا یورین و تقو ،هنیزه هلاسره اذل تشک ره رد عرازم زا
و هب تعنص یارب دهاش عرازم ناونع
یم فرص یضارا نیا تیعضو لرتنک هناماس کی هب ناریدم زاین اتسار نیا رد ،ددرگ
هفرص یارب دمآراک و راکدوخ شیاپ ز رد ییوج
و نام
شیب یژرنا تسا راکشآ شیپزا
(
Hamzeh and Naseri., 2013
.)
ییاجنآزا رکشین هک هلاسدنچ یهایگ
و هتشاد جایتحا ناوارف بآ هب دشر هرود لوط رد ،تسا دایز یبآ زاین و ینلاوط دشر هرود یاراد و
مک هب تبسن یفرط زا نیعرد .تسا ساسح یبآ
تدمزارد ندش باقرغ هب نآ هشیر ،لاح تسا ساسح
(
New L, 1971
تیصاخ هب هجوت اب .)
و رکشین هایگ یتاذ یلااب مکارت
ندرک تکرح ًلامع ،هایگ
؛تسا نکممریغ نآ عرازم لخاد رد شجنس رازبا زا هدافتسا اب نیاربانب
یم رودزا ناوت
هلئسم طاقن یبادنام ،یرایبآ تیافک ،یرایبآ یتخاونکی ،کاخ یتبوطر تیعضو هلمجزا دشر لصف لوط رد ار یعارز هعطق کی لخاد رد راد
تفآ ،هعرزم زا هطقن کی رد بآ ندش یگ رد ار یرامیب دوجو و یگدز
( درک هدهاشم ها
Veysi et al., 2017
.)
رادقم تبوطر کاخ رب یفیط ساکعنا کاخ
ریثأت یم دراذگ (
Kaleita et al., 2005
.) بآ رد هدودحم نودام زمرق
،کیدزن یساکعنا
درادن و هب یتحار زا رگید هدیدپ اه کیکفت م ی دوش . کاخ کشخ رد یمامت نیرتلااب ،اهدناب باتزاب
ار هتشاد و نشور رت هب رظن یم دسر و کاخ
بوطرم یاراد نیرتمک باتزاب هدوب هریت و رت هدید یم .دوش هداد نیاربانب هدودحم یاه
یرون هدنجنس عبانم اه یبولطم یارب هشقن یرادرب
تبوطر کاخ ( دنتسه
Scott Christopher et al., 2003
رظن زا .)
،یروئت تارییغت رد کاخ یفیط ساکعنا ینامز
خر یم دهد هک م ذفان
اب یبسن روط هب کاخ یاهلوکلم
بآ هدش رپ قافتا یسیطانغمورتکلا فیط ساکعنا رد رییغت و ( دتفا
Irons et al., 1992
.) تنرد هداد هجی یاه
رون ی شجنس رودزا رد هرتسگ نودام زمرق دزن کی 1 ( و )NIR
نودام زمرق لوط جوم هاتوک 2 ( )SWIR
تیلباق ز یدای رد دروآرب تبوطر کاخ
دوخ زا ن تسا هداد ناش (
Sadeghi et al., 2015
فیط .) یئرم 3 - نودام زمرق ( کیدزن
Vis-NIR
) جیاتن زین تیقفوم یزیمآ دروآرب رد تبوطر
یحطس کاخ ( تسا هتشاد
Kaleita et al., 2005
زا یرایسب .) ناشن تاعلاطم
یم دنهد هک دروآرب تبوطر کاخ یحطس ( قمع 6 / 7 - 0
یتناس رتم ) زا هدافتسا اب ط ساکعنا
لو جوم یئرم یاه و
نودام زمرق لوط جوم هاتوک ناکما ریذپ ( تسا
Kaleita et al., 2005
.)
