Mapeamento da biomassa acima do solo na bacia do Rio Grande utilizando dados de sensoriamento remoto e aprendizado de máquina
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2022 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFLA |
Texto Completo: | http://repositorio.ufla.br/jspui/handle/1/50913 |
Resumo: | Aboveground biomass (AGB) is one of the most dynamic carbon reservoirs in the terrestrial ecosystem, but little is known about its spatial distribution. Currently, the most accurate methods for quantifying AGB are expensive, time-consuming, and limited to small areas. In this scenario, remote sensing (RS) appears as a promising tool, providing sufficient spatial and temporal coverage for continuous and low-cost monitoring of AGB in large areas. The objective of this work was to map the AGB in the Rio Grande basin, Minas Gerais, from multi-sensor RS data, such as information from the B2-5 (surface reflectance) and B10 (surface temperature) bands of the sensors OLI and TIRS from the Landsat 8 (L8) satellite, Synthetic Aperture Radar (SAR) data from Sentinel-1A (S1), and data from the SRTM digital elevation model. We also used data derived from these, such as five vegetation indices (NDVI, SAVI, DVI, ARVI, and EVI) and 18 texture measures derived from Gray-level Co-occurrence Matrix (GLCM), using a 3 x 3 window size. To perform the modeling and mapping of the AGB, we used the Random Forest machine learning algorithm. We used the nested cross-validation method and the Root Mean Square Error (RMSE) metric to measure the performance of the model, which presented a value of 48.79 Mg.ha-1 (44.22%). We optimized the mtry (22), sample.fraction (0.22) and min.node.size (10) hyperparameters using the random search method. The results reinforced the importance of using data from different sensors and domains (spectral and spatial) in AGB modeling. The ARVI vegetation index wasthe most important variable for the model. However, the variable could not capture the change in AGB in areas of denser vegetation, with AGB values close to 114 Mg.ha-1 . The variables elevation and the texture metrics dissimilarity and sum entropy associated with VH polarization (S1) and DVI vegetation index (L8) were essential to mitigate the effect of data saturation. |
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Mapeamento da biomassa acima do solo na bacia do Rio Grande utilizando dados de sensoriamento remoto e aprendizado de máquinaMapping aboveground biomass in the Rio Grande basin using remote sensing data and machine learningBiomassa acima do soloRio GrandeSensoriamento remotoAboveground biomassRemote sensingRecursos Florestais e Engenharia FlorestalAboveground biomass (AGB) is one of the most dynamic carbon reservoirs in the terrestrial ecosystem, but little is known about its spatial distribution. Currently, the most accurate methods for quantifying AGB are expensive, time-consuming, and limited to small areas. In this scenario, remote sensing (RS) appears as a promising tool, providing sufficient spatial and temporal coverage for continuous and low-cost monitoring of AGB in large areas. The objective of this work was to map the AGB in the Rio Grande basin, Minas Gerais, from multi-sensor RS data, such as information from the B2-5 (surface reflectance) and B10 (surface temperature) bands of the sensors OLI and TIRS from the Landsat 8 (L8) satellite, Synthetic Aperture Radar (SAR) data from Sentinel-1A (S1), and data from the SRTM digital elevation model. We also used data derived from these, such as five vegetation indices (NDVI, SAVI, DVI, ARVI, and EVI) and 18 texture measures derived from Gray-level Co-occurrence Matrix (GLCM), using a 3 x 3 window size. To perform the modeling and mapping of the AGB, we used the Random Forest machine learning algorithm. We used the nested cross-validation method and the Root Mean Square Error (RMSE) metric to measure the performance of the model, which presented a value of 48.79 Mg.ha-1 (44.22%). We optimized the mtry (22), sample.fraction (0.22) and min.node.size (10) hyperparameters using the random search method. The results reinforced the importance of using data from different sensors and domains (spectral and spatial) in AGB modeling. The ARVI vegetation index wasthe most important variable for the model. However, the variable could not capture the change in AGB in areas of denser vegetation, with AGB values close to 114 Mg.ha-1 . The variables elevation and the texture metrics dissimilarity and sum entropy associated with VH polarization (S1) and DVI vegetation index (L8) were essential to mitigate the effect of data saturation.