Spatial-temporal modeling of soil moisture using optical and thermal remote sensing data and machine learning algorithms

(1)

Homepage: http://ijswr.ut.ac.ir

Spatial-temporal modeling of soil moisture using optical and thermal remote sensing data and machine learning algorithms

Atefeh Nouraki¹ | Mona Golabi²^ | Mohammad Albaji³ | Abd Ali Naseri⁴ |Saeid Homayouni⁵

1. Department of Irrigation and Drainage, Faculty of Water andEnvironmental Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz,Ahvaz, Iran. E-mail: [email protected]

2. Corresponding Author, Department of Irrigation and Drainage, Faculty of Water andEnvironmental Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz,Ahvaz, Iran. E-mail: [email protected]

5. Centre Eau Terre Environnement, Institut National de la Recherche Scientifique (INRS( , Quebec, Canada. E-mail:

[email protected]

Article Info ABSTRACT

Article type: Research Article

Article history:

Received: March. 13, 2023 Revised: May. 18, 2023 Accepted: May. 20, 2023 Published online: June. 22, 2023

Keywords:

High Vegetation,

Machine Learning Algorithms, Remote Sensing,

Soil Moisture,

Soil Physical Properties.

Spatiotemporal estimation and monitoring of soil moisture based on remote sensing observations (optical and thermal) is challenging due to its physical nature in high vegetation conditions, necessitating improving and increasing the accuracy of soil moisture estimation in these areas. Therefore, this research aimed to develop a new approach to estimating surface soil moisture in agricultural fields with dense vegetation using machine learning algorithms by incorporating optical and thermal remote sensing data and soil physical properties. For this objective, 16 Landsat-8 satellite images and more than 430 control locations were used during the sugarcane crop’s growth period in 2018-2019 at the Hakim Farabi Sugarcane Agro- Industrial company in the Khuzestan province of Iran. A set of 10 scenarios of various unique combinations of the available input variables were developed and then evaluated by five machine learning algorithms, including multiple linear regression (MLR), decision tree-based algorithms (CART and M5P), and ensemble learning-based algorithms (gradient-boosted regression trees (GBRT) and random forest regression (RFR)). According to the results, the highest correlation between input variables and surface soil moisture was observed in Soil Wetness Index (SWI) and Normalized Soil Moisture Index (NSMI) with R values of 0.79 and 0.69, respectively. Also, the highest accuracy of machine learning algorithms based on R2, RMSE, and MAE results was obtained in GBRT (0.99, 0.011, and 0.006) and RFR (0.99, 0.014, and 0.007), respectively. In general, the findings of this research show the importance of using variables based on Landsat-8 remote sensing data in combination with ensemble learning algorithms that can be independent of any ground measurements.

Cite this article: Nouraki, A., Golabi, M., Albaji, M., Naseri, A. A., & Homayouni, S. (2023) Spatial-temporal modeling of soil moisture using optical and thermal remote sensing data and machine learning algorithms, Iranian Journal of Soil and Water Research, 54 (4), 637-653. https://doi.org/10.22059/ijswr.2023.356707.669469

DOI: https://doi.org/10.22059/ijswr.2023.356707.669469

(2)

Homepage: http://ijswr.ut.ac.ir

ینامز یزاسلدم -

یرون رود زا شجنس یاه هداد زا هدافتسا اب کاخ تبوطر یناکم -

لدم و یترارح یاه

نیشام یریگدای

یکرون هفطاع

|1

یبلاگ انم

2

یجابلا دمحم|

|3

یرصان یلعدبع

|4

ینویامه دیعس

5

1 . بآ هورگ ی را ی شکهز و ی

، سدنهم هدکشناد ی

حم و بآ ی ط زی

،تس هش هاگشناد ی د ا ،زاوها نارمچ ی

نار یار ، :همانا [email protected]

2 . ون ی هدنس بآ هورگ ،لوئسم ی

را ی شکهز و ی

نار :همانایار ، [email protected]

نار مانایار ، :ه [email protected]

5 . حم رود زا شجنس هورگ ی

ط ی تاموئژ و ی

،ک مز ،بآ زکرم ی

ن حم و ی ط زی

،تس -INRS اداناک ،کبک :همانایار ، [email protected]

