برآورد تبخیر و تعرق مرجع با استفاده از داده‌های سنجش‌ازدور در دشت همدان بهار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد سنجش‌ازدور، دانشکدة نقشه‌‌‌برداری، دانشگاه صنعتی خواجه‌‌نصیرالدین طوسی

2 استاد دانشکدة مهندسی نقشه‌برداری، عضو قطب علمی فناوری اطلاعات مکانی، دانشگاه صنعتی خواجه‌‌نصیرالدین طوسی

3 استادیار گروه مهندسی نقشه‌برداری،دانشکدة عمران، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

چکیده

باتوجه‌ به افزایش تولید محصولات کشاورزی و همچنین وقوع خشکسالی مکرر در بسیاری از مناطق جهان، نیاز شدید به برآورد دقیق‌تری از میزان آب مصرفی گیاهان و درنتیجه برآورد دقیق تبخیر و تعرق مرجع احساس می‌شود. معادلة پنمن مانتیث فائو برای برآورد تبخیر و تعرق مرجع به‌عنوان روشی استاندارد در بسیاری از تحقیقات معرفی شده است. از معایب اصلی این روش به‌صورت نقطه‌ای و دردسترس‌بودن داده‌های هواشناسی در مکان‌های خاص می‌باشد. درحالی‌که با استفاده از داده‌های سنجش‌ازدور می‌توان این مشکل را برطرف نمود. در این پژوهش، هدف اصلی ترکیب داده‌های سنجش‌ازدور با مدل-های یادگیری ماشین برای برآورد تبخیر و تعرق مرجع است. با استفاده از مدل‌های یادگیری ماشین، چالش‌های انتخاب بهترین مدل ممکن، متغیرهای ورودی مدل و دردسترس‌بودن داده‌های موردنیاز ایجاد می‌شود؛ بنابراین در این پژوهش مدل-های مطرح RF، GBR و SVR انتخاب و از داده‌های تصاویر لندست و شاخص‌های پوشش گیاهی استفاده شد. منطقه موردمطالعه، دشت همدان بهار واقع در مناطق غربی کشور است. در این پژوهش برای برآورد تبخیر و تعرق مرجع، از دو رویکرد استفاده شد که در رویکرد اول، متغیرهای ورودی مدل‌ها با مقادیر همة باندهای تصاویر لندست، درحالی‌که در رویکرد دوم، شاخص‌های پوشش گیاهی به‌عنوان ورودی مدل معرفی و استفاده شد. مدل RF با شاخص‌های پوشش گیاهی، نتایج آماری برابر با (%14.1=RMSE و %76.4=R2) داشت، درحالی‌که با استفاده از همة باندهای لندست (%11.7=RMSE و %84.1=R2) و همچنین در مقایسه با الگوریتم‌های دیگر، با مقداری دقت بیشتر تبخیر و تعرق مرجع را برآورد کرد. نتایج، بیان‌کننده توانایی و پتانسیل شاخص‌های پوشش گیاهی به‌تنهایی و تصاویر لندست در تهیه اطلاعات لازم برای مدیریت آبیاری در کشاورزی و همچنین توانایی الگوریتم‌های یادگیری ماشین در برآورد پارامترهایی نظیر تبخیر و تعرق مرجع می-باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Estimation of reference evapotranspiration using remote sensing data in Hamedan-Bahar Plain

نویسندگان [English]

  • Zeinab Niasati 1
  • Hamid Ebadi 2
  • Abbas Kiani 3
1 Master Student of Remote Sensing, Department of Surveying, Khajeh Nasir Toosi University of Technology, Iran
2 Professor, Department of Surveying Engineering, Member of the Scientific Center of Spatial Information Technology, Khajeh Nasir Toosi
3 Assistant Professor, Department of Geomatics, Faculty of Civil Engineering, Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
چکیده [English]

