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Explainable Hybrid Modelling of Winter-WheatvBiomass in Bavaria Using STARFM-Fused NDVI, LUE, and Random Forest

Dhillon, Maninder Singh und Schönbrodt-Stitt, Sarah und Asam, Sarah und Gessner, Ursula und Koellner, Thomas und Kraus, Tanja und Schäfer, Christian und Steffan-Dewenter, Ingolf und Ullmann, Tobias (2026) Explainable Hybrid Modelling of Winter-WheatvBiomass in Bavaria Using STARFM-Fused NDVI, LUE, and Random Forest. In: 2025 IEEE India Geoscience and Remote Sensing Symposium (InGARSS), Seiten 924-928. IEEE. India Geoscience and Remote Sensing Symposium (InGARSS), 2025-12-10 - 2025-12-13, Bhubaneswar, Indien. doi: 10.1109/InGARSS67683.2025.11583901. ISBN 979 8 3315 8584 6.

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Offizielle URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/11583901

Kurzfassung

Accurate estimation of crop biomass at fine spatial scales is essential for precision agriculture and climateresilient food systems. This study proposes a hybrid framework that couples satellite data fusion, a Light Use Efficiency (LUE) crop model, and Random Forest (RF) machine learning to map winter-wheat (WW) biomass across Bavaria, Germany, from 2001 to 2019. A temporally continuous 30 m NDVI archive was produced with the Spatial and Temporal Adaptive Reflectance Fusion Model (STARFM) by blending Landsat and MODIS observations. The fused NDVI drove an LUE model to generate annual 30 m biomass maps, which were aggregated to a 5 km2 hexagonal grid. An RF model, trained on seasonal climate statistics, elevation, slope, soil potential, the Shannon Diversity Index (SHDI), and small-woody-feature (SWF) cover, achieved R2=0.87 and RMSE=2.85dt ha-1 versus district yield records. SHapley Additive exPlanations and Partial Dependence Plots revealed three dominant interaction pairs - temperature × soil potential, SHDI × SWF, and solar radiation × elevation - that explain regional biomass gradients across Bavaria's six agroecological zones. The framework demonstrates that fusing multisensor NDVI with explainable machine learning provides a scalable, transferable solution for biomass monitoring in heterogeneous landscapes.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/225574/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag)
Titel:Explainable Hybrid Modelling of Winter-WheatvBiomass in Bavaria Using STARFM-Fused NDVI, LUE, and Random Forest
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Dhillon, Maninder Singhmaninder.dhillon (at) uni-wuerzburg.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schönbrodt-Stitt, Sarahsarah.schoenbrodt-stitt (at) uni-wuerzburg.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Asam, Sarahsarah.asam (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-7302-6813NICHT SPEZIFIZIERT
Gessner, Ursulaursula.gessner (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-8221-2554232304865
Koellner, ThomasUniversity BayreuthNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kraus, TanjaTanja.Kraus (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-9245-9278232304866
Schäfer, ChristianUniversität WürzburgNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Steffan-Dewenter, Ingolfingolf.steffan (at) uni-wuerzburg.dehttps://orcid.org/0000-0003-1359-3944NICHT SPEZIFIZIERT
Ullmann, TobiasJulius-Maximilians-UniversityNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:8 Juli 2026
Erschienen in:2025 IEEE India Geoscience and Remote Sensing Symposium (InGARSS)
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
DOI:10.1109/InGARSS67683.2025.11583901
Seitenbereich:Seiten 924-928
Verlag:IEEE
ISBN:979 8 3315 8584 6
Status:veröffentlicht
Stichwörter:biomass modeling; NDVI fusion; STARFM; Landsat; MODIS; light use efficiency; random forest; SHAP; partial dependence plot; landscape diversity; precision agriculture; remote sensing
Veranstaltungstitel:India Geoscience and Remote Sensing Symposium (InGARSS)
Veranstaltungsort:Bhubaneswar, Indien
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsbeginn:10 Dezember 2025
Veranstaltungsende:13 Dezember 2025
Veranstalter :IEEE
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: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum > Dynamik der Landoberfläche
Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum > Leitungsbereich DFD
Hinterlegt von: Asam, Dr. Sarah
Hinterlegt am:05 Nov 2026 10:53
Letzte Änderung:05 Nov 2026 10:53

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