( یهایگ ششوپ یلضافت صخاش )NDVI
هک4
زا هدافتسا اب لوط
جوم نودام زمرق دزن رد زمرق و کی شخب
یم تسد هب یئرم فیط دیآ
هطبار(
2 ) بذج شبات تبسن اب زتنسوتف هدش
ی دراد طابترا لاعف و
تی رلک فو لی گ ناهای ار ساکعنا م ی دهد . رد کی پ لسکی شم ازفا صخ شی
ناشنNDVI
ازفا هدنهد شی
گ ششوپ یهای .تسا زبس یئاجنآ زا
گ ششوپ هک یهای
هب غ روط میقتسمری وپ رب
ییای کاخ تبوطر ثأت
ری م ی دراذگ
اربانب نی صخاش نیا زا هعلاطم نیا رد هب
ناونع زا یکی هداد اه یرون ی شجنس
رودزا هب رمه اس اب ها ری و یگژی یاه کیلوردیه و یکیزیف ی
کاخ داجیا رد لدم کاخ تبوطر دروآرب یارب یداهنشیپ یبیکرت یاه هدافتسا
هدش .تسا
زا هتخانش هدش رت ی ن شور اه رد هزوح ی یئرم نودام /
زمرق کیدزن نییعت یارب کاخ تبوطر تیعضو
هک تسا یثلثم یاضف لیکشت
طابترا نیب صخاش و کاخ تبوطر گ ششوپ
یهای ( ( نیمز حطس یامد و )VI
)LST
یم نایب ار .دنک
Babaeian et al., (2021)
و
Hosseini Chamani et al., (2019)
هک دنتشاد نایب نودام ساکعنا
لوط زمرق ( هاتوک جوم
) SWIR
ارش اب طی حم یطی هب نعم روط ی راد ی
غت ریی من ی دنک و گتسبمه ی طخ ی ییلااب کاخ تبوطر اب
،دراد بانب نیار ینیزگیاج هدیا
LST5
اب
6STR
دندرک حرطم ار زا هک
ساکعنا دبت لی
هتفای نودام لوط زمرق ( هاتوک جوم
) SWIR
یارب هزادنا گ ی ر ی یرون هزوح رد کاخ تبوطر یم هدافتسا
نآ زا و دنک هب
ناونع هقنزوذ لدم ی
1 near-infrared 2 short wave- infrared 3 Visible spectrum
4 Normalized difference vegetation index 5 Land surface temperature
6 Shortwave infrared Transformed Reflectance
یرون یم دای نآ زا .دوش
رتماراپ هبSTR
لیدبت ساکعنا ناونع هدش
ار(SWIR
هطب 3 تیقفوم درکلمع ) یزیمآ
مزرد هنی ی دروآرب کاخ تبوطر
( دراد
Sadeghi et al., 2015
هب و ) شجنس یرون هداد یدورو نیمود ناونع لدم داجیا یارب هعلاطم نیا رد رودزا
یداهنشیپ یبیکرت یاه
فیرعت .تسا هدش شور یرایسب تاعلاطم رد شور لیلد هب ینویسرگر یاه
قباس و هداس یسانش دنراد هک ینلاوط ه
هب روظنم دنیآرف یبایزرا اه
هجوتدروم
هدوب دنا . ااب نی نویسرگر لیلحت رد لاح هداد دننام زایندروم یرامآ تاضورفم یخرب یتنس یاه
نکمم یناسمهان و ندوب یطخریغ ،ترپ یاه
نآ زا دودحم هدافتسا هب رجنم تسا شور .دنوش اه
،یبصع هکبش دننام نیشام یریگدای یاه تخرد و یفداصت لگنج
رب میمصت یاه هبلغ یا
هدمآ دیدپ قوف تلاکشم رب تسج هب نیشام یریگدای .دنا
و و وج یواکاو همین ای راکدوخ هداد هعومجم راکدوخ
هب گرزب یاه فشک روظنم
یگتسبمه ینعم نیناوق و اهوگلا ،اه
هداد نایم رد راد یم اه
( دزادرپ
Yeh and Lien., 2009
یرترب .) لصا ی یریگدای شام نی اناوت یی رد نآ
اسانش یی اور دمآراک و راکدوخ طب
پ هدیچی و جارختسا و یگژی
اه ی ناکم ی - نامز ی فلتخم عاونا زا هداد
یاه تفایدوز تسا .
لدم نونکات یاه
بیکرت هنیمز رد یدایز ی هداد اب کاخ تبوطر دروآربی
شجنس یاه شور زا هدافتسا اب رودزا
نیشام یریگدای یاه
ا دروم .تسا هتفرگرارق یبایزر
Chakrabarti et al., (2018)
هب روظنم قم شهاک سای
کاخ تبوطر زا
روگلا متی دج یدی ناتخرد ساسا رب
سرگر نوی ک هسی یراذگ
(BRT)
داجیا فدهاب گتسبمه
ی ب نی تلاوصحم شجنس
رودزا اب حوضو لااب تادهاشم و کاخ تبوطر
هدافتسا
دندرک
. ., (2019) et al
روآرب یاربGe
کاخ تبوطر د زا
ط ارف ریواصت یفی
متیروگلا و یاه
یفداصت لگنج (
)RF
و1
نیشام یریگدای یطارفا
عیرس ای (2
طسوت )ELM
شش هب یشیامزآ شیپ شور هدافتسا یفیط صخاش راهچ هارمه
.دندرک هسیاقم رد هدش دروآرب شور رابتعا تقد
لدم اب اه ی دوبلااب یطخ .
