Comparison of bagging, boosting and stacking algorithms for surface soil moisture mapping using optical-thermal-microwave remote sensing synergies

遥感 环境科学 均方误差 含水量 随机森林 梯度升压 微波食品加热 算法 计算机科学 机器学习 数学 地质学 统计 电信 岩土工程
作者
Bappa Das,Pooja Rathore,Debasish Roy,Debashis Chakraborty,Raghuveer Singh Jatav,Deepak Sethi,Praveen Kumar
出处
期刊:Catena [Elsevier BV]
卷期号:217: 106485-106485 被引量:52
标识
DOI:10.1016/j.catena.2022.106485
摘要

Soil moisture information is key to irrigation water management, drought monitoring, and yield prediction. It plays a vital role in the water cycle and energy budget between the earth’s surface and atmosphere. Hence, its monitoring is crucial for both natural and anthropogenic environments. While the current remote sensing-based global SM products available at coarser resolution (3/15 km) are unsuitable for field-level operations, the most widely used microwave remote sensing suffers from model complexities and in-situ data requirements. Weather conditions limit the alternate approaches such as optical/thermal. This study aims to map surface soil moisture (SSM) at 30 m spatial resolution in a semi-arid region by fusing optical, thermal, and microwave remote sensing data using bagging, boosting, and stacking machine learning approaches. The reference data were collected using a soil moisture meter. The covariates included radar backscatter from Sentinel-1, visible, near-infrared, short-wave infrared, land surface temperature, and spectral indices derived from Landsat 8. Boruta algorithm was used for feature selection which identified radar backscatter, modified normalized difference water index, and land surface temperature as the most critical covariates impacting the SSM. The random forest (RF) showed the highest correlation coefficient (r = 0.71), and least root mean square error (RMSE = 5.17%). The cubist model had the least mean bias error (MBE = 0.21%) during independent validation. Stacking of cubist, gradient boosting machine (GBM), and RF using elastic net (ELNET) as meta-learner further reduced the MBE (0.18%) and RMSE (5.03%) during the validation. Overall, stacking multiple machine learning models improved model prediction and can be recommended to improve the digital soil moisture mapping.
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