Corn Grain Yield Prediction Using UAV-Based High Spatiotemporal Resolution Imagery, Machine Learning, and Spatial Cross-Validation
Notice bibliographique
Résumé
Food demand is expected to rise significantly by 2050 due to the increase in population; additionally, receding water levels, climate change, and a decrease in the amount of available arable land will threaten food production. To address these challenges and increase food security, input cost reductions and yield optimization can be accomplished using yield precision maps created by machine learning models; however, without considering the spatial structure of the data, the precision map’s accuracy evaluation assessment risks being over-optimistic, which may encourage poor decision making that can lead to negative economic impacts (e.g., lowered crop yields). In fact, most machine learning research involving spatial data, including the unmanned aerial vehicle (UAV) imagery-based yield prediction literature, ignore spatial structure and likely obtain over-optimistic results. The present work is a UAV imagery-based corn yield prediction study that analyzed the effects of image spatial and spectral resolution, image acquisition date, and model evaluation scheme on model performance. We used various spatial generalization evaluation methods, including spatial cross-validation (CV), to (a) identify over-optimistic models that overfit to the spatial structure found inside datasets and (b) estimate true model generalization performance. We compared and ranked the prediction power of 55 vegetation indices (VIs) and five spectral bands over a growing season. We gathered yield data and UAV-based multispectral (MS) and red-green-blue (RGB) imagery from a Canadian smart farm and trained random forest (RF) and linear regression (LR) models using 10-fold CV and spatial CV approaches. We found that imagery from the middle of the growing season produced the best results. RF and LR generally performed best with high and low spatial resolution data, respectively. MS imagery led to generally better performance than RGB imagery. Some of the best-performing VIs were simple ratio index(near-infrared and red-edge), normalized difference red-edge index, and normalized green index. We found that 10-fold CV coupled with spatial CV could be used to identify over-optimistic yield prediction models. When using high spatial resolution MS imagery, RF and LR obtained 0.81 and 0.56 correlation coefficient (CC), respectively, when using 10-fold CV, and obtained 0.39 and 0.41, respectively, when using a k-means-based spatial CV approach. Furthermore, when using only location features, RF and LR obtained an average CC of 1.00 and 0.49, respectively. This suggested that LR had better spatial generalizability than RF, and that RF was likely being over-optimistic and was overfitting to the spatial structure of the data.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
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.
score_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 découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».