توسعه یک روش کارآمد مبتنی بر آموزش ماشین و داده های زمینی و ماهواره ای برای پیش بینی و پهنه بندی خشکسالی کشاورزی در ایران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران.

چکیده

خشکسالی یکی از خطرناک‌ترین وقایع طبیعی برای هر کشور به حساب می‌آید. به همین علت نظارت و پیش‌بینی این پدیده در دنیای امروز از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. در این پژوهش، از شاخص خشکسالی SPEI که از معروف‌ترین شاخص‌های خشکسالی به شمار می‌رود، برای پیش‌بینی خشکسالی استفاده شده است. برای محاسبه این شاخص، ترکیبی از داده‌های زمینی و سنجش از دور مورداستفاده قرار گرفته است. با توجه به وزن مختلف هر کدام از این داده‌ها در محاسبه شاخص خشکسالی، ابتدا پارامترهای مؤثر توسط روش‌های انتخاب پارامتر مؤثر مانند روش فیلتر و روش لاسو برگزیده شده و به عنوان پارامترهای ورودی مدل در نظر گرفته شدند. سپس با استفاده از 4 روش یادگیری ماشین شامل جنگل تصادفی تصحیح بایاس شده، جنگل تصادفی، ماشین بردار پشتیبان و پرسپترون چندلایه شاخص خشکسالی محاسبه شده است. برای اعتبارسنجی نتایج هر کدام از این مدل‌ها، از شاخص‌های RMSE، R2، MSE و MAE استفاده شده و سپس بر اساس مقادیر این شاخص‌ها، مدل جنگل تصادفی تصحیح بایاس شده با مقادیر R^2=0.9858 و RMSE=0.1190 برای خوشه 1 و R^2=0.9809 و RMSE=0.1375 برای خوشه 2 به عنوان مدل دارای بهترین عملکرد انتخاب شده است. در نهایت از نتایج مدل بهینه برای تهیه نقشه‌های پهنه‌بندی خشکسالی به منظور شناسایی و طبقه‌بندی مناطق مستعد به شرایط خشکسالی استفاده گردید. این نقشه‌ها می‌توانند اطلاعات ارزشمندی را در رابطه با توزیع و شدت خشکسالی در مناطق مختلف در اختیار ذینفعان و متخصصان قرار دهند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Developing a Robust Data-Driven Model Based on Ground and Satellite Measured Data for Agricultural Drought Prediction in Iran

نویسندگان [English]

  • Mahan Azizi
  • Ali Abbasi
Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
چکیده [English]

Drought is considered one of the most hazardous natural phenomena for any country. Therefore, monitoring and forecasting this phenomenon are of critical importance in today's world. To this end, the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI), one of the most applied drought indices, was employed for drought prediction. To calculate this index, a combination of ground-based and remote sensing data was utilized. Given the different weights of each of these data types in calculating the drought index, the most relevant parameters were first selected using feature selection methods such as the Filter method and the LASSO method and were considered as input parameters for the model. Furthermore, artificial intelligence was utilized to apply various machine learning algorithms, resulting in the development of several models. These algorithms included Bias-Corrected Random Forest, Random Forest, Support Vector Machine, and Multilayer Perceptron. To validate the results of each of these models, indices such as RMSE, R², MSE, and MAE were used. Based on the values of these indices, the Bias-Corrected Random Forest model with R² = 0.9858 and RMSE = 0.1190 for cluster 1 and R² = 0.9809 and RMSE = 0.1375 for cluster 2 was selected as the best-performing model. Finally, the results of the optimized model were used to create drought zoning maps to identify and classify areas prone to drought conditions. These maps can provide valuable information on the distribution and intensity of drought across different regions to stakeholders and experts.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Drought
  • Remote sensing
  • Machine learning
  • SPEI drought index
  • Drought maps
CAPTCHA Image