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SSL-SoilNet: A Hybrid Transformer-Based Framework With Self-Supervised Learning for Large-Scale Soil Organic Carbon Prediction

计算机科学 土壤碳 比例(比率) 总有机碳 变压器 遥感 环境科学 人工智能 机器学习 土壤科学 土壤水分 地质学 环境化学 工程类 电气工程 地图学 化学 电压 地理
作者
Nafiseh Kakhani,Moien Rangzan,Ali Jamali,Sara Attarchi,Seyed Kazem Alavipanah,Michael Mommert,Nikolaos Tziolas,Thomas Scholten
出处
期刊:IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:62: 1-15 被引量:21
标识
DOI:10.1109/tgrs.2024.3446042
摘要

Soil organic carbon (SOC) constitutes a fundamental component of terrestrial ecosystem functionality, playing a pivotal role in nutrient cycling, hydrological balance, and erosion mitigation. Precise mapping of SOC distribution is imperative for the quantification of ecosystem services, notably carbon sequestration and soil fertility enhancement. Digital soil mapping (DSM) leverages statistical models and advanced technologies, including machine learning (ML), to accurately map soil properties, such as SOC, utilizing diverse data sources like satellite imagery, topography, remote sensing indices, and climate series. Within the domain of ML, self-supervised learning (SSL), which exploits unlabeled data, has gained prominence in recent years. This study introduces a novel approach that aims to learn the geographical link between multimodal features via self-supervised contrastive learning, employing pretrained Vision Transformers (ViT) for image inputs and Transformers for climate data, before fine-tuning the model with ground reference samples. The proposed approach has undergone rigorous testing on two distinct large-scale datasets, with results indicating its superiority over traditional supervised learning models, which depends solely on labeled data. Furthermore, through the utilization of various evaluation metrics (e.g., root-mean-square error (RMSE), mean absolute error (MAE), concordance correlation coefficient (CCC), etc.), the proposed model exhibits higher accuracy when compared to other conventional ML algorithms like random forest and gradient boosting. This model is a robust tool for predicting SOC and contributes to the advancement of DSM techniques, thereby facilitating land management and decision-making processes based on accurate information.
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