 Reference evapotranspiration (ETo) is a major research area of both hydrology and water resources management. The most important and direct application of ETo is in the field of irrigation. One of the conventional methods for estimating reference evapotranspiration using meteorological data is the Penman-Monteith-FAO equation. This equation due to satisfactory results has been used in a variety of climates around the world. However, the lack of necessary meteorological data makes it difficult to estimate spatially distributed ETo using the FAO-PM method in the wider ungauged areas. Penman Monteith method requires the data of air temperature, wind speed, relative humidity, solar radiation and etc. To overcome the existing limits of the FAO-PM model, various attempts aiming to estimate ETo with limited observed data have been conducted. Remote sensing methods are already the only way to obtain the various variables at the temporal and spatial scales that needed to estimate evapotranspiration. In recent years, several algorithms have been proposed to estimate reference evapotranspiration using remote sensing data. Some of these models, which are based on the relationship of energy balance, are called surface energy balance methods. In addition to remote sensing, data analysis techniques based on machine learning (ML) are more frequently used in agricultural studies in recent years, especially in evapotranspiration. Therefore, analyses performed with ML algorithms, when coupled with remote sensing data, have the potential to predict the biophysical variables, mainly due to the adaptive capacity of the models to find patterns in nonlinear behavior variable, such as ETo. Machine learning methods are well known and have been widely used in other engineering sciences. The purpose of this study is to estimate the reference evapotranspiration using machine learning algorithms and remote sensing data, and finally to analyze the algorithms used. In general, the final results of evapotranspiration estimation depend on factors such as the type of data and the method for estimating evapotranspiration.
In this study, the standard method of estimating ETo with meteorological data, Penman-Monteith FAO equation was used. The NDVI vegetation index indicates the amount of vegetation on the ground and is sensitive to the early stages of phenology. But the enhanced vegetation index (EVI) minimizes atmospheric effects and differences in blue and red reflections. The SAVI index is used to calculate the vegetation of the land surface that has moderated the effect of soil on it. Three machine learning algorithms were introduced to train the ET0 models, including random forest (RF), gradient boosting regressor (GBR) and support vector regression (SVR). Random forest is one of the machine learning methods that performs classification and regression using Bootstrap and Bagging methods. In this research, three machine learning algorithms with different input data (vegetation indices and all bands of Landsat 7 and 8) were used and after comparing the results, the best model was selected. Performance Evaluation Indicators considered to compare and evaluate the performance of the studied models were the parameters of mean square error (RMSE), mean absolute error (MAE), coefficient of determination (R2) and correlation coefficient (CC). Finally, according to the results of the two approaches used in this study, using the values of all Landsat bands, the reference evapotranspiration can be estimated with more accuracy.
Accurate estimating of reference evapotranspiration is necessary to estimate irrigation needs and in general, to accurately manage water resources. Conventional methods of measuring evapotranspiration are reference using meteorological data. These measurements are point-based, so they are only suitable for very small scale areas. At present, remote sensing methods are the only non-terrestrial way to obtain the various variables at the temporal and spatial scales needed to estimate reference evapotranspiration. In order to reduce the dependence on climatic data and better resolution, machine learning methods are used to calculate the reference evapotranspiration. In this research, RF, GBR and SVR models were used. In the present