نیشام یریگدای متیروگلا ود هسیاقم شهوژپ نیا رد
لدم هک داد ناشن یاه
لدم هب تبسن RF
یاه
ELM
یرترب
د .دنرا تنرد هجی هشقن کاخ تبوطر پ
شی ینیب هدش هشقن هب هیبش رایسب کاخ تبوطر
هزادنا گ یری دوب هدش . دنتفایرد نارگشهوژپ نیا
متیروگلا نیشام یریگدای یاه دروآرب یبایزرا ،
کاخ تبوطر شوررد ار
صخاش بیکرت یاه
اب تقد اب یفیط ( لا
= 0.907 R2
) پ شی ینیب
یم نک ن د .
., (2019) et al
لدمCai
پ شی ینیب تبوطر شور اب ار کاخ یریگدای
متیروگلا زا هدافتسا اب قیمع نویسرگر
صع هکبش قیمع یب
3
( )DNNR
رد یرس اب بیکرت دنداد هئارا ینامز یاه
هداد زا هدافتسا اب تسناوت لدم نیا .
نا یسانشاوه یاه باخت
شیپ هدش زا یقیقد ینیب
و دشاب هتشاد تبوطر یانبم
یرثؤم یارب و یرایبآ هفرص ییوج رد فرصم بآ مهارف .دنک رگید یشهوژپ رد
Adabet al., (2020)
تیلباق
شور یارب نیشام یریگدای یاه دروآرب
یحطس کاخ تبوطر زا هدافتسا اب
متیروگلا فداصت لگنج یاه
،ی ابیتشپ رادرب نیشام
4ن (
،)SVM
عونصم یبصع هکبش
5ی ( )ANN
نویسرگر و هکبش
یتسلاا
6ک ( ) EN
اب دناب یاه رارح و یرون یت
تسدنل 8 سرربدروم ی .دندادرارق بیکرت اب
یفیط ساکعنا هداد و یحطس
تسد هب یلوبق لباق جیاتن کاخ تبوطر یناکم یاه دندروآ
هسیاقم . یرامآ یاه نآ
اه ناشن داد شور هک
RF
اب اب قم نیرتلا شن هدزاب راد
- فیلکتاس (7
73 / 0 یارب ) دروآرب کاخ تبوطر یارب
یربراک عاونا ششوپ نیمز فلتخم یاه
تسا بسانم رد.
هعلاطم رگید یا
) 2021 ., ( et al Babaeian
هب روظنم هعسوت یشور دج دی ارب ی دروآرب تبوطر هیحان شور زا هدافتسا اب ،هشیر یریگدای
شام نی راکدوخ رت زا ار لدم هدزاود8
هداد بیک یاه
ساکعنا رون ی ناکم حوضو اب ی
ب لاا و ف تاعلاطا یکیزی
ه و یکیلوردی کاخ
تسد هب
.دندروآ لدم یاه جارختسا هدش یدروآرب قد رادقم زا قی تبوطر
هیحان هشیر اب داقم ری
9RMSE
زا رتمک 02 / 0 تناس ی رتم بعکم یتناس رب رتم
بعکم داقم و یگتسبمه ری لااب
ی 90 / 0 .دنتشاد
Acharya et al. (2021)
رد هعلاطم ا ی هب روظنم اب کاخ تبوطر دروآرب یبایزرا هدافتسا
زا
هداد یاه
،کاخ گ ششوپ و یهای شور زا یسانشاوه تخرد نوچ مه نیشام یریگدای یاه
هقبط یاه نویسرگر و یدنب
(10
نویسرگر ،)CART
1 Random Forest
2 Extreme learning machine 3 Deep Neural Network Regression 4 Support Vector Machines 5 Artificial Neural Networks 6 Elastic Net Regression 7 Nash–Sutcliffe
8 Automated Machine Learning 9 Root mean square error
10 Classification and regression trees
لگنج یفداصت (1
تیوقت ناتخرد نویسرگر ،)RFR
2هدش ( چ یطخ نویسرگر ،)BRT
هناگدن (3
نابیتشپ رادرب نویسرگر ،)MLR
(4
)SVR
و
هکبش یعونصم یبصع یاه (5
متیروگلا هک داد ناشن شهوژپ نیا جیاتن .دندرک هدافتسا )ANN
یاه وRFR
قلطم یاطخ نیگنایم ابBRT
-³
3m (MAE) <0.040 m
رد ار درکلمع نیرتهب پ
شی تبوطر ینیب کاخ
دنراد .