هلاقم تاعلاطا هدیکچ

:هلاقم عون یشهوژپ ةلاقم

رات ی خ رد ی تفا : 22 / 12 / 1401

رات ی خ یرگنزاب : 28 / 2 / 1402

رات ی خ ذپ ی شر : 30 / 2 / 1402

رات ی خ راشتنا : 1 / 4 / 1402

هژاو :یدیلک یاه

گ ششوپ ی ها ی ،مکارتم

لدم اه ی ی گدا ی ر ی شام ی

،ن

،رود زا شجنس ،کاخ تبوطر صوصخ ی تا ف ی ز ی ک ی .کاخ اپ و دروآرب

ی ش نامز ی - ناکم ی حطس کاخ تبوطر ی

رود زا شجنس تادهاشم ساسارب ی

رون(

ی ترارح و ی لدب ) ی ل

هام ی ت ف ی ز ی ک ی ارش رد ی ط گ ششوپ ی ها ی گنارب شلاچ مکارتم ی

ز ن هک تسا ی زا ازفا و دوبهب هب ی

ش ت تقد مخ ی ن تبوطر

ا رد کاخ ی ن رورض ار قطانم ی

م ی دزاس ا اذل . ی ن هعسوت فده اب شهوژپ ی

ک ر وی درک دج ی د کاخ تبوطر دروآرب رد

حطس ی زرواشک عرازم رد ی

ارش اب ی ط گ ششوپ ی ها ی کرت ساسارب ،مکارتم ی

ب هداد اه ی رون رود زا شجنس ی

- رح ترا ی

ف تاعلاطا و ی

ز ی ک ی لدم زا هدافتسا اب کاخ یاه

ی گدا ی ر ی شام ی ن دب .دش ماجنا ی

ن زا روظنم 16 وصت ی ر تسدنل هراوهام -

8 ب و ی ش زا 430 مز لرتنک هطقن ین

ی گ دشر هرود لوط رد ی

ها ن ی رکش عارز لاس رد ی

1399 - 1398 و تشک هقطنم رد

ن تعنص ی رکش کح ی م باراف ی درگ هدافتسا ناتسزوخ ی

د . 10 رانس ی و ی غتم ساسارب فلتخم ی

اهر ی دورو ی حارط ی و دش

لا جنپ طسوت سپس روگ

ی مت ی گدا ی ر ی شام ی ن سرگر لماش ی

نو طخ ی لدم ،هناگدنچ اه

ی نتبم ی صت تخرد رب م

ی م

(

classification and regression tree

و

M5-pruned

لدم و ) اه ی نتبم ی رب ی گدا ی ر ی عمج ی سرگر(

ی نو ناتخرد

هعسوت ی هتفا سرگر و ی نو فداصت لگنج ی

زرا دروم ) ی با ی اتن اب قباطم .دنتفرگ رارق ی

،ج ب ی رتش ی ن بمه گتس ی غتم ی اهر اب

حطس کاخ تبوطر ی

صخاش رد اه ی خ ی س ی داقم اب هدش لامرن کاخ تبوطر و کاخ ی

ر رض ی ب گتسبمه ی ربارب 79 / 0

و 69 / 0 نچمه .دش هدهاشم ی

ن ب ی رتش ی ن لدم تقد اه ی ی گدا ی ر ی شام ی ن هرامآ ساسا رب اه

ی ،R2

وRMSE MAE

ترت هب ی ب لدم رد اه ی سرگر ی نو هعسوت ناتخرد ی

هتفا ( 99 / 0 ، 011 / 0 و 001 / 0 سرگر و ) ی نو فداصت لگنج ی

( 99 / 0 ،

014 / 0 و 007 / 0 .دمآ تسد هب ) هب

لک روط ی ی هتفا اه ی ا ی ن ب شهوژپ ی نا رگ مها ی ت و زا هدافتسا ی

گژ ی یاه ب ی فو ی ز ی ک ی

هداد زا جرختسم اه

ی تسدنل هراوهام -

8 کرت رد ی ب لدم اب اه ی ی گدا ی ر ی عمج ی م هک تسا ی دناوت هنوگره زا لقتسم

هزادنا گ ی ر ی مز ین ی .دشاب

دانتسا : کرون ی

؛ بلاگ ،هفطاع ی

؛ جابلا ؛انوم ی

؛ رصان ،دمحم ی

؛ لعدبع ی

، امه ی نو ی

؛ عس ی

،د ( 1402 زاسلدم ) ی نامز ی - ناکم ی اه هداد زا هدافتسا اب کاخ تبوطر ی

رون رود زا شجنس ی

- ترارح ی اه لدم و ی

ی گدا ی ر ی شام ی ن کاخ و بآ تاقیقحت هلجم ،

،ناریا 4 5 ( 4 ،) 53 6 - 7 63 .

https://doi.org/10.22059/ijswr.2023.356707.669469

.نارهت هاگشناد تاراشتنا هسسؤم :رشان .ناگدنسیون©

https://doi.org/10.22059/ijswr.2023.356707.669469 DOI:

(3)

قم همد

ر زا یکی کاخ تبوط یدیلک

نیرت آرف هک تسا یکیژولوردیه هخرچ یاهریغتم ی

اهدن ی مز حطس فلتخم ی

،ن هلمج زا رفسمتا و کاخ

خبت ی ر و ،ذوفن ،قرعت رج و باناور

ی نا یاه ز ی حطسر ی م طبترم مه هب و لرتنک ار ی

دنک

Robinson et al ( .

)2008

. روظنم هب دم

ی ر ی ت اپ ی راد

زرواشک بآ عبانم و ی

گولج ی ر ی بآ شنت زا ی گ ی ها شیاپ و یسررب ،نا ناکم

ی - نامز ی عضو ی ت خ تبوطر .تسا یرورض رایسب کا د

ههد ود ر

اناوت هتشذگ شور یی

یاه هزادنا گ ی ر ی تبوطر کاخ هب لباق روط هجوت ی قم رد ی سا اه ی هطقن ا ی ناهج ات ی هتفای شیازفا تسا

ع هب . لاثم ناون

قم رد ی سا اه ی هطقن ا ی لحم و ی

، جنس باتزاب ی

هزوح نامز ( ی )TDR

،1

اهرگسح ی طانغمورتکلا ی

س ( ی )FDR

(2

Jones et al., 2005

) ،

نورتون رگشواک ( ی

)SMNP

(3

Zreda et al., 2008

) ، اس و ی ر اهرگسح ی غ ی ر ( نیمز هب یذوفن رادار شور دننام برخم

GPR4

) قفوم اب ی ت

ارب ی هزادنا گ ی ر ی کاخ تبوطر .تسا هدش هدافتسا

ا هزادنا هچرگ یریگ

یم هقطنم کی طاقن زا یرایسب رد ددعتم یاه دناوت

سوتم رادقم ط

هقطنم نآ یارب ار کاخ تبوطر اما دنک نییعت

هک ینامز هزادنا

یریگ

،دشاب زاین دروم هدرتسگ سایقم رد و دایز یاه شور نینچ

یاه ،راوشد ی

تقو و هنیزهرپ نآ زا هدافتسا و هدوب ریگ

اه هرود یارب تدم ینلاوط یاه

ناکما یمن ریذپ هولاع .دشاب نیارب

زوت ی ع صاوخ هب کاخ رد بآ

یکیلوردیه و یکیزیف فارگوپوت ،کاخ

ی اس و ی ر ارش ی ط حم ی ط ی گتسب ی دراد

Korres et al., 2015(

و)

لد هب ی ل ثأت ی ر تا لباقتم و پ ی چ ی هد

ای ن غتم ی

،اهر شور زا هدافتسا هطقن یاه

یارب یا روآرب

قد د ی ق تارییغت ناکم ی - نامز یدربراک ریغ ًلامع کاخ تبوطر ی دافتسا و تسا

زا ه

شور و یژولونکت یم یرورض ار هنیمز نیا رد دیدج یاه

.دزاس

هداد یاه رود زا شجنس و یناسرزورب تیلباق لیلد هب

رد سرتسد ،تاعلاطا ندوب رس ،رمتسم تراظن ناکما

ی ع هفرص هب نورقم و

قطانم رد ار کاخ تبوطر هدرتسگ

یم مهارف دزاس

( Acharya et al., 2021

هک دنداد ناشن یفلتخم تاعلاطم .)