study, two approaches were used. In the first approach, the values ​​of all bands of Landsat images were as model input; while in the second approach, vegetation indices were calculated with only a few bands of Landsat images and then used as model inputs. By examining, it could be seen that the information obtained from the Landsat image bands is related to the phenological behavior of the products, and it is also possible to contract very relevant information related to agricultural products that are examined temporarily and spatially. One of the factors influencing the accuracy of estimating reference evapotranspiration is the use of other Landsat bands in addition to the bands related to vegetation indices.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Water management
  • Machine learning
  • Vegetation indices
  • Remote Sensing and Evapotranspiration
  • اسمعیلی س. 1395. برآورد تبخیر و تعرق با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای تحت شرایط مختلفی از موجودیت داده‌های زمینی. پایان‌نامة کارشناسی ارشد. دانشگاه کردستان. 131 ص.
  • امینی بازیانی س. 1391. برآورد تبخیر و تعرق واقعی و پتانسیل در دشت همدان- بهار با استفاده از تکنیک سنجش‌از‌دور. پایان‌نامة کارشناسی ارشد. دانشگاه بوعلی‌سینا. 98 ص.
  • ثنایی‌نژاد ح. نوری س. هاشمی‌نیا م. 1390. برآورد تبخیر و تعرق واقعی با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای در منطقة مشهد. نشریة آب و خاک. 25(3):540-542.
  • سیاسر ه. دیندارلو ع. 1399. تخمین تبخیر و تعرق مرجع روزانه به کمک مدل یادگیری عمیق، جنگل تصادفی و درخت تصمیم (مطالعة موردی: دشت سیستان). نشریة پژوهش آب ایران. 67(2): 99-108.
  • طباطبایی س. 1393. کاربرد سنجش‌از‌دور در برآورد تبخیر- تعرق واقعی به روش سبال (مطالعة موردی: دشت مغان). پایان‌نامة کارشناسی ارشد. دانشگاه تبریز. 122 ص.
  • کرباسی م. مقدم م. نیکبخت ج. کاویانی ع. 1395. تخمین تبخیر تعرق واقعی گیاه با استفاده از الگوریتم سبال (مطالعة موردی: منطقة خرم‌دره در استان زنجان). نشریة اکو هیدرولوژی. 3(3): 427-437.
  • مرشدی ع. طباطبائی ح. و نادری م. 1394. صحت‌سنجی برآورد تبخیر و تعرق از مدل‌های سبال و هارگریوز- سامانی با استفاده از داده‌های لایسیمتر. نشریة آب و خاک. 30(2): 367-376.
  • نصرتی ک. محسنی س. احمدی ح. و عقیقی ح. 1394. برآورد تبخیر و تعرق در حوضة آبخیز طالقان با استفاده از تصاویر مودیس و مدل سبال. نشریة مرتع و آبخیزداری. 68(2): 385-398.
  • هارونی م. ح. مرید س. و ارشد ص. 1394. ارزیابی الگوریتم سنجش‌از‌دور سبال در برآورد تبخیر و تعرق واقعی در کاربری‌های مختلف (مطالعة موردی: حوضة دریاچة ارومیه). نشریة پژوهش آب ایران. 68(2): 101-102.
  • یقینی ف. 1389. بررسی تأثیر نسبی عوامل اگرو اقلیمی در میزان تبخیر و تعرق واقعی گندم با استفاده از شبکه‌های عصبی در شهرستان خاتم یزد. پایان‌نامة کارشناسی ارشد. دانشگاه یزد. 114 ص.
  • Ali I. Greifeneder F. Stamenkovic J. Neumann M. and Notarnicola C. 2015. Review of machine learning approaches for biomass and soil moisture retrievals from remote sensing data. Remote Sensing. 7(12): 16398-16421.
  • Allen RG. Tasumi M. and Trezza R. 2007. Satellite-based energy balance for mapping evapotranspiration with internalized calibration (METRIC)—Model. Journal of irrigation and drainage engineering 133(4): 380-394.
  • Bastiaanseen W. Menenti M. Feddes R. A. and Holtslag A. A. M. 1998. A remote sensing surface energy balance algorithm for land (SEBAL). Journal of Hydrology. 64: 198-213.
  • Cai J. Liu Y. Lei T. and Pereira LS. 2007. Estimating reference evapotranspiration with the FAO Penman–Monteith equation using daily weather forecast messages. Agricultural and forest meteorology. 145(1-2): 22-35.
  • Djaman K. Balde AB. Sow A. and Muller B. 2015. Evaluation of sixteen reference evapotranspiration methods under sahelian conditions in the Senegal River Valley. Journal of Hydrology: regional studies. 3: 139-159.
  • Droogers P. and Allen RG. 2002. Estimating reference evapotranspiration under inaccurate data conditions. Irrigation and drainage systems. 16(1): 33-45.
  • Douna V. Barraza V. Grings F. and Huete A. 2021. Towards a remote sensing data based evapotranspiration estimation in Northern Australia using a simple random forest approach. Journal of Arid Environments. 191(1):1-15.
  • Du T. Kang S. Sun J. Zhang X. and Zhang J. 2010. An improved water use efficiency of cereals under temporal and spatial deficit irrigation in north China. Agricultural water management. 97(1): 66-74.
