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A Comparison between Support Vector Machine and Water Cloud Model for Estimating Crop Leaf Area Index

Hosseini, Mehdi und McNairn, Heather und Mitchell, Scott und Dingle Robertson, Laura und Davidson, Andrew und Ahmadian, Nima und Bhattacharya, Avik und Borg, Erik und Conrad, Christopher und Dabrowska-Zielinska, Katarzyna und de Abelleyra, Diego und Gurdak, Radoslaw und Kumar, Vineet und Kussul, Nataliia und Mandal, Dipankar und Rao, Y. S. und Saliendra, Nicanor und Shelestov, Andrii und Spengler, Daniel und Verón, Santiago R. und Homayouni, Saeid und Becker-Reshef, Inbal (2021) A Comparison between Support Vector Machine and Water Cloud Model for Estimating Crop Leaf Area Index. Remote Sensing, 13 (1348), Seiten 1-20. Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI). doi: 10.3390/rs13071348. ISSN 2072-4292.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
19MB

Offizielle URL: https://www.mdpi.com/2072-4292/13/7/1348

Kurzfassung

Abstract The water cloud model (WCM) can be inverted to estimate leaf area index (LAI) using the intensity of backscatter from synthetic aperture radar (SAR) sensors. Published studies have demonstrated that the WCM can accurately estimate LAI if the model is effectively calibrated. However, calibration of this model requires access to field measures of LAI as well as soil moisture. In contrast, machine learning (ML) algorithms can be trained to estimate LAI from satellite data, even if field moisture measures are not available. In this study, a support vector machine (SVM) was trained to estimate the LAI for corn, soybeans, rice, and wheat crops. These results were compared to LAI estimates from the WCM. To complete this comparison, in situ and satellite data were collected from seven Joint Experiment for Crop Assessment and Monitoring (JECAM) sites located in Argentina, Canada, Germany, India, Poland, Ukraine and the United States of America (U.S.A.). The models used C-Band backscatter intensity for two polarizations (like-polarization (VV) and cross-polarization (VH)) acquired by the RADARSAT-2 and Sentinel-1 SAR satellites. Both the WCM and SVM models performed well in estimating the LAI of corn. For the SVM, the correlation (R) between estimated LAI for corn and LAI measured in situ was reported as 0.93, with a root mean square error (RMSE) of 0.64 m2m−2 and mean absolute error (MAE) of 0.51 m2m−2. The WCM produced an R-value of 0.89, with only slightly higher errors (RMSE of 0.75 m2m−2 and MAE of 0.61 m2m−2) when estimating corn LAI. For rice, only the SVM model was tested, given the lack of soil moisture measures for this crop. In this case, both high correlations and low errors were observed in estimating the LAI of rice using SVM (R of 0.96, RMSE of 0.41 m2m−2 and MAE of 0.30 m2m−2). However, the results demonstrated that when the calibration points were limited (in this case for soybeans), the WCM outperformed the SVM model. This study demonstrates the importance of testing different modeling approaches over diverse agro-ecosystems to increase confidence in model performance