ناکم ییایوپ لصا هب هجوت اب ی
نامز و ی و کاخ تبوطر طابترا
یگژیو اب نآ یاه
ف یکیزی ه و یکیلوردی کاخ
تبوطر دزوآرب ، کاخ
اب
زا هدافتسا هداد بیکرت
یاه یکیلوردیه/یکیزیف کاخ
اب هداد شجنس یاه رودزا
قم رد سای هعرزم .تسا یرورض اما
نونکات لدم ت یاه یبیکر
نآ یبایزرا و شور زا هدافتسا اب اه
ی فلتخم یاه نیاربانب .تسا هدشن هئارا هعرزم سایقم رد کاخ تبوطر دروآرب هنیمز رد نیشام یریگدا
شهوژپ نیا یلصا فده 1
مک ،عیرس یشور هعسوت ) لباق و هنیزه
هداد بیکرت زا هدافتسا اب کاخ تبوطر دروآرب یارب دامتعا یزیف یاه
یک
شجنس تادهاشم و کاخ شور کمک هب یرون رودزا
ریگدای فلتخم یاه و نیشام ی
2 مهم ییاسانش ) و کاخ یکیزیف یاهرتماراپ نیرت
شجنس یاهریغتم هعرزم سایقم رد کاخ تبوطر دروآرب یارب یرون رودزا
.دوب رکشین هایگ یارب
شور و داوم اه
هقطنم دروم هعلاطم
رد تشک و تعنص رکـشین رـیبکریما عـقاو
بونج رد یکی ،ناتسزوخ ناتسا
زا تفه تکرش هعسوت ی شک ت رکشین عیانص و
،یبناج لاس رد
یعارز 1400 ب ه ناکما روظنم ا بآ فرصم تیریدم و شیاپ دنیآرف رب تیریدم و تراظن
باختن تعنص و تشک لک تحاسم .دش 14000
نآ تشک ریز حطس و راتکه 12000
یاراد هک تسا راتکه 480
هعرزم 25 یراتکه تسا لکش(
1 .)
لکش 1 قوم : )ریبکریما تعنص و تشک( یتاعلاطم هقطنم تیع
هزادنا گ یری یگژیو یاه ف یکیزی ه و یکیلوردی کاخ
زا هدافتسا اب تبوطر
جح یم 166 رد کاخ هنومن رات
خی یاه 28 ،ریت 17 دادرم و 16 زا هامرویرهش هیلا
یحطس کاخ ( 10 - 0 تناس ی
رتم ) هب تروص زا و دش ماجنا ینزو شور هب و میقتسم لصاح
ض بر .دیدرگ هبساحم کاخ یمجح تبوطر ،یرهاظ صوصخم نزو رد نآ
1 Random forest regression 2 Boosted regression trees 3 Multiple linear regression 4 Support vector regression 5 Artificial neural networks
س ،سر دصرد( کاخ تارذ یبسن یناوارف تلی
و نش هب ) رتموردیه شور ،
صوصخم نزو رهاظ
ی ( ) BD
( یمجح شور هب
ASTM, 1999
) ،
هدافتسا اب لخلخت زا
یرهاظ صوصخم نزو ضرف اب
یقیقح صوصخم نزو 65
/ 2 تناس رد مرگ ی
رتم بعکم ش هبساحم د
(Flint and
Flint., 2002)
رادقم . فرظ رد بآ تی
هعرزم (1
θFC
گدرمژپ هطقن و ) ی
مئاد
2ی (
θPWP
ارب مهم رتماراپ ود ،) ی
دم تیری بآ یرای زرواشک دنتسه ی
هک دنتسه هدافتسا اب
زا کاخ رد بآ یتبوطر ینحنم (3
)SWC
لاقتنا عباوت اب ی
.دش هبساحم لاقتنا عباوت
ی یکیلوردیه صاوخ هبساحم یارب
کاخ یگژیو زا یاه اپ هی کاخ یا دننام س ،سر دصرد( کاخ تارذ یبسن یناوارف تلی
و نش ) یم هدافتسا کاخ یرهاظ صوصخم نزو و دنک
.