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)A biomassa acima do solo (BAS) é um dos reservatórios de carbono mais dinâmicos do ecossistema terrestre, mas pouco se sabe sobre sua distribuição espacial. Atualmente, os métodos mais precisos para a quantificação da BAS são caros, demorados e limitados à pequenas áreas. Neste cenário, o sensoriamento remoto (SR) aparece como uma ferramenta promissora, fornecendo cobertura espacial e temporalsuficiente para o monitoramento contínuo e de baixo custo da BAS em grandes áreas. O objetivo deste trabalho foi realizar o mapeamento da BAS na bacia do Rio Grande, Minas Gerais, a partir de dados multissensores de SR, como informações das bandas B2-5 (reflectância de superfície) e B10 (temperatura de superfície) dos sensores OLI e TIRS do satélite Landsat 8 (L8), dados de radar de abertura sintética (SAR) do Sentinel-1A (S1) e dados do modelo digital de elevação SRTM. Nós também utilizamos dados derivados destes, como cinco índices de vegetação (NDVI, SAVI, DVI, ARVI e EVI) e 18 medidas de textura derivadas da matriz de coocorrência de níveis de cinza (GLCM), usando uma janela de 3 x 3 pixels. Para realizar a modelagem e o mapeamento da BAS, foi utilizado o algoritmo de aprendizado de máquina Random Forest. Utilizou-se o método de validação cruzada aninhada e a métrica Root Mean Square Error (RMSE) para medir o desempenho do modelo, que apresentou o valor de 48,79 Mg.ha-1 (44,22%). A otimização dos hiperparâmetros mtry (22), sample.fraction (0,22) e min.node.size (10) foi realizada utilizando o método da busca aleatória. Os resultados encontrados reforçaram a importância do uso de dados de diferentes sensores e domínios (espectral e espacial) na modelagem da BAS. O índice de vegetação ARVI foi a variável mais importante para o modelo. No entanto, a variável não conseguiu captar a alteração da BAS em áreas de vegetação mais densa, com valores de BAS próximos a 114 Mg.ha-1 . A elevação e as medidas de textura dissimilarity e sum entropy, associadas à polarização VH (S1) e ao índice de vegetação DVI (L8), foram essenciais para mitigar o efeito da saturação dos dados.Universidade Federal de LavrasPrograma de Pós-Graduação em Engenharia FlorestalUFLAbrasilDepartamento de Ciências FlorestaisAcerbi Júnior, Fausto WeimarAcerbi Júnior, Fausto WeimarTerra, Marcela de Castro Nunes SantosBueno, Inacio ThomazOliveira, Iago Mendes de2022-08-09T20:44:40Z2022-08-09T20:44:40Z2022-08-092022-06-29info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfOLIVEIRA, I. M. de. Mapeamento da biomassa acima do solo na bacia do Rio Grande utilizando dados de sensoriamento remoto e aprendizado de máquina. 2022. 57 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Florestal) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2022.http://repositorio.ufla.br/jspui/handle/1/50913porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFLAinstname:Universidade Federal de Lavras (UFLA)instacron:UFLA2023-05-11T12:17:12Zoai:localhost:1/50913Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufla.br/oai/requestnivaldo@ufla.br || repositorio.biblioteca@ufla.bropendoar:2023-05-11T12:17:12Repositório Institucional da UFLA - Universidade Federal de Lavras (UFLA)false |
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Aboveground biomass (AGB) is one of the most dynamic carbon reservoirs in the terrestrial ecosystem, but little is known about its spatial distribution. Currently, the most accurate methods for quantifying AGB are expensive, time-consuming, and limited to small areas. In this scenario, remote sensing (RS) appears as a promising tool, providing sufficient spatial and temporal coverage for continuous and low-cost monitoring of AGB in large areas. The objective of this work was to map the AGB in the Rio Grande basin, Minas Gerais, from multi-sensor RS data, such as information from the B2-5 (surface reflectance) and B10 (surface temperature) bands of the sensors OLI and TIRS from the Landsat 8 (L8) satellite, Synthetic Aperture Radar (SAR) data from Sentinel-1A (S1), and data from the SRTM digital elevation model. We also used data derived from these, such as five vegetation indices (NDVI, SAVI, DVI, ARVI, and EVI) and 18 texture measures derived from Gray-level Co-occurrence Matrix (GLCM), using a 3 x 3 window size. To perform the modeling and mapping of the AGB, we used the Random Forest machine learning algorithm. We used the nested cross-validation method and the Root Mean Square Error (RMSE) metric to measure the performance of the model, which presented a value of 48.79 Mg.ha-1 (44.22%). We optimized the mtry (22), sample.fraction (0.22) and min.node.size (10) hyperparameters using the random search method. The results reinforced the importance of using data from different sensors and domains (spectral and spatial) in AGB modeling. The ARVI vegetation index wasthe most important variable for the model. However, the variable could not capture the change in AGB in areas of denser vegetation, with AGB values close to 114 Mg.ha-1 . The variables elevation and the texture metrics dissimilarity and sum entropy associated with VH polarization (S1) and DVI vegetation index (L8) were essential to mitigate the effect of data saturation. |
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