،کاخ یساکعنا شباتزاب

جاوما شنکارپ و یترارح عشعشت ام

ی وورک ی و دنراد یگتسبمه کاخ تبوطر اب یعیسو لکش هب

Araya et al., 2021; Fathololoumi et (

al., 2020

یفرط زا .)

کفت ناوت ی ک ذپ ی ر ی ناکم ی قم تشرد ی سا روسنس یاه ام ی وورک ی و غ ی لاعفر نینچمه و ربز للاتخا تارثا

ی خ و کا

گ ششوپ ی ها ی رب یم دودحم ار اهروسنس نیا زا هدافتسا ناکما ،ویورکیام جاوما شنکارپ یلاحرد .دنک

هک فعض طاقن شور نیا

م ار ی ات ناوت

ز دح ی دا ی هداد زا هدافتسا اب اه

ی رود زا شجنس یرون

- ترارح ی درک فرطرب ت.

تاقیقح ز ی دا ی ارب ی اپ ی ش حطس کاخ تبوطر ی

هدافتسا اب

شور زا اه ی کرت ی ب اهراون زا تاعلاطا ی

ئرم هاتوک جوم لوط و کیدزن زمرق نودام ،ی تسا هدش ماجنا

( Babaeian et al., 2018;

Khellouk et al., 2020

جیاتن لاحنیااب .) Na et al

( .

) 2021

هداد هک داد ناشن ششوپ تارییغت ،یرون رود زا شجنس یاه

اب ار یهایگ

یم ناشن کاخ تبوطر تارییغت هب تبسن ریخأت صخاش ریخأت نامز رادقم هک دنهد

.دراد یگتسب هایگ دشر هلحرم هب یرون یاه

ثلثم شور ی

جیار هک تسا یترارح رود زا شجنس شور نیرت اپ رب

ی ه هطبار ف ی ز ی ک ی ب ی ن امن ی ه گ ی ها ی امد و ی مز حطس ی ن هک تسا هب

لکش ی ک شنکارپ رادومن هطقن

ا ی امن ی ش م هداد ی دوش و رد نآ اضف موهفم زا ی

ثلثم ی زاب رد ی با ی حطس کاخ تبوطر ی

ب قطانم رد ششوپ ا

گ ی ها ی م هدافتسا ی دوش (

Potopová et al., 2020

شهوژپ نیا رد نیاربانب .)

هجوت هژیو هب یا هداد یرون سرتسد لباق و ناگیار یاه -

تسدنل هراوهام یترارح -

8 خ تبوطر دروآرب هنیمز رد کا

یحطس تسا هدش .

Babaeian et al

( .

) 2021

رد انوزیرآ هاگشناد رد یشهوژپ رد

صخاش تیلباق یسررب هب ،اکیرمآ جیاتن .دنتخادرپ مدنگ هایگ هشیر هقطنم رد کاخ تبوطر دروآرب رد یرون یاه

رامآ ی نآ اه ناشن هک داد

ینعم هطبار یاطخ اب کاخ تبوطر و یبرجت هطبار نیب یراد

02 / 0 .دراد دوجو بعکم رتم یتناس رب بعکم رتم یتناس

Duethmann et al

.

( ) 2022

ربآ هضوح رد ی

ز

Demnitzer Millcreek

ناملآ رد تبوطر تیعضو یبایزرا هب اب کاخ

زا هدافتسا هداد

شجنس یاه .دنتخادرپ رودزا

جیاتن نیب داد ناشن شهوژپ نیا

SWI5

هزادنا تبوطر و هدش یریگ

،کاخ ینعم یگتسبمه ( دراد دوجو یراد

86 / 0 - 64 / 0 رکذ هب مزلا .)R=

یاهدرکیور زا هدافتسا تسا برجت

یرون ی - ترارح زاین ی هب یسررب ط ی ف سو یع ی ارش زا ی ط گ ششوپ ی ها ی رد کاخ تبوطر و ی

ک هیحان ی

صاخ مه هک دنراد ی

هش من ی ناوت نآ اه ار دروآرب درک

Barrett & Petropoulos, 2013(

.)

ور نیا زا خا ی

،ًار نکت زا هدافتسا ی

ک اه ی لدم اه ی ی گدا ی ر ی نیشام ارب ی مخت ی ن لد هب کاخ تبوطر ی

ل اناوت یی نآ ب هلباقم رد اه سب ا

ی را ی

دودحم زا ی ت

،اه ب هجوت ی رتش ی تسا هدرک بلج دوخ هب ار

( Fathololoumi et al., 2020; Han et al., 2018

. )

تیزم لصا ی لدم اه ی

1Time-domain reflectometer 2 Frequency domain reflectometry 3 Soil moisture neutron probe 4 Ground penetrating radar 5 Soil water index

(4)

ی گدا ی ر ی نیشام اناوت یی نآ اه اسانش رد یی پ طباور دمآراک و راکدوخ ی

چ ی هد و جارختسا و ی

گژ ی اه ی ناکم ی - نامز ی هداد فلتخم عاونا زا اه

ی

تصرف هک تسا ماخ ی

ارب ی مخت ی ن قد ی ق رت کاخ تبوطر لیفورپ م مهارف

ی دنک . بیکرت اب کاخ تبوطر دروآرب هنیمز رد یدایز یتاقیقحت

شور اه ی فلتخم رود زا شجنس و

لاثم روط هب .تسا هتفرگ تروص نیشام یریگدای

Fathololoumi et al ( .