زا هعلاطم نیا رد لاقتنا عباوت
4ی
ROSETTA
ارب نتخونگنو لدم یاهرتماراپ نیمخت ی
) 5
, α, n7 s6
, θ θr
و(
تنرد نییعت یارب هجی
θFC
و
θPWP
هدافتسا ( دش
Schaap et al. 2001; Babaeian et al., 2021
.)
هطبار 1 )
𝜃(ℎ) = 𝜃𝑟 + 𝜃𝑠 − 𝜃𝑟 [1 + (𝛼ℎ)𝑛]1− 1/𝑛
نآ رد هک ( کاخ تبوطر رادقمθ
3
cm- 3
cm-
،)
θr
یقاب تبوطر رادقم : ( هدنام
3
cm- 3
cm-
،)
θs
( عابشا تبوطر رادقم :
3
cm- 3
cm-
α ،)
و :n
اهرتماراپ ی لکش .دنتسه
هداد وهام یاه هرا
یا تنس لنی 2-
اب واصت ناونع ری
حطس اس زا 2B
تی تنس هراوهام لی
سردآ هب
https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home
زا 10 درا تشهبی ات 16 رهش هامروی گ دشر لصف لوط رد های
ن رکشی دولناد و اب مرن رازفا
QGIS 2.14
و
ArcMap 10.5
حصت
،یرفسمتا تاحی دار
وی رتم و کی سدنه ی واصت ری سررب ی .دش ییانشور تاجرد وصت ره
ری ب ماخ ه
داقم ری یفیط ساکعنا دبت
لی یفیط ساکعنا و گ ششوپ و کاخ
یهای رد دناب یاه نودام و زمرق زمرق
کیدزن ارب ی صخاش هبساحم ت
یلضاف
گ هدش لامرن یهای
( و )NDVI
( ) STR
ساکعنا دبت لی هدش نودام لوط زمرق هاتوک جوم
(SWIR)
ز حرش هب ری ش هدافتسا د
لکش(
2 طباور و
2 و 3 مرن زا هدافتسا اب .) رازفا
Matlab 2021
هعومجم هداد هراوهام یا هب
٪70 هداد اه ی شزومآ ی و
٪30 رابتعا یجنس سقت می متیروگلا و یاه
رظندروم .دش لامعا
هطبار 2 )
𝑁𝐷𝑉𝐼 =𝑅𝑁𝐼𝑅− 𝑅𝑟𝑒𝑑
𝑅𝑁𝐼𝑅+ 𝑅𝑟𝑒𝑑
هطبار 3
𝑆𝑇𝑅 =(1 − 𝑅𝑆𝑊𝐼𝑅)2 )
2𝑅𝑆𝑊𝐼𝑅
نآ رد هک ،یهایگ ششوپ یلضافت صخاش :NDVI
RNIR
ساکعنا:
نودام زمرق
،کیدزن
Rred
: زمرق دناب ساکعنا و
SWIR
: ساکعنا
نودام لوط زمرق هاتوک جوم
تسا . بوچراچ هداد هعومجم شزادرپ اب اه
روگلا متی یاه دوجوم لدم تاصخشم و رتماراپ و اه
رو یاه نآ هب یدو
رد کاخ تبوطر دروآرب یارب لکش
3 و لودج 1 ناشن هداد هدش .تسا شور اه هعلاطم نیا رد نیشام یریگدای ی ترابع
دنا متیروگلا زا یاه
نویسرگر طخ
ی ماگ هب
8ماگ
، شام نی
،نابیتشپ رادرب بصع هکبش
میمصت تخرد ،ی
9یریگ یعمج یریگدای و هعسوت ناتخرد لماش10
هتفای و11
ناتخرد هسیک یراذگ . 12
ماگ نویسرگر هب
ماگ
عاونا زا یکی هریغتم دنچ یطخ نویسرگر
شور نیا رد .تسا اه
م ی ناوت مه یسررب و لیلحت هب نامز تخادرپ فلتخم ریغتم نیدنچ
.
