Potential of Sample Migration and Explainable Machine Learning Model for Monitoring Spatiotemporal Changes of Wetland Plant Communities

湿地 环境科学 植物群落 生态系统 随机森林 环境资源管理 遥感 生态学 地理 计算机科学 机器学习 生态演替 生物
作者
Kaidong Feng,Dehua Mao,Jianing Zhen,Haiguang Pu,Hengqi Yan,Ming Wang,Duanrui Wang,Hengxing Xiang,Yongxing Ren,Ling Luo,Zongming Wang
出处
期刊:IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:17: 9894-9906 被引量:7
标识
DOI:10.1109/jstars.2024.3399791
摘要

The composition and dynamics of wetland plant communities play a critical role in maintaining the functionality of wetland ecosystems and serve as important indicators of wetland degradation and restoration. Accurately identifying wetland plant communities using remote sensing techniques remains challenging due to the complex environment and cloud contamination. Here, we applied a sample migration method based on change vector analysis and a random forest (RF) classifier incorporating SHapley Additive exPlanations (SHAP) to explore the spatiotemporal changes of wetland plant communities in the western Songnen Plain of China between 2016 and 2022, and to better understand the decision logic of the RF model. Our work achieved accurate annual wetland classification at the community scale, with an average overall accuracy of 89.5% and an average kappa coefficient of 0.87. Our analysis revealed different spatiotemporal change characteristics of wetland plant communities in the western Songnen Plain and three national nature reserves. The SHAP model showed that MOS_IRECI is the most important feature determining the prediction results of the RF model, and the importance of the features differs at global and local levels. This study confirms the feasibility of annual dynamic monitoring of wetland plant communities at a regional scale. The results are expected to provide a reference for the fine and sustainable management of wetland resources in the western Songnen Plain, as well as valuable data support for related wetland ecology research.
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