)2020

کاخ تبوطر اب ار

زا هدافتسا صخاش

اه ی هدش قتشم هداد زا

یاه تسدنل - 8 لدم و متیروگلا( نیشام یریگدای یاه یاه

یفداصت لگنج (1

نویسرگر و )RF

هناگدنچ یطخ (2

))MLR

پ ی ش بی ن ی درک دن . نآ جیاتن متیروگلا هک داد ناشن اه لدم رد ار درکلمع نیرتشیبRF

.تسا هتشاد کاخ تبوطر یزاس

Ge

et al

( . ) 2019

صخاش زا هدافتسا اب متیروگلا اب بیکرت رد داپهپ ریواصت زا لصاح یرون یاه

یاه عیرس یریگدای نیشام وRF

(3

هب )ELM

کاخ تبوطر دروآرب حطس

زا یکاح یسررب نیا جیاتن .دنتخادرپ نیچ گناکوف رهش زا یقطانم رد ی لدم یرترب

لدم هب تبسنRF ELM

نآ نینچمه .دوب هک دندرک نایب اه

کرت ی ب صخاش اه ی یرون و متیروگلا مخت ناکماRF

ی ن کاخ تبوطر حطس

ار ی لااب تقد اب بیرض(

نییبت 91 / 0 یبسن فارحنا دصرد و 39

/ 3 ) قم رد ی سا هقطنم ا ی م مهارف ی .دنک

نآ زا هداد ًاساسا ناریا قطانم بلاغ رد هک اج هزادنا کاخ تبوطر

یمن یریگ هداد زین جارختسا تروص رد و دوش

یهاگتسیا تروص هب اه

هطقن و هار رایسب یزرواشک بآ تیریدم رد هصیقن نیا عفر یارب بسانم ینیزگیاج نتفای اذل دوب دهاوخ یا جوت اب .دوب دهاوخ اشگ

دراوم هب ه

ا ،هدش رکذ ده

ا لصا ف ی ا ی ن :تسا ریز دراوم لماش هعلاطم

1 . دروآرب کاخ تبوطر دامتعا لباق یحطس

قم رد ی سا هقطنم ا ی زا هدافتسا اب لدم

اه ی ی گدا ی ر ی شام ی ن هداد کمک هب اه

ی یرون -

ترارح ی واصت زا لصاح ی

ر تسدنل - 8 ف تاعلاطا و ی

ز ی ک ی کاخ .

2 . سررب ی اراک یی روگلا ی مت اه ی فلتخم ی گدا ی ر ی شام ی ن زاب رد ی با ی فرعم و کاخ تبوطر ی

هب لدم ی هن .

3 . اسانش یی مهم رت ی ن اهرتماراپ ی ف ی ز ی ک ی و کاخ غتم ی اهر ی شجنس رودزا یرون - ترارح ی رد .کاخ تبوطر دروآرب

شور و داوم اه

هعلاطم دروم هقطنم

یعارز لاس رد یباراف میکح تعنص و تشک رکشین عرازم رد شهوژپ نیا 1399

- 1398 یباراف میکح تعنص و تشک تکرش .دش ماجنا

یاهدحاو زا یکی رد هک تسا ناتسزوخ ناتسا یبناج عیانص و رکشین هعسوت تکرش هناگ تفه

35 قرش و زاوها ناتسرهش بونج یرتمولیک

نیب ییایفارغج ضرع رد ،نوراک هناخدور 30

و 31 ییایفارغج لوط و هجرد 48

.دراد رارق هجرد تعنص و تشک لک تحاسم

14000 راتکه

نآ تشک ریز حطس و 12000

یاراد هک تسا راتکه 480

هعرزم 25 یراتکه ( 1000 250×

) تسا . هعلاطم دروم هقطنم ییایفارغج تیعقوم

لکش رد 1 .تسا هدمآ دودح ایرد دازآ حطس زا نآ عافترا رثکادح

12 و رتم نیب دحاو نیا یضارا بیش 1

/ 0 ات 2 / 0 د تسا رازه ر هقطنم نیا .

یگدنراب هنلااس نیگنایم اب کشخ همین و کشخ یاوه و بآ یاراد 203

م یلی اوه یامد هنلااس نیگنایم ،رتم 92

/ 22 یتناس هجرد و دارگ

سلاک تشت زا هنلااس ریخبت نازیم هبA

24 / 2270 یلیم یم رتم .دشاب

هداد هدافتسا دروم ینیمز یاه

لدم تهج یزاس

قد ی ق غت یی تار تبوطر ی هداد زا هعلاطم دروم هرود لوط رد یاه

حطس کاخ تبوطر هزادنا ی

هدش یریگ دب .دش هدافتسا

ی ن

هنومن روظنم یگ

ر ی اه رد 27 هنومن و ماجنا هعلاطم دروم هقطنم رد فلتخم هطقن اه

هلصافلاب یارب

زوت ی ن امزآ هب ی هاگش سپ .دندش لقتنم زا

هزادنا یگ ر ی لوا ی

،ه هنومن اه ب ه تدم 24 امد رد تعاس ی

108 تناس هجرد ی

دارگ اهن رد و دندش هداد رارق ی

ت هنومن کشخ نزو اه

هزادنا یگ ر ی و

مرج تبوطر رادقم ی

هلداعم زا هدافتسا اب کاخ 1

اهن رد .دش جارختسا ی

ت ا برض اب ی ن رهاظ صوصخم نزو رد رادقم ی

، مجح تبوطر ی

درگ هبساحم کاخ ی

د .

