توصيفگر ها :
كشاورزي دقيق , سنجش از دور , ويژگي هاي خاك , آب سهل الوصول , Soilgrids , Sentinel , مدل هاي هوش مصنوعي
چكيده فارسي :
چكيده
با توجه به اهميت دسترسي به اطلاعات دقيق ويژگيهاي خاك در مديريت كشاورزي، بهرهگيري از دادههاي سنجش از دور بهعنوان جايگزيني براي روش هاي ميداني نمونه گيري و آزمايش پرهزينه و زمانبر يك راهكار قابل بررسي است. اين پژوهش با هدف برآورد برخي ويژگيهاي فيزيكي و شيميايي خاك شامل درصد اندازه ذرات، شوري، pH، مادهآلي و چگالي ظاهري خاك با بهرهگيري از دادههاي ماهوارهاي Sentinel و پايگاه جهاني Soilgrids و مقايسه آن با دادههاي اندازهگيري شده آزمايشگاهي انجام شد. همچنين تأثير اين ويژگيها بر محاسبه مقدار آب سهلالوصول خاك بررسي شد. نمونهبرداري خاك از هشت منطقه مختلف شامل اصفهان (گلپايگان، اردستان، سميرم، شهررضا، علويجه)، خراسان رضوي (فريمان)، مركزي (اراك) و فارس (آباده) انجام شد و در مجموع 189 نمونه خاك از عمق 30 -0 سانتيمتري برداشت و به آزمايشگاه منتقل گرديد. درصد اندازه ذرات به روش هيدرومتر، شوري و pHدر عصاره اشباع، مادهآلي به روش والكي و بلاك و چگالي ظاهري خاك با استفاده از سيلندر اندازهگيري شد. دادههاي سنجش از دور از طريق پلتفرم Google Earth Engine و همچنين از سيستم جهاني Soilgrids استخراج و با آزمون T جفت شده و مدلهاي رگرسيون خطي تحليل شدند. دو مدل يادگيري ماشين، شبكه عصبي پرسپترون چند لايه و AdaBoost، به ترتيب براي برآورد درصد اندازه ذرات و شوري خاك توسعه داده شدند. نتايج نشان داد كه دقت دادههاي ماهوارهاي در تخمين ويژگيهاي خاك به نوع ويژگي، منبع داده و موقعيت مكاني وابسته است. Sentinel در تخمين درصد اندازه ذرات خاك عملكرد بهتري نسبت به Soilgrids داشت. Sentinel در تخمين درصد رس، دقت كمتري نسبت به سيلت و شن داشت و دادههاي سيستم Soilgrids در تخمين شن و سيلت عملكرد ضعيفتري نسبت به رس نشان دادند. به طور كلي Soilgrids در برآورد pH و ماده آلي دقت بيشتري داشت. بررسي خطاي محاسبه مقدار آب سهلالوصول بين دوگروه تصادفي از نمونههاي خاك اندازهگيري شده نشان داد، خطا بين 4 تا 7 درصد است. بنابراين 7 درصد خطا در تخمين آب سهل الوصل با داده هاي ماهواره اي بهعنوان آستانه قابلقبول خطا انتخاب شد. حدود 20 تا 23 درصد دادههاي تخميني از ماهواره در اين بازه قرار دارند. البته اعمال مدل رگرسيون بيندادههاي اندازهگيري شده و ماهوارهاي باعث بهبود دقت محاسبه آب سهلالوصول در اغلب مناطق شد و خطاي محاسبه، در دادههاي Sentinel %61 و در دادههاي Soilgrids 67% كاهش يافت. مدل هوش مصنوعي نيز در پيشبيني درصد اندازه ذرات خاك عملكرد مناسبي داشت. براي رس، R² برابر 76/0 و RMSE برابر 27/4% بود. در مورد سيلت، دقت كمتر از رس و شن (65/0=R²) بود، اما همچنان قابل قبول ارزيابي شد. پيشبيني درصد شن نيز با R² معادل 73/0 بود. همچنين مدل هوش مصنوعي AdaBoost براي پيشبيني شوري خاك در كل مناطق مورد مطالعه، R² برابر 65/0 بود. البته همين مدل در منطقه اصفهان عملكرد بسيار دقيقتري داشت؛ بهطوريكه مقدار R² برابر 97/0 شد و مقدار RMSE كم (35/1 dS/m) دقت زياد مدل را تأييد ميكند.
چكيده انگليسي :
Given the critical importance of accurate soil property data in agricultural management, remote sensing offers a promising alternative to traditional field sampling and laboratory analysis, which are often costly and time-consuming. This study aimed to estimate key physical and chemical properties of soil—namely particle size distribution, salinity, pH, organic matter content, and bulk density—using satellite-derived data from Sentinel and the global SoilGrids database, and to compare the estimates with laboratory-measured values. In addition, the influence of these properties on the calculation of plant-available water was assessed. Soil sampling was conducted across eight regions in Iran, including Golpayegan, Ardestan, Semirom, Shahreza, and Alavijeh (Isfahan province); Fariman (Razavi Khorasan); Arak (Markazi); and Abadeh (Fars). A total of 189 soil samples were collected from the 0–30 cm depth range and analyzed in the laboratory. Particle size distribution was determined using the hydrometer method; salinity and pH were measured in saturated paste extracts; organic matter content was analyzed via the Walkley-Black method; and bulk density was measured using the core method. Remote sensing data were obtained through the Google Earth Engine platform and the SoilGrids global database. Statistical comparisons were carried out using paired t-tests and linear regression models. Two machine learning models—Multilayer Perceptron (MLP) neural networks and AdaBoost—were developed to estimate particle size distribution and soil salinity, respectively. Results indicated that the accuracy of satellite data in estimating soil properties varied depending on the property type, data source, and geographic location. Sentinel imagery outperformed SoilGrids in estimating particle size fractions, particularly sand and silt, while it showed lower accuracy for clay. Conversely, SoilGrids data were more reliable for estimating pH and organic matter content. Regarding available water estimation, analysis of error between two random subsets of measured samples revealed a variation of 4–7%, leading to the adoption of a 7% error threshold as an acceptable margin for satellite-derived available water estimates. Approximately 20–23% of satellite-based estimates fell within this threshold. Applying regression models to harmonize measured and remotely sensed data significantly improved available water estimation accuracy in most regions. Specifically, the error margin decreased by 61% using Sentinel data and by 67% with SoilGrids data. The machine learning model also demonstrated strong performance in predicting soil texture: for clay, the model yielded an R² of 0.76 and an RMSE of 4.27%; for sand, an R² of 0.73; and for silt, a slightly lower but still acceptable R² of 0.65. The AdaBoost model for predicting soil salinity achieved an R² of 0.65 across all study areas, with considerably higher accuracy in the Isfahan region, where R² reached 0.97 and RMSE was as low as 1.35 dS/m, confirming the model’s robustness.