Enhancing Winter Wheat Yield Estimation Using Machine Learning and Fusion of Radar and Optical Satellite Imagery
Notice bibliographique
Résumé
Accurate crop yield Mapping is paramount in agricultural monitoring and food security. In this study, we present a comprehensive investigation into estimating winter wheat yield in the Qazvin plane of Iran, leveraging the synergy between machine learning algorithms and the fusion of remote sensing data from radar and optical satellite sensors. The research is based on the availability of high-quality in situ yield data gathered by the Ministry of Agriculture in collaboration with the Food and Agriculture Organization (FAO), collected during the 2019–2020 crop year. The study area encompasses the Qazvin plane, an agriculturally significant region renowned for winter wheat production in Iran. In-situ data from various agricultural fields and seed types as reference measurements enabled us to conduct rigorous validation of the performance of machine learning algorithms and the effectiveness of the fused remote sensing data. The primary objective of this study is to assess and compare the performance of seven prominent machine learning algorithms for accurate estimation of the annual winter wheat yields. Furthermore, we investigate the individual and synergistic capabilities of radar and optical satellite sensors in estimating winter wheat yield. Through rigorous analysis of the pixel-level confusion matrices, we identify the most effective model for yield estimation, evaluating the complementarity and information redundancy between the two types of remote sensing data. In this study, we conducted an extensive comparison of various machine learning algorithms for winter wheat crop yield estimation in the Qazvin plane of Iran. Among the four best-performing algorithms examined, namely polynomial regression (RMSE = 0.5657 t/ha−1), random forest (RMSE = 0.1632 t/ha−1), XGBoost (RMSE = 0.3153 t/ha−1), and the proposed Multi-Layer Perceptron (MLP) (RMSE = 0.1324 t/ha−1), the MLP demonstrated superior performance. The MLP’s yield estimation exceeded the total yearly agricultural statistics of Qazvin by 0.19 percent. However, this discrepancy can be attributed to various factors, including errors in wheat and barley field mapping, miscalculation in cumulative statistics, and the inherent limitations of yield estimation algorithms in capturing the dynamic nature of agricultural systems. The findings of this research provide valuable insights into the potential of machine learning algorithms and remote sensing data fusion for accurate crop yield estimation, paving the way for enhanced agricultural monitoring and decision-making processes in the region.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi 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.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| 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 source (Gemma direct ou Codex distillé), 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 ».