هطبار 1

θ_m= M_w-M_s )

M_s

نآ رد هک

θm

،کاخ یمرج تبوطر دصرد

Mw

و )مرگ( کاخ هنومن رت نزو

Ms

.تسا )مرگ( کاخ هنومن کشخ نزو

1 Random forest

2 Multiple linear regression 3 Extreme learning machine

(5)

کش ل 1 - ییایفارغج تیعقوم هعلاطم دروم هقطنم

هزادنا روظنم هب یگژیو یریگ

ادتبا ،کاخ یکیزیف یاه هنومن

اه ی کشخ اوه رد کاخ ( کلا زا ندیبوک زا سپ و دندش

2 یلیم )یرتم

سپس و دندش هداد روبع )نش و تلیس ،سر دصرد( کاخ تارذ یبسن یناوارف

رتموردیه شور هب

( Day, 1965

یرهاظ صوصخم نزو و)

1

( یمجح شور هب )BD (

Blake, 1965

.دش هبساحم)

هداد هیهت ریواصت شزادرپ و اه

تسدنل هراوهام ریواصت زا شهوژپ نیا رد -

8 هراوهام .دیدرگ هدافتسا کاخ تبوطر دروآرب تهج تسدنل

- 8 رات رد ی خ 4 روف ی ه 2013 زا

ک لا ی نرف یا اکیرمآ ، .دش باترپ اضف هب هراوهام نیا رد

هداد رمتسم ذخا اه

ود طسوت هدنجنس

وصت ی ر لمع رادرب ی تا ی مز ی

2ن ( زمرق نودام و )OLI

ترارح

3ی ( ) TIRS

م تروص ی یگ در . هدنجنس ارادOLI

ی ط دناب هن یف ی ئرم هدودحم رد ی

، دزن زمرق نودام ی

ک جنس و رود و هدن

ارادTIRS

ی

ط دناب ود یف ی ترارح زمرق نودام هدودحم رد ی

م رود ی دادعت .دشاب 16

صت هراوهام زا ربا نودب ریو تسدنل

- 8 م هزادنا اب رظانت گ

ی یر یاه مز ین ی

تبوطر

،کاخ اس زا ی ت

4) https://glovis.usgs.gov/) (USGS

) دولناد نآ کیرتمویدار و یرفسمتا تاحیحصت و اب اه

مرن رازفا

Envi 5

5.3.1

پ تیاهن رد .دش ماجنا س

داقم هبساحم زا ی

ر اهدناب شباتزاب ی

ط یف ی

، صخاش اه ی یهایگ (6

( یتبوطر ،)NDVI , NTR8

NSMI7

و )

( یترارح رظن دروم )SWI

لودج( دندش جارختسا 1

هک تسا رکذ هب مزلا .) نیمز حطس یامد

(9

هدش هبساحم یکت لاناک شور هب )LST

.تسا یNDVI

ک زبس صخاش ی

گن ی لاعف و تسا طبترم زتنسوتف طسوت هدش بذج شبات تبسن اب هک تسا ی

ت فورلک ی ل گ ی ناها سکعنم ار

م ی دنک ( لکش . 2 غت هشقن ) یی تار ناکم ی صخاش م ناشن دشر هرود لوط رد ار NDVI

ی دهد سررب اب . ی غت یی تار ناکم ی صخاش

NDVI

م هدهاشم ی

دوش غت دنور هک یی

تار د لوط رد نآ هرو

سررب دروم ی

وص هب ازفا تر ی ش ی روط هب ؛تسا هدوب ی

ب تحاسم هامرهم رد هک ی

تش ر ی زا

اراد هقطنم ی

بNDVI

ی رتش زا 7 / 0 دوب .

1 Balk density

2 Operational land imager 3 Thermal infrared sensor 4 United states geological survey 5 Environment for visualizing images 6 Normalized difference vegetation index 7 Normalized soil moisture index 8 NIR transformed reflectance 9 Land surface temperature

(6)

کش ل 2 صخاش یناکم تارییغت . دشر هرود لوط ردNDVI

ا هک تسا یکیزیف صخاش کیNTR

رظن ز ی ه شبات لاقتنا ی

اش ود ر

Kubelka-Munk

و هدش قتشم رقت

ی

ًاب اوتحم اب ی حطس بآ ی

هایگ گتسبمه ی .دراد کیNSMI

یم هک تسا یتبوطر صخاش یتبوطر طیارش رد ار یحطس کاخ تبوطر تیعضو زا یبسانم تاعلاطا دناوت

نییاپ زا رت 50 دنک هئارا یمجح دصرد (

Lobell & Asner, 2002

).

یتبوطر صخاش یکیزیف هطبار هیاپ ربSWI

نیب یهایگ ششوپ صخاش و

یم لمعLST

دنک و کی لکش هب ثلثم

هطقن شنکارپ یا

شیامن یم هداد ش و د.

لودج 1 صخاش . تسدنل ریواصت زا هدش جارختسا یاه -

8

ریغتم دامن

لومرف عبنم

ششوپ یلضافت صخاش ش لامرن یهایگ

د ه ρNIR − ρRed NDVI

ρ_{NIR +} ρ_Red Gates et al. (1965)

هدش لامرن کاخ تبوطر صخاش ρSWIR1− ρSWIR2 NSMI

ρ_SWIR1+ ρ_SWIR2 Haubrock et al.

