شماره ركورد
25205
شماره راهنما
MAP2 127
عنوان
تخمين زيست توده بالاي زمين در نواحي جنگلي با استفاده از تلفيق تصاوير نوري، راداري و لايدار به روش يادگيري عميق
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي عمران نقشه برداري- سيستم اطلاعات مكاني
دانشكده
مهندسي عمران و حمل و نقل
تاريخ دفاع
1404/07/28
صفحه شمار
105 ص.
استاد راهنما
دكتر حسين باقري
كليدواژه فارسي
زيست توده بالاي زمين , يادگيري عميق , يادگيري انتقالي , سنجش از دور , هوش مصنوعي توضيحپذير.
چكيده فارسي
چكيده
برآورد دقيق زيستتوده بالاي زميني (AGB) براي مديريت جنگل و پايش تغييرات اقليمي اهميت بالايي دارد، اما روشهاي سنجشازدور متداول بهدليل تكيه بر دادهي يگانه و ناديدهگرفتن عوامل محيطي با محدوديت روبهرو هستند. در اين پژوهش، بهمنظور بهبود دقت تخمين AGB در جنگلهاي كوهستاني شمالغرب ايالات متحده (آيداهو و مونتانا)، از تلفيق دادههاي چندمنبعي و شبكههاي يادگيري عميق استفاده شد. طراحي مطالعه در دو رويكرد اصلي انجام گرفت: (1) رويكرد مبتني بر Patch با مدلهاي CNN و ترنسفورمر براي ارزيابي تعميمپذيري از طريق يادگيري انتقالي؛ و (2) رويكرد مبتني بر Pixel با معماري U-Net براي توليد نقشه پيوسته AGB از دادههاي اپتيكي، راداري و مشتقات توپوگرافي.
در رويكرد اول، دادههاي Sentinel-1 و Sentinel-2 به مدلهاي يادگيري عميق شامل ResNet، DenseNet، ViT و Swin Transformer داده شد. همچنين از شاخص هاي توپوگرافي مشتق شده از LiDAR به منظور ارزيابي عملكرد مدل ها در مناطق كوهستاني استفاده شد. مدلهاي CNN در يادگيري الگوهاي محلي دقيقتر عمل كردند، در حاليكه ترنسفورمرها توانايي بهتري در شناسايي وابستگيهاي مكاني غيرمحلي داشتند. نسخه بهينهشده Swin Transformer به منظور Transfer learning پس از Fine-Tuning توانست باياس ناشي از جهتهاي نوري و سايهدار را بهويژه در دامنههاي غربي كاهش دهد. بهكارگيري رويكرد اختلاط گوسين (Gaussian Mixture-Based Ensemble) براي تركيب خروجي مدلها موجب افزايش پايداري و دقت پيشبيني شد.
در رويكرد دوم، دادههاي Sentinel-1، Sentinel-2، Landsat-8، متغيرهاي اقليمي و توپوگرافي در سه سناريوي ادغامي مختلف وارد هفت مدل U-Net از جمله U-Net3+، TransU-Net و Attention U-Net شدند. مدل U-Net3+ در سناريوي تركيبي كامل با RMSE = 28.10 Mg/ha، MAE = 17.49 Mg/ha و R² = 0.89 بهترين عملكرد را داشت. تحليلهاي XAI نشان دادند باندهاي Red، SWIR1 و SWIR2 بيشترين نقش را در دقت پيشبيني ايفا كردند. دادههاي SAR اثر كمتري نسبت به وروديهاي طيفي و اقليمي داشتند و مدلهاي Attention مانند Attention U-Net توانايي بالاتري در انطباق با ناهمگونيهاي مكاني و توپوگرافي شديد نشان دادند.
در مجموع، نتايج بيانگر آن است كه تركيب دادههاي چندمنبعي با شبكههاي عميق و مدلهاي ازپيشآموزشديده، بهويژه در محيطهاي كوهستاني، ميتواند به برآورد دقيقتر، پايدارتر و تفسيرپذيرتر AGB منجر شود.
كليدواژهها: زيست توده بالاي زمين، جنگل، يادگيري عميق، يادگيري انتقالي، سنجش از دور، تلفيق داده، هوش مصنوعي توضيحپذير.
كليدواژه لاتين
Aboveground biomass, forest , deep learning , ransfer learning , remote sensing , data fusion , explainable artificial intelligence (XAI
عنوان لاتين
Aboveground biomass estimation in forest areas by combining optical, radar and lidar images with deep learning methods
گروه آموزشي
مهندسي نقشه برداري
چكيده لاتين
Abstract
Accurate estimation of aboveground biomass (AGB) is crucial for forest management and climate change monitoring; however, conventional remote sensing methods often face limitations due to reliance on a single data source and the neglect of environmental factors. In this study, a multi-source data fusion and deep learning framework was developed to improve AGB estimation accuracy in mountainous forests of northwestern United States (Idaho and Montana). The research was designed in two main approaches: (1) a patch-based framework employing CNN and Transformer models to assess generalization via transfer learning, and (2) a pixel-based framework using the U-Net architecture to generate continuous AGB maps from optical, radar, and topographic derivatives.
In the first approach, multi-source data including Sentinel-1, Sentinel-2, and LiDAR-derived topographic parameters were integrated into deep architectures such as ResNet, DenseNet, ViT, and Swin Transformer. CNN models demonstrated superior capability in learning local spatial patterns, whereas Transformers effectively captured non-local dependencies through attention mechanisms. The optimized Swin Transformer, after fine-tuning, successfully reduced bias caused by illumination and shadow effects in western slopes. Furthermore, integrating CNN and Transformer outputs via a Gaussian Mixture-Based Ensemble significantly enhanced prediction stability and accuracy.
In the second approach, Sentinel-1, Sentinel-2, and Landsat-8 imagery, along with climatic and LiDAR-derived topographic variables, were fused under three integration scenarios and trained with seven U-Net-based deep learning architectures, including U-Net3+, TransU-Net, and Attention U-Net. The U-Net3+ model under the full-fusion scenario achieved the highest accuracy (RMSE = 28.10 Mg/ha, MAE = 17.49 Mg/ha, R² = 0.89). Explainable AI (XAI) analysis revealed that the Red, SWIR1, and SWIR2 bands contributed most to AGB prediction accuracy, while SAR data, despite their structural value, had a relatively lower impact compared to spectral and climatic inputs. Attention-based models such as Attention U-Net demonstrated superior adaptability to spatial heterogeneity and complex topography.
Overall, the results highlight that the integration of multi-source data with advanced deep learning and pre-trained models—particularly in heterogeneous mountainous ecosystems—enables more accurate, stable, and interpretable AGB estimation.
Keywords: Aboveground biomass, forest, deep learning, transfer learning, remote sensing, data fusion, explainable artificial intelligence (XAI).
تعداد فصل ها
7 فصل
فهرست مطالب pdf
148640
نويسنده