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Enregistrement W2935876239 · doi:10.3390/rs11080920

A Random Forest Machine Learning Approach for the Retrieval of Leaf Chlorophyll Content in Wheat

2019· article· en· W2935876239 sur OpenAlexaff
Syed Haleem Shah, Yoseline Angel, Rasmus Houborg, Shawkat Ali, Matthew F. McCabe

Notice bibliographique

RevueRemote Sensing · 2019
Typearticle
Langueen
DomaineEnvironmental Science
ThématiqueRemote Sensing in Agriculture
Établissements canadiensAgriculture and Agri-Food Canada
Organismes subventionnairesKing Abdullah University of Science and Technology
Mots-clésRemote sensingSpectroradiometerEnvironmental scienceHyperspectral imagingRandom forestVegetation (pathology)Computer scienceSoil scienceReflectivityGeographyMachine learning

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Developing rapid and non-destructive methods for chlorophyll estimation over large spatial areas is a topic of much interest, as it would provide an indirect measure of plant photosynthetic response, be useful in monitoring soil nitrogen content, and offer the capacity to assess vegetation structural and functional dynamics. Traditional methods of direct tissue analysis or the use of handheld meters, are not able to capture chlorophyll variability at anything beyond point scales, so are not particularly useful for informing decisions on plant health and status at the field scale. Examining the spectral response of plants via remote sensing has shown much promise as a means to capture variations in vegetation properties, while offering a non-destructive and scalable approach to monitoring. However, determining the optimum combination of spectra or spectral indices to inform plant response remains an active area of investigation. Here, we explore the use of a machine learning approach to enhance the estimation of leaf chlorophyll (Chlt), defined as the sum of chlorophyll a and b, from spectral reflectance data. Using an ASD FieldSpec 4 Hi-Res spectroradiometer, 2700 individual leaf hyperspectral reflectance measurements were acquired from wheat plants grown across a gradient of soil salinity and nutrient levels in a greenhouse experiment. The extractable Chlt was determined from laboratory analysis of 270 collocated samples, each composed of three leaf discs. A random forest regression algorithm was trained against these data, with input predictors based upon (1) reflectance values from 2102 bands across the 400–2500 nm spectral range; and (2) 45 established vegetation indices. As a benchmark, a standard univariate regression analysis was performed to model the relationship between measured Chlt and the selected vegetation indices. Results show that the root mean square error (RMSE) was significantly reduced when using the machine learning approach compared to standard linear regression. When exploiting the entire spectral range of individual bands as input variables, the random forest estimated Chlt with an RMSE of 5.49 µg·cm−2 and an R2 of 0.89. Model accuracy was improved when using vegetation indices as input variables, producing an RMSE ranging from 3.62 to 3.91 µg·cm−2, depending on the particular combination of indices selected. In further analysis, input predictors were ranked according to their importance level, and a step-wise reduction in the number of input features (from 45 down to 7) was performed. Implementing this resulted in no significant effect on the RMSE, and showed that much the same prediction accuracy could be obtained by a smaller subset of indices. Importantly, the random forest regression approach identified many important variables that were not good predictors according to their linear regression statistics. Overall, the research illustrates the promise in using established vegetation indices as input variables in a machine learning approach for the enhanced estimation of Chlt from hyperspectral data.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,002
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,002
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,012
Score d'incertitude au seuil0,024

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0020,002
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0010,000
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,000
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,001

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,017
Tête enseignante GPT0,210
Écart entre enseignants0,193 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations221
Publié2019
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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