(2008)

هدش لیدبت باتزاب NTR NIR

(1 − ρ_NIR)² 2 ρNIR

Kubelka and Munk (1931)

کاخ یسیخ صخاش LSTMax − LST SWI

LST_Max− LST_Min Sandholt et al. (2002)

:نآ رد هک 𝛒_𝐍𝐈𝐑 ، کیدزن زمرق نودام ساکعنا 𝛒_𝐑𝐞𝐝

،زمرق دناب ساکعنا : 𝛒_{𝐒𝐖𝐈𝐑𝟏}

هاتوک جوم لوط زمرق نودام ساکعنا : 1

، 𝛒_{𝐒𝐖𝐈𝐑𝟐} نودام ساکعنا :

هاتوک جوم لوط زمرق 2

، ،نیمز حطس یامد :LST 𝐋𝐒𝐓_𝐌𝐚𝐱

و کشخ هبل : 𝐋𝐒𝐓_𝐌𝐢𝐧

هبل : یثلثم یاضف رد بوطرم

تسا ریغتم یهایگ ششوپ و ییاوه و بآ طیارش هب هتسب صخاش نیا و

هدافتسا یثلثم یاضف موهفم زا کاخ تبوطر جارختسا یارب

یم لکش( دنک 3

طباور زا هدافتسا اب روظنم نیدب .) 2

و 3 هبل ( کشخ یاه

LSTmax

( بوطرم و )

LSTmin

یم هبساحم ریوصت ره ) و دوش

ارب سپس صخاش ،یثلثم یاضف ساس یم هبساحم لباقSWI

.دوش

(7)

کش ل 3 . رادومن یثلثم یهایگ ششوپ /امد Sandholt et al., 2002 (

)

هطبار 2

= a + b NDVI )

LSTmax

هطبار 3

= c + d NDVI )

LSTmin

نآ رد هک ه ،ا و هدش لامرن یهایگ ششوپ یلضافت صخاشNDVI

،a

،b

وc

بیرضd

.دنتسه طخ یاه

لدم نیشام یریگدای یاه

هناگدنچ یطخ نویسرگر

شور مه لیلحت ناکما ،MLR

ریغتم یدادعت رثا نامز یم مهارف ار هتسباو ریغتم کی رب لقتسم

دیامن . دراو روظنم هب ماگ هب ماگ شور زا

.دش هدافتسا هناگدنچ یطخ نویسرگر رد اهریغتم ندرک رد

نیا شور یمامت لقتسم یاهریغتم دراو

لدم یم شقن رگا و دنوش نعم

ی رد یراد

یم فذح نآ زا دنشاب هتشادن نویسرگر دنوش

Eshaghi et al., 2010(

.)

یطخ نویسرگر هلداعم هناگدنچ

،هدش هدافتسا شهوژپ نیا رد هک

هلداعم رد 4

.تسا هدش هداد ناشن

هطبار 4 )

Y=a+bX1 +cX2 +dX3 +…

نآ رد هک ،کاخ تبوطرY

,….

,X3

,X2

X1

شیپ یاهرتماراپ و هدننک ینیب

a,b,c,…

یم هلداعم بیارض دشاب

.

میمصت تخرد رب ینتبم یاه لدم

نیشام یریگدای ِسلاک رد میمصت ناتخرد یم رارق هدش تراظن یاه

لیلد هب و دنریگ پی

هدا زاس و ی سفت ی ر ناسآ یم ، دنناوت ب ا اتن ی ج لباق

دامتعا ب ی ار ی عاونا غتم ی اهر ی پ ی هتسو لامعا هتسسگ و دنوش

. تخرد یCART

ک سرگر شور ی

نو ی تسا لاس رد هک 1984

طسوت

Breiman et al

( . ) 1984

متیروگلا .دش یفرعم هدادCART

یم میسقت ییودود یتشگزاب تروص هب ار یدورو یاه هب رداق نینچمه و دنک

هتسد و یددع یاهریغتم شزادرپ .تسا یا

متیروگلا نیا هرگ

اه ی دلاو ی ن قد ار ی

ًاق یم بعشنم دنزرف هورگ ود هب و دنک

هب روط گزاب بعشنم یتش

باعشنا هک ینامز ات ار ندرک دی

رگ ی یم همادا ،دوش هتخاس دناوتن .دهد

سپ زا ،تخرد تخاس یم ماجنا تخرد ندرک سره تایلمع

.دوش

Wang and Witten

( )1996

روگلا ی مت روگلا زا ارM5P

ی مت اربM5

ی پ ی ش بی ن ی هداد هتسویپ یاه زاسزاب

ی پ و ی داهنش زم .دندرک ی

ت

لصا ی اM5P

ی ن م تخرد هزادنا شهاک اب هک تسا ی

هداد هعومجم رد دناوت اه

گرزب ی زا رتهب

ا .دنک لمعM5

ی ن لدم ریاس فلاخرب

لدم نیشام یریگدای یاه

1( وANN SVR2

تحارص هب ) نمض طباور و اهوگلا

ی هداد دنچ ساسا رب ار اه ی

ن سرگر تلاداعم و نوناق ،لصا ی

نو ی

ت فیصو م ی دنک . تخرد هعسوت لصا هلحرم هس لماشM5P

ی تخرد ندرک فاص و تخرد سره ،تخرد تخاس .تسا

رتشیب حیضوت یارب

شهوژپ هب

Wang and Witten

( ) 1996

.دوش هعجارم

1 Artificial neural network 2 Support vector regression

(8)