شور نیا ارب
ی لدم شزارب اه
ی سرگر ینوی اب غتم راکدوخ باختنا یاهری
پ شی ینیب هدافتسا م ی دوش . نیب هطبار شور نیا رد م
هب اهریغت تروص
شیپ ار لقتسم یاهریغتم هک تسا هتسباو ریغتم زا یعبات یم ینیب
هطبار( دنک 4
:)
1 Field capacity
2 Permanent wilting point 3 Soil Water Characteristic 4 pedotransfer functions 5 van Genuchten SWC model
6 θr and θs are the residual and saturated volumetric moisture contents (cm3 cm-3),
7 α (cm- 1) and n ( ) are scaling and shape parameters of the van Genuchten model, respectively.
8 Stepwise Regression 9 Decision tree (DT) 10 Ensembling learning 11 Boosted trees 12 Bagged trees
هطبار 4 )
هلداعم نیا رد هک شیپ ریغتمY
هدنوش ینیب (
،)کاخ تبوطر
x1
ات
xn
شیپ یاهریغتم و هدننک ینیب
وa
.دنتسه هلداعم تباث بیارضb
ماگ نویسرگر رد هب
اگ م م یمامت یم لدم دراو لقتسم یاهریغت ریغتم نآ و دنوش
ثأت هک یلقتسم ری
شاب هتشادن هتسباو ریغتم رب ینادنچ زا د
یم فذح لدم (دوش
Gorthi, 2011
) .
لکش 2 : صخاش وNDVI
رکشین هایگ دشر هرود لوط ردSTR
لکش 3 خ تبوطر دروآرب تراچولف : نیشام یریگدای شور زا هدافتسا اب یحطس کا
n nx b x
b x b a
Y 1 1 2 2...
نابیتشپ رادرب نیشام
(SVM)
کی شور هقبط دنب ی تراظن هک تسا هدش کی
ربا هحفص ای ب زرم نی پ ار هداد سلاک ود ادی
م _ی شاح هک دنک هی
ب نی لاک ود هب ار س
ناسر رثکادح د
ز تاحفص . یدای
م هک دنراد دوجو ی
دنناوت ما ،دننک ادج مه زا ار سلاک طقف ا
کی م هحفص ی دناوت شاح هی ای ب هلصاف نی سلاک اه
ناسرب رثکادح هب ار .د
شام نی تشپ رادرب نابی لماش هدافتسا زا ز هعومجمری یا
زا طاقن هداد تسا هک رب ساسا کی هیشاح یاطخ ا ز شیپ
رعت فی هدش یارب اج نداد کی لدم نویسرگر نیب
ریغتم هتسباو و یاهریغتم لقتسم
فیرعت م ی دوش ب.
ه نآ هتسد زا طاقن
،هداد یاهرادرب
ینابیتشپ م ی دنیوگ ضرف.
،دینک هنومن اه ی
} , …, xi
, x2
X = {x1
داقم و ری فده هطوبرم
€R.
Y = {y1, y2, …, yi}, yi
،دشاب هاگنآ
فده نتفایSVR
عبات تساf(x)
هک رثکادح فارحنا درادناتسا زا فده هب تسد هدمآ یاربyi
همه هداد یاه یشزومآ ار هتشاد دشاب .
(Yang
et al., 2009)
بصع هکبش ی
(ANN)
زا ًلاومعم لا
هی یاه
،یدورو ناهنپ و یجورخ کشت لی هدش تسا هک هب تروص ازجم بترم هدش دنا (
Priddy et al., 2008
).
