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Smart Agricultural Technology|面向小样本场景:基于 Sentinel‑2 时间序列的田块尺度马铃薯产量轻量深度学习预测

GEE遥感训练营 • 1 周前 • 61 次点击  

论文摘要



研究背景:准确且及时的作物产量预测与预报,对于提高农业生产力和为知情管理决策提供支持至关重要。
研究目标:在本研究中,我们开发并评估了一个利用哨兵‑2(Sentinel‑2)卫星时间序列实现田块尺度马铃薯当季产量估算的框架;识别出一组兼顾物候信息的精简光谱波段与植被指数子集,以此减少冗余并缓解小数据条件下的过拟合问题;引入两种为有限训练数据定制的深度学习架构;检验模型精度、训练区域之外的泛化能力,以及基于季中观测实现季末产量估算的预测稳定性,探究数据稀缺条件下产量建模中定向特征选择和轻量级编码器的作用。
研究方法:首先采用分组 TreeSHAP 稳定性选择(GTSS)方法,识别出一组兼顾物候信息的精简光谱波段与植被指数子集,以此减少冗余并缓解小数据条件下的过拟合问题。之后引入两种为有限训练数据定制的深度学习架构:LiteTemporalConv,即轻量时间卷积网络;以及 MS‑ConvBiGRU‑Attn,一个结合多尺度卷积、双向 GRU 和注意力机制的混合编码器。将两个模型与广泛使用的机器学习方法(随机森林、支持向量机、极端梯度提升、偏最小二乘)以及标准深度学习基准模型(卷积神经网络 CNN、门控循环单元 GRU)进行基准对比。采用十折交叉验证评价模型精度;使用独立空间数据集评估模型在训练区域以外的泛化能力;开展附加实验,测试基于生长季中期观测训练的模型对生长季后期产量的估算预测稳定性。
结果与结论:结果表明,本文提出的模型优于机器学习方法与常规深度学习基准模型;LiteTemporalConv 在十折交叉验证条件下取得最高精度(R² = 0.84;RMSE=3.18 t ha⁻¹;rRMSE=6.36%),MS‑ConvBiGRU‑Attn 取得相近的优异性能(R² = 0.82;RMSE=3.53 t ha⁻¹;rRMSE=7.03%)。作为参照,表现最好的基准模型 XGB 的 R² 为 0.79,rRMSE 为 9.8%。进一步采用独立空间数据集对两个性能最优模型开展评估,测试其在训练区域以外的泛化能力。额外实验结果显示,基于生长季中期观测数据训练得到的两个深度学习模型,对生长季后期产量估算具备预测稳定性。总体而言,结果凸显了:在数据稀缺条件下开展产量建模,定向特征选择和轻量级编码器的重要作用。

关键图表



图1.研究区。威尼托(训练区)与伦巴第‑皮埃蒙特(独立验证区)样点空间分布;包含训练区哨兵‑2 真彩色合成影像以及代表性实地产量样地放大图。

图2.马铃薯作物从播种至收获的卫星数据采集日期。

图3.本研究采用的技术方法工作流程图。

图4.作物产量预测深度学习框架结构图。(a) 时间通道投影模块(TCP);(b) LiteTemporalConv 模型;(c) MS‑ConvBiGRU‑Attn 模型。

图5.GTSS 特征选择结果。(a) 按 GTSS 得分排序的经稳定性筛选的植被指数与 Sentinel‑2 光谱波段;(b) 经稳定性筛选的植被指数、光谱波段对应的卫星获取日期。

图6.(a) LiteTemporalConv 模型、(b) MS‑ConvBiGRU‑Attn 模型的训练损失与验证损失曲线。

图7.马铃薯实测产量与预测产量散点图。(a) LiteTemporalConv 模型;(b) MS‑ConvBiGRU‑Attn 模型。拟合回归线与 1:1 参考线高度重合,说明模型在全部产量区间均具备良好的校准效果。

图8.各基准机器学习模型与本文深度学习模型的交叉验证性能对比。(a) 平均决定系数 R²;(b) 平均均方根误差(t/ha)与相对均方根误差(%)。

图9.训练集上编码器输入特征的时序置换重要性。(a) LiteTemporalConv 模型;(b) MS‑ConvBiGRU‑Attn 模型。

图10. 基于生长季中期数据训练的模型,应用于哨兵‑2 生长季后期输入数据时的实测与预测产量散点图。(a) LiteTemporalConv;(b) MS‑ConvBiGRU‑Attn。

版权声明

声明:本推文仅用于学习交流,不做其他任何目的。若有侵权,请联系微信号:GeeStudy_2020删除或修改!论文doi链接:https://doi.org/10.1016/j.atech.2026.102030,点赞、收藏、关注!

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