لدم یعمج یریگدای رب ینتبم یاه

لاس رد اه ی خا ی

،ر روانف هعسوت اب ی

پماک ی رتو روئت و ی ی گدا ی ر ی شام ی

،ن روگلا ی مت اه ی ی گدا ی ر ی یعمج ازف روط هب ی

هدن ا ی مز رد ی هن اه ی

هب ،فلتخم وی

هژ قحت رد ی تاق زرواشک ی هتفرگ رارق هدافتسا دروم دنا

(

Babaeian et al., 2021; Nguyen et al., 2022

) . ی گدا ی ر یعمج ی

ای هورگ ی ارب ًاتدمع ی کرت ی ب دنچ ی گدا ی هدنر ب روظنم هب ه

ندروآ تسد ی

ک عماج و رتهب لدم وق تراظن اب

ی م هدافتسا ی .دوش لا روگ ی مت اه ی

ار ی ج ی گدا ی ر ی یعمج روگلا لماش ی

مت اه ی ( یتیوقت

Boosting

)،

هسیک ( یراذگ

Bagging

) هتشابنا و یزاس (

Stacking

) .دنتسه یتیوقت شور

هلحرم شور کی هبور یا

رد هک تسا ولج لدم ،نآ

هب یتخرد یاه هعومجمریز اب ریذپرارکت تروص

هداد زا یا یاه

یشزومآ هداد شزارب

یم دنوش . طسوتGBRT Friedman

( )2001

ناونع هب ی ک نکت ی ک ی گدا ی ر ی یعمج یتیوقت متیروگلا اب فرعم

ی دش جم بلاق رد هک هعوم

یا

لدم زا هب یتخرد یاه لاوتم تروص

ی م هداد شزومآ ی

دوش شور . ک ی هس راذگ ی ی ا مجت ی ع پرتسا توب

، ی ک هعومجم شور ا

ی لماش هک تسا

دنچ شزومآ ی

ن روگلا راب ی مت ز زا هدافتسا اب ی

ر هعومجم اه ی رادرب هنومن فلتخم ی

اه هداد زا هدش ی

شزومآ ی .تسا طسوتRFR

Friedman

( )2001

ناونع هب ی

ک نکت ی ک ی گدا ی ر ی یعمج متیروگلا اب ک

ی هس راذگ ی فرعم ی دش .

نیا رد شهوژپ لدم روظنم هب

،یزاس هداد هعومجم هب اه

70 هداد دصرد یاه

و شزومآ 30

دصرد هداد یاه مزآ شیا .دندش میسقت

شیپ تهج لدم ینیب

رازفا مرن زاMLR SPSS1

لدم و دش هدافتسا یزاس

متیروگلا ریاس نیشام یریگدای یاه

حم رد ی ط

Spyder

نابز اب

ون همانرب ی س ی

Python

شور زا نینچمه .دش ماجنا لباقتم یجنس رابتعا

10-folds

لدم یاهرتماراپارف میظنت و یزاس هنیهب روظنم هب یاه

لودج .دش هدافتسا نیشام یریگدای 2

یم ناشن ار کاخ تبوطر دروآرب رد یدورو یاهریغتم و اهویرانس تاصخشم نیا ماجنا لحارم .دهد

لکش رد شهوژپ 4

.تسا هدش هئارا

ودج ل 2 شهوژپ نیا رد هدش فیرعت یاهویرانس .

یدورو یاهریغتم ویرانس

B, G, R, NIR, SWIR1, SWIR2 1

B, G, R, NIR, SWIR1, SWIR2, LST 2

B, G, R, NIR, SWIR1, SWIR2, LST, SWI 3

B, G, R, NIR, SWIR1, SWIR2, NDVI, NSMI, NTR 4

B, G, R, NIR, SWIR1, SWIR2, LST, SWI, NDVI, NSMI, NTR, 5 B, G, R, NIR, SWIR1, SWIR2, LST, NDVI, NSMI, NTR, SWI, Sand, Silt, Clay, BD 6 B, G, R, NIR, SWIR1, SWIR2, LST, Sand, Silt, Clay, BD 7

NDVI, NSMI, NTR, SWI, Sand, Silt, Clay, BD 8

LST, NIR, SWIR2, NDVI, NSMI, NTR, SWI 9

SWIR2, LST, SWI 10

:نآ رد هک

،یبآ دناب ساکعنا :B ،زبس دناب ساکعنا :G

،زمرق دناب ساکعنا :R ،کیدزن زمرق نودام ساکعنا :NIR

SWIR1 لوط زمرق نودام ساکعنا :

هاتوک جوم 1 SWIR2 ، هاتوک جوم لوط زمرق نودام ساکعنا : 2

LST ، ،نیمز حطس یامد : ،کاخ یسیخ صخاش :SWI

:NDVI لضافت صخاش ی

ششوپ

گ ی ها ی هدش لامرن NSMI ،

: هدش لامرن کاخ تبوطر صخاش NTR ،

: باتزاب دبت ی ل NIR هدش Sand ، ،نش : ،هسام :Silt

،سر :Clay یلاگچ :BD

یرهاظ

لدم تقد یبایزرا اه

هب زرا روظنم ی با ی م و تقد ی ناز لدم درکلمع اه

ی سررب ی رد هدش ا ی ن اقم و شهوژپ ی

هس نآ اب اه هزادنا کاخ تبوطر هدش یریگ

عم زا یا اهر ی

رض ی ب بت یی ن (

R2

) ، م رذج ی گنا ی ن ( اطخ تاعبرم

RMSE2

) و م ی گنا ی ن قلطم ردق اطخ

(

MAE3

) ریز طباور ساسارب هدافتسا

دش .

هطبار 5

[∑^N_i=1(θ_obs−θ̅_obs)(θ_est−θ̅_est)]² )

∑^N_i=1(θ_obs−θ̅_obs)² ∑^N_i=1(θ_est−θ̅_est)² 2 =

R

1 Statistical package for the social sciences 2 Root mean square error

3 Mean absolute error

(9)

هطبار 6 )

RMSE = √¹

N∑^N_i=1(θ_est− θ_obs)²

هطبار 7 )

MAE = ^∑ ^|(θ^est^−θ^obs^|

Ni=1

N

ا رد هک ی اجن

θ_obs

هزادنا کاخ تبوطر رادقم گ

ی ر ی و هدش

θ_est

،هدش دروآرب کاخ تبوطر رادقم

θ̅_obs

و

θ̅_est

ب ترت ه ی ب م ی گنا ی ن

کاخ تبوطر هزادنا

گ ی ر ی هدش دروآرب و هدش یم

.دنشاب

کش ل 4 قیقحت یلک دنور .