لا هی یاه
فم تاعلاطا ناهنپ یدی
لا زا ار هی دورو ی م جارختسا ی
دننک ارب هک ی مخت نی جورخ ی م هدافتسا ی .دوش هکبش یاه یبصع یعونصم رازبا
یتابساحم یدنمتردق
دنتسه هک زا قیرط یرایسب زا رصانع هب مه پ هتسوی هداس هب مان نورون اه لباقاب تی هبرصحنم درف رد ت صیخش طباور
ییانبریز اب یاهدادیور یدورو
و یجورخ هتخاس هدش هعومجم .دنا ا
ی زا نورون اه هک رد هیارآ یدعب هدیچ هدش دنا کی لا هی هدیمان م ی دوش هک
رد نآ ره هیلا لماش ای کی دنچ هرگ ازجم تسا . دادعت یاهریغتم یدورو
مزلا یارب شیپ ینیب یاهریغتم یجورخ
رظندروم
، دادعت هرگ یاه
یدورو ار نییعت یم دنک . یگدیچیپ لدم
یزاس هب دادعت هنیهب هرگ یاه ناهنپ و هیلا یاه ناهنپ یگتسب دراد ( دادعت رتشیب لا هی یاه ناهنپ
رجنم هب لدم گرزب رت و هدیچیپ رت یم ( )دوش
Grimes et al., 2003
لدم .) یاه ییاناوت ANN
یریگدای ناسنا ار اب یریگدای زا هعومجم
هداد یاه یشزومآ دیلقت یم دننک نآ . اه رازبا یدنمتردق یارب
طباور یطخریغ دنچ
هریغتم دنتسه (
Twarakavi et al., 2006
.) نیا لدم اه
ب یار گتسبمه ی یاه یدورو - یجورخ یاهدنیآرف یطخریغ
رد عبانم بآ و یژولوردیه (
Ahmad et al., 2003
هدافتسا ) م ی دنوش .
مصت تخرد می
(DT)
عون کی هقبط دنب هدننک ی تراظن
هدش ءزج هک تسا یبتارم هلسلس شور
اه ی شناد اپ رامش هب هی م
ی ؛دیآ هب ترابع د ا رد رگی شور نی
لاطا نتشاد اب دروم رد تاع
دپ هدی و یعوضوم یاه اب
نتفرگ نییاپ هب لااب زا بسانم تامیمصت سلاک
دنب ماجنا ی م ی ( دوش
Breiman et
al., 1996
شور نیا رد .) هعومجم
ا زا ی طرش اه ،یقطنم ی هب
تروص یارب یتخرد راتخاس اب متیروگلا هقبط
دنب ای ی پ شی یّمک ینیب کی
غتم راک هب ری م
ی تخرد داجیا .دور .تسا باعشنا و دنویپ لماش هلحرم نیا هک تسا تخرد دشر و داجیا ،لوا هلحرم :دراد هلحرم ود میمصت
یاطخ ندناسر لقادح هب ،ریخا هلحرم فده .تسا سره و فقوت هلحرم ،مود هلحرم پ
شی ( تسا ینیب
Taghizadeh-Mehrjardi et al.,
).2012 یعمج یریگدای
روگلا زا نآ رد هک تسا یشور متی
یاه هب هناگدنچ یریگدای مه روط
یم هدافتسا نامز هب .دوش
لکروط ی یم ناوت یریگدای عمج ی ار هب
هتسدود شور ناتخرد هعسوت میسقت یراذگ هسیک و هتفای .درک
Friedman (2002)
ینویسرگر ناتخرد هعسوت
هتفای (
1BRT
) ار هب ناونع
کی لدم تخرد میمصت فیرعت درک هک طسوت متیروگلا تیوقت نایدارگ دوبهب یم دبای و یبیکرت زا ود شور یرامآ نیتسوب
2گ نویسرگر و
هلحرم شور کی گنیتسوب .تسا یتخرد یا
هبور ولج ،نآ رد هک تسا لدم
اه یتخرد ی هب
تروص ذپرارکت اب ری ز هعومجمری زا یا
هداد اه ی
هداد شزارب یشزومآ م
ی یتخرد نویسرگر شزارب رد .دنوش هعسوت
پ ود دیاب هتفای و یریگدای خرن ،رتمارا
پ رادقم .ددرگ صخشم تخرد یگدیچی
نییعت ییاهن لدم رد ار یلاوتم تخرد ره مهس ،یریگدای م
ی ناشن ار اهریغتم نیب لباقتم تارثا ای یلصا تارثا ،تخرد یگدیچیپ .دنک م
ی دهد
(
Elith et al., 2008; Natekin et al., 2013
).
