論文の概要: Domain-guided Machine Learning for Remotely Sensed In-Season Crop Growth
Estimation
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2106.13323v1
- Date: Thu, 24 Jun 2021 21:21:35 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2021-06-28 13:16:16.102893
- Title: Domain-guided Machine Learning for Remotely Sensed In-Season Crop Growth
Estimation
- Title(参考訳): リモートセンシングインシーズン作物生育推定のためのドメイン誘導機械学習
- Authors: George Worrall and Anand Rangarajan and Jasmeet Judge
- Abstract要約: ドメイン誘導ニューラルネットワーク(DgNN)は、シーズン内の作物の収量予測に使用される。
州全体のDgNN性能は、シーケンシャルかつ高密度なNN構造よりも大幅に改善されている。
本研究は, 作物生育段階推定(CGSE)におけるNNの生存可能性と, ドメイン知識の活用のメリットを両立させたものである。
- 参考スコア(独自算出の注目度): 4.683612295430956
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Advanced machine learning techniques have been used in remote sensing (RS)
applications such as crop mapping and yield prediction, but remain
under-utilized for tracking crop progress. In this study, we demonstrate the
use of agronomic knowledge of crop growth drivers in a Long Short-Term
Memory-based, Domain-guided neural network (DgNN) for in-season crop progress
estimation. The DgNN uses a branched structure and attention to separate
independent crop growth drivers and capture their varying importance throughout
the growing season. The DgNN is implemented for corn, using RS data in Iowa for
the period 2003-2019, with USDA crop progress reports used as ground truth.
State-wide DgNN performance shows significant improvement over sequential and
dense-only NN structures, and a widely-used Hidden Markov Model method. The
DgNN had a 3.5% higher Nash-Sutfliffe efficiency over all growth stages and 33%
more weeks with highest cosine similarity than the other NNs during test years.
The DgNN and Sequential NN were more robust during periods of abnormal crop
progress, though estimating the Silking-Grainfill transition was difficult for
all methods. Finally, Uniform Manifold Approximation and Projection
visualizations of layer activations showed how LSTM-based NNs separate crop
growth time-series differently from a dense-only structure. Results from this
study exhibit both the viability of NNs in crop growth stage estimation (CGSE)
and the benefits of using domain knowledge. The DgNN methodology presented here
can be extended to provide near-real time CGSE of other crops.
- Abstract(参考訳): 高度な機械学習技術は、作物のマッピングや収量予測などのリモートセンシング(rs)アプリケーションで使われてきたが、作物の進歩を追跡するためにはまだ使われていない。
本研究では,短期記憶型ドメイン誘導型ニューラルネットワーク(dgnn)における作物生育ドライバの農業的知識を,季節的作物成長予測に利用することを提案する。
DgNNは、枝分かれした構造と注意を使って、独立した作物栽培ドライバーを分離し、成長期を通じてその様々な重要性を捉えている。
DgNNはトウモロコシ用に実装されており、2003-2019年の間アイオワ州でRSデータを使用しており、農務省の作物進歩報告が真実として使われている。
州全体のDgNN性能は、シーケンシャルかつ高密度なNN構造よりも大幅に改善され、広く使用されているHidden Markov Model法が特徴である。
DgNNはすべての成長段階においてナッシュ・サトフリフの効率が3.5%高く、テスト期間中に他のNNよりもコサインの類似性が高かった。
DgNNとSequential NNは,すべての方法においてシルキング-グラインフィル遷移を推定することは困難であったが,異常な作物の生育期間においてより堅牢であった。
最後に、一様多様体近似と層活性化の投影可視化により、lstmベースのnnが密度の高い構造とは異なる作物の成長時系列を分離する方法を示した。
本研究は, 作物生育段階推定(CGSE)におけるNNの生存可能性と, ドメイン知識の活用のメリットを示すものである。
ここで提示されるDgNN手法は、他の作物のほぼリアルタイムCGSEを提供するために拡張することができる。
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