  • Falamarzi Y. Palizdan N. Huang YF. and Lee TS. 2014. Estimating evapotranspiration from temperature and wind speed data using artificial and wavelet neural networks (WNNs). Agricultural Water Management. 140: 26-36.
  • Feng Y. Cui N. Zhao L. Hu X. and Gong D. 2016. Comparison of ELM, GANN, WNN and empirical models for estimating reference evapotranspiration in humid region of Southwest China. Journal of Hydrology. 536: 376-383.
  • Foody G. M. 2004. Thematic map comparison. Photogrammetric Engineering Remote Sensing. 70(5): 627-633.
  • Garcia M. Raes D. Allen R. and Herbas C. 2004. Dynamics of reference evapotranspiration in the Bolivian highlands (Altiplano). Agricultural and forest meteorology. 125(1-2): 67-82.
  • Gavilán P. Lorite I. Tornero S. and Berengena J. 2006. Regional calibration of Hargreaves equation for estimating reference ET in a semiarid environment. Agricultural water management. 81(3): 257-281.
  • Glenn E. Nagler P. and Huete A. 2010. Vegetation index methods for estimating evapotranspiration by remote sensing. Surveys in Geophysics. 31(6): 531-555.
  • Harvey R. and McBean E. 2014. Comparing the utility of decision trees and support vector machines when planning inspections of linear sewer infrastructure. Journal of Hydroinformatics. 16(6): 1265-1279.
  • Hijmans R. Cameron S. Parra P. G. Jones and Jarvis A. 2005. Very high resolution interpolated climate surfaces for global land areas, International Journal of Climatology: A Journal of the Royal Meteorological Society. 25(15): 1965-1978.
  • Huete, A. R. 1988. A soil-adjusted vegetation index (SAVI). Remote sensing of environment 25(3): 295-309.
  • Jiang Z. Huete A. Didan K. and Miura T. 2008 Development of a two-band enhanced vegetation index without a blue band. Remote sensing of environment. 112(10): 3833-3845.
  • Kiani A. Ahmadi F. and Ebadi H. 2021. Correction of training process in object-based image interpretation via knowledge based system capabilities. Multimedia Tools and Applications. 80(16): 24901–24924.
  • Maeda E. Wiberg D. and Pellikka P. 2011. Estimating reference evapotranspiration using remote sensing and empirical models in a region with limited ground data availability in Kenya. Applied Geography. 31(1): 251-258.
  • Mu Q. Zhao M. and Running S. 2011. Improvements to a MODIS global terrestrial evapotranspiration algorithm. Remote Sensing of Environment. 115(8): 1781-1800.
  • Oliveira T. Ferreira E. Dantas A. 2016. Temporal variation of normalized difference vegetation index (NDVI) and calculation of the crop coefficient (Kc) from NDVI in areas cultivated with irrigated soybean. Ciência Rural. 46(9): 1683-1688.
  • Roerink G. Su Z. and Menenti M. 2000. S-SEBI: A simple remote sensing algorithm to estimate the surface energy balance. Physics and Chemistry of the Earth, Part B: Hydrology, Oceans and Atmosphere. 25(2): 147-157.
  • Rouse J. Haas R. and Schell J. 1974. Monitoring vegetation systems in the Great Plains with ERTS. NASA special publication. 351pp.
  • Strong C. Khatri K. and Kochanski A. 2017. Reference evapotranspiration from coarse-scale and dynamically downscaled data in complex terrain: Sensitivity to interpolation and resolution. Journal of Hydrology. 548(1): 406-418.
  • Su 2002. The Surface Energy Balance System (SEBS) for estimation of turbulent heat fluxes. Hydrology and earth system sciences. 6(1): 85-99.
  • Teixeira A. Bastiaanssen W. and Ahmad M. 2009. Reviewing SEBAL input parameters for assessing evapotranspiration and water productivity for the Low-Middle Sao Francisco River basin, Brazil: Part A: Calibration and validation. Agricultural and forest meteorology. 149(3-4): 462-476.
  • Tomas-Burguera M. Sergio M. Vicente-Serrano M. and Beguería 2017. Accuracy of reference evapotranspiration (ETo) estimates under data scarcity scenarios in the Iberian Peninsula. Agricultural water management. 182(1): 103-116.
  • Yamac SS. and Todorovic M. 2020. Estimation of daily potato crop evapotranspiration using three different machine learning algorithms and four scenarios of available meteorological data. Agricultural Water Management. 228(1): 1-12.
  • Zhang Gong Y. and Wang Z. 2018. Accessible remote sensing data based reference evapotranspiration estimation modelling. Agricultural Water Management. 210(1): 59-69.