لدم یاه هبBRT
لیلد ییاناوت درکلمع رتهب اب هداد یاه
،هدیچیپ رد نیب نادنمشناد
هداد بوبحم رت ( دنتسه
et al., 2001 Friedman
.) هبBRT
میسقت یدنب تاریثأت یاهریغتم لقتسم
پ(
شی ینیب هدننک ) رب یور م ریغت هتسباو
1 Boosted Regression Trees 2 Boosting
( تبوطر کاخ یارب نیا هعلاطم ) کمک م ی .دنک
یراذگ هسیک ( طسوت هک تسا یشور زین1
(1996 et al., Breiman
هعسوت تقد و تابث .تسا هتفای پ
شی ار ینیب م ی هدافتسا اب ناوت
.دیشخب دوبهب شور نیا زا هخسن
اه ددعتم ی لدم
اه هعومجم پرتسا توب اب هداد
اه هب ناونع هعومجم اه تخاس یارب یشزومآ ی لدم
اه ی
لکش فلتخم م
ی .دنریگ هقبط دنب یارب یأر نیرتشیب ساسا رب شور نیا رد ی پ
شی یب هتفرگ رظن رد ریغتم کی ین م
ی دوش لاحرد ی رد هک
مامت نیگنایم ،نویسرگر هخسن
اه ار هب ناونع پ شی یم رظن رد ریغتم کی ینیب هعلاطم نیا رد .دریگ
هب روظنم مظنم ندرک رب دروآ تبوطر یاه
کاخ زا شور یریگدای یعمج غ یطخری و ریغ یرتماراپ هدش یراذگ هسیک هدافتسا
( دش
Gorthi 2011
).
لودج 1 : اهرتماراپ ی دورو ی ارب هدافتسادروم ی
7 لدم یداهنشیپ
لدم یدورو یاهریغتم
لدم 1 STR, NDVI
لدم 2 , θpwp
STR, NDVI, θFC
لدم 3 STR, NDVI, Text, BD
لدم 4 , θpwp
STR, NDVI, Text, BD, θFC
لدم 5 , θpwp
STR, Text, BD, θFC
لدم 6 , θpwp
NDVI, Text, BD, θFC
م لد , Φ 7
, θpwp
STR, NDVI, Text, BD, θFC
:STR ساکعنا لیدبت لوط هدش نودام جوم هاتوک زمرق
( ،)SWIR
:NDVI
صخاش یلضافت گ هدش لامرن ،یهای
هزادنا عیزوت دصرد( کاخ تفاب :Text
،)کاخ تارذ یتناس رب مرگ( کاخ یرهاظ صوصخم نزو :BD
،)بعکم رتم θFC
هعرزم تیفرظ رد تبوطر رادقم : یتناس(
یتناس رب بعکم رتم رتم
،)بعکم θpwp
یتناس( مئاد یگدرمژپ هطقن رد تبوطر رادقم : یتناس رب بعکم رتم
؛)بعکم رتم کاخ لخلخت رادقمΦ
.
لدم تقد یبایزرا اه
هرامآ زا هدافتسا اب نییعت بیرض یاه
(2
R2
،) اطخ تاعبرم نیگنایم رذج (3
قلطم یاطخ نیگنایم و )RMSE
(4
اجنا )MAE
.دش م
هطبار 5 )
هک ا رد اجنی θobs
تبوطر رادقم کاخ
هزادنا گ یری و هدش θest
تبوطر رادقم کاخ
هدش دروآرب
obs،
est و بیترت هب کاخ تبوطر نیگنایم
هزادنا .تسا هدش دروآرب و هدش یریگ یم ناشن نییعت بیرض
غتم تارییغت دصرد دنچ هک دهد ییعت لقتسم ریغتم طسوت هتسباو ری
یم ن .دنوش
هطبار 6 )
رادقم ناشنRMSE
شیپ ریداقم هک تسا نیا هدنهد ینیب
هزادنا دح هچ ات هدش مک ای رتشیب ار یریگ
هدز نیمخت رت ح نیرتهب .دنا
یارب تلا
شیپ ریداقم هک تسا نیاRMSE
ینیب هزادنا و هدش رب ینعی دنشاب ربارب مهاب هدش یریگ
دشاب رفص اب ربا .
هطبار 7 ) شیپ رادقم نیب هلصاف زا هک تسا اطخ عباوت زا یکی MAE
هب یعقاو رادقم و ینیب یم هدافتسا رایعم ناونع
دنک ابع هب ، یتر نیگنایم
شیپ رادقم نیب لضافت قلطم ردق یم هبساحم ار یعقاو و ینیب
.دنک
1 Bagged Regression Trees 2 Coefficient of Determination 3 Root mean square error 4 Mean Absolute Error
n
i
n
i est est
obs obs n
i obs obs est est
R
1 1
2 2
2
1 2
n
i
obs
n est
RMSE
1
1 2
MAE n
n
i
obs
est
1