ثحب و جیاتن

هزادنا کاخ تبوطر یگتسبمه هداد اب هدش یریگ

رود زا شجنس یاه

نومزآ کمک هب تسخن ماگ رد گتسبمه

ی پ ی نوسر هزادنا کاخ تبوطر نیب طابترا یسررب هب و هدش یریگ

غتم ی اهر ی کمک ی م قتش زا هدش

تسدنل ریواصت 8-

اهدناب(

صخاش و یاه

یرون ) دش هتخادرپ لکش(

5 .) یگتسبمه نومزآ نیا جیاتن نعم

ی راد ار ی بی ن تبوطر کاخ و 11

غتم ی ر رب ینتبم هداد

رود زا شجنس یاه یم ناشن

( دهد

p<0.05

).

نیرتلااب ریغتم طسوت یحطس کاخ تبوطر اب یگتسبمه ریداقم یاه

،SWI

،NSMI SWIR2

و یلاح رد ؛دش هدهاشمB

یاهدناب هک ،R

،G

،NIR SWIR1

و مکLST

دنداد ناشن ار یگتسبمه نازیم نیرت

لکش(

5 .) نامه هک روط

Nolet et al

( . ) 2014

ساسا رب ه راتفر ی لورد ی ک ی رد بآ طیارش غ ی عابشار یاهدناب فیعض یگتسبمه ،دندرک نایب

و کاخ تبوطر نیب یشهاک و یطخریغ راتفر لیلدب ًلاامتحا یرون یم نآ زا لصاح یفیط باتزاب

دناب باتزاب یفرط زا .دشاب کاخ ردNIR

یهایگ ششوپ اب هارمه و تخل ًلاماک

هب رجنم هک تسا توافتم پ

ی چ ی هد رت باتزاب هطبار زا هدافتسا ندش نیمخت ردNIR

حطس تبوطر ی

رد ناکم اب ییاه طولخم ی گ ششوپ و کاخ زا ی

ها ی یم ددرگ (

Khellouk et al., 2020

) اتسار نیمه رد .

Adab et al

( . )2020

رد

هعلاطم یا سررب هب ی ب طباور ی ن کاخ تبوطر و یحطس

اهدناب ی یرون - ترارح ی دنتخادرپ نآ جیاتن . رش رد اهدناب توافتم راتفر زا یکاح اه

طیا

(10)

دناب هک یروط هب ؛دوب کاخ حطس ششوپ فلتخم

SWIR1

و

SWIR2

بیترت هب بی

ش رت ی ن گتسبمه ی ار تبوطر اب کاخ

یحطس و تخل

.دنتشاد یهایگ ششوپ اب هارمه صخاش یلکروط هب یاه

یرون اک ییاناوت اب اطخ شه

ی مز سپ ی هن دیدج تاعلاطا جارختسا تهج و

هداس دنیآرف یزاس یاه

سفت و ری

هراوهام ریواصت شزادرپ یا

، معم ًلاو اهدناب زا رتهب ی

یرون درفنم یم یگژیو نیا صاخ روط هب هک دنهد ناشن ار کاخ تبوطر تارییغت دنناوت

جیاتن رد

Wang et al

( . ) 2020

یم هدهاشم .دوش

Babaeian et al

( . ) 2021

و

Acharya et al

( . ) 2021

هک دنداد ناشن ط باتزاب

یف ی

کاخ رب هولاع اوتحم ی م بآ ی ثأت تحت دناوت ی

ر تاذ لماوع ی

لآ هدام رادقم دننام کاخ ی

، زوت ی ع کرت ،تارذ هزادنا ی

ب ندعم ی

، ربز ی طس و ح

گ رارق کاخ رصانع گنر ی

در یاهدرکیور رد یکمک ریغتم کی ناونع هب کاخ یکیزیف صاوخ یسررب نیاربانب . ط

یف وطر دروآرب ی کاخ تب

یم یحطس .دشاب هتشاد ییازسب ریثأت دناوت

کش ل 5 - نوسریپ یگتسبمه بیرض R(

هداد نیب) تسدنل زا لصاح رود زا شجنس یاه -

8 هزادنا کاخ تبوطر و هدش یریگ

لدم درکلمع یبایزرا نیشام یریگدای یاه

لودج 3 یریگراک هب جیاتن 10

لودج( فلتخم ویرانس 2

شیپ رد ) کاخ تبوطر ینیب اب

لدم زا هدافتسا یم ناشن ار نیشام یریگدای یاه

هد .د

رظن زا صخاش هزادنا یاه ( یریگ

R2

RMSE ،

و ًابیرقت )MAE

همه متیروگلا هعلاطم دروم نیشام یریگدای یاه .دنتشاد یلوبق لباق درکلمع

لدم مامت رد کاخ تبوطر یاهدروآرب یاهویرانس رد ناسکی ًابیرقت یدنور نیشام یریگدای یاه

1 ات 10 لودج( تشاد 3

ویرانس درکلمع .)

هداد بیکرت اب لوا رون رود زا شجنس یاه

لماش( ی دناب

اه ی طانغمورتکلا ی

س ی , RGB

وNIR )SWIR

رد لدم دروم نیشام یریگدای یاه

رادقم نیرتمک هب رجنم هعلاطم

R2

98(

/ 0 - 44 / 0 شیب و)

رادقم نیرت (RMSE

11 / 0 - 02 / 0

3

cm-

cm3

و ) (MAE

1 / 0 - 006 / 0

cm-

cm3

یلاح رد .دش )3

صخاش و یترارح دناب ندش هفاضا اب هک هداد هبSWI

یاه یاهویرانس( یدورو 2

و 3 لدم درکلمع ) نیشام یریگدای یاه

مشچ روط هب لدم مامت رد موس ویرانس نینچمه .تفای دوبهب یریگ

نیمخت نیشام یریگدای یاه قیقد یاه

د هئارا مود یویرانس زا یرت دا

لودج(

3 .)