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/141898/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:A Comparison between Support Vector Machine and Water Cloud Model for Estimating Crop Leaf Area Index
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Hosseini, MehdiDepartment of Geography and Environmental Studies, Carleton University, Ottawa, ON K1S 5B6, Canadahttps://orcid.org/0000-0003-3242-613XNICHT SPEZIFIZIERT
McNairn, HeatherDepartment of Geography and Environmental Studies, Carleton University, Ottawa, ON K1S 5B6, Canadahttps://orcid.org/0000-0003-1006-0018NICHT SPEZIFIZIERT
Mitchell, ScottDepartment of Geography and Environmental Studies, Carleton University, Ottawa, ON K1S 5B6, Canadahttps://orcid.org/0000-0003-4657-0706NICHT SPEZIFIZIERT
Dingle Robertson, LauraScience and Technology Branch, Agriculture and Agri-Food Canada, Ottawa, ON K1A 0C6, Canada;https://orcid.org/0000-0002-9372-1952NICHT SPEZIFIZIERT
Davidson, AndrewDepartment of Geography and Environmental Studies, Carleton University, Ottawa, ON K1S 5B6, Canadahttps://orcid.org/0000-0003-3784-682XNICHT SPEZIFIZIERT
Ahmadian, NimaJulius-Maximilians-Universität, 97070 Würzburg, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Bhattacharya, AvikMicrowave Remote Sensing Lab, Centre of Studies in Resources Engineering, Indian Institute of Technology Bombay, Mumbai 400 076, India;https://orcid.org/0000-0001-6720-6108NICHT SPEZIFIZIERT
Borg, ErikDepartment of National Ground Segment, German Aerospace Center (DLR), 17235 Neustrelitz, Germany;https://orcid.org/0000-0001-8288-8426NICHT SPEZIFIZIERT
Conrad, ChristopherDepartment of Geoecology, Institute of Geosciences and Geography, University of Halle-Wittenberg, Von Seckendorff-Platz 4, 06120 Halle (Saale), Germany;https://orcid.org/0000-0002-0807-7059NICHT SPEZIFIZIERT
Dabrowska-Zielinska, KatarzynaInstitute of Geodesy and Cartography, 02-679 Warsaw, Poland;NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
de Abelleyra, DiegoInstituto de Clima y Agua, Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA), Buenos Aires 1439, ArgentinaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gurdak, RadoslawInstitute of Geodesy and Cartography, 02-679 Warsaw, Poland;https://orcid.org/0000-0001-8991-7306NICHT SPEZIFIZIERT
Kumar, VineetMicrowave Remote Sensing Lab, Centre of Studies in Resources Engineering, Indian Institute of Technology Bombay, Mumbai 400 076, IndiaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kussul, NataliiaSpace Research Institute of National Academy of Sciences of Ukraine and State Space Agency of Ukraine, 03680 Kyiv, Ukraine;NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mandal, DipankarMicrowave Remote Sensing Lab, Centre of Studies in Resources Engineering, Indian Institute of Technology Bombay, Mumbai 400 076, Indiahttps://orcid.org/0000-0001-8407-7125NICHT SPEZIFIZIERT
Rao, Y. S.Microwave Remote Sensing Lab, Centre of Studies in Resources Engineering, Indian Institute of Technology Bombay, Mumbai 400 076, IndiaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Saliendra, NicanorUSDA-ARS Northern Great Plains Research Laboratory, North Dakota, ND 58554, USA;NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Shelestov, AndriiSpace Research Institute NASU-NSAU, KyivNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Spengler, DanielSection 1.4 Remote Sensing, Helmholtz Centre Potsdam - GFZ German Research Centre for Geosciences, Potsdamhttps://orcid.org/0000-0003-2939-8764NICHT SPEZIFIZIERT
Verón, Santiago R.Instituto de Clima y Agua, Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA), Buenos Aires 1439, ArgentinaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Homayouni, SaeidInstitut National de la Recherche Scientifique (INRS), Center Eau Terre Environnement, Quebec, QC G1K9A9, Canadahttps://orcid.org/0000-0002-0214-5356NICHT SPEZIFIZIERT
Becker-Reshef, InbalDepartment of Geographical Sciences, University of Maryland, College Park, MD 20742, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:1 April 2021
Erschienen in:Remote Sensing
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:13
DOI:10.3390/rs13071348
Seitenbereich:Seiten 1-20
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
Gil, EmilioUniversitat Politècnica de Catalunya | UPC · Department of Agri-Food Engineering and BiotechnologyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Francisco Javier, García-HaroUniversity of Valencia: Burjassot, Valencia, EShttps://orcid.org/0000-0001-5888-0061NICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI)
Name der Reihe:Remote Sensing
ISSN:2072-4292
Status:veröffentlicht
Stichwörter:RADARSAT-2; Sentinel-1; leaf area index; water cloud model; machine learning
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Fernerkundung u. Geoforschung
Standort: Neustrelitz
Institute & Einrichtungen:Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum > Nationales Bodensegment
Hinterlegt von: Borg, Prof.Dr. Erik
Hinterlegt am:29 Apr 2021 12:18
Letzte Änderung:14 Jan 2022 11:42

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