ارزیابی دقت روش شبکه عصبی در برآورد سرمای دیررس بهاره در مناطق پسته کاری شهر کرمان

نوع مقاله : مقالات پژوهشی

نویسندگان

1 بخش مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران

2 بخش مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان

10.22067/jsw.2024.87064.1392

چکیده

سرمای دیررس بهاره تأثیر قابل‌توجهی بر اندام‌های آسیب‌پذیر گیاهان می‌گذارد. این رویداد در آسیا، آمریکای شمالی و اروپا بیش از سایر مخاطرات مرتبط با آب‌وهوا باعث زیان اقتصادی به کشاورزی شده است. همچنین این پدیده باعث کاهش عملکرد محصول در ایران شده است. آخرین آمار منتشر شده از سوی سازمان خواربار و کشاورزی ملل متحد (فائو) نشان می‌دهد که ایران یکی از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان محصول پسته در جهان می‌باشد. استان کرمان سهم زیادی از سطح زیر کشت محصول پسته را به خود اختصاص داده است. خسارت سرمازدگی بهاره در پسته باعث کاهش عملکرد محصول در چند سال اخیر شده است. یک اصل مهم در مطالعه سرمازدگی، برآورد این پدیده است. در این تحقیق از روش شبکه عصبی مصنوعی مدل FFBPبرای برآورد سرمای دیررس بهاره در محصول پسته شهرستان کرمان استفاده شد. بدین منظور داده‌های روزانه ایستگاه سینوپتیک شهر کرمان از سازمان هواشناسی کشور در بازه زمانی 2000-2020 اخذ شد. این داده‌ها شامل میانگین، بیشینه و کمینه دما، رطوبت نسبی، سرعت باد، فشار بخار اشباع و ساعات آفتابی می‌باشد. پنج ترکیب مختلف از این متغیرها به‌عنوان ورودی در روش شبکه عصبی برای مدل‌سازی دماهای کمینه در نظر گرفته شد. در نهایت ترکیب 8 متغیره‌ای از بین مدل‌ها انتخاب گردید و شبیه سازی مقادیر دمای کمینه و محاسبه ویژگی‌های سرمای دیررس بهاره با آن انجام شد. عملکرد این روش با استفاده از شاخص‌های آماری ضریب تعیین، ریشه میانگین مربعات خطا، میانگین خطای انحراف و ضریب نش‌ساتکلیف ارزیابی شد. بررسی نتایج مدل‌سازی نشان داد با کاهش تعداد متغیرها دقت مدل‌ها کاهش می‌یابد. مدل M1 با کمترین مقدار RMSE وبیشترین مقدار R2 در بین سایر مدل‌ها عملکرد بهتری داشت. پس از شبیه‌سازی با روش شبکه عصبی مقادیر شاخص های R2=0.963 و MBE=0 حاصل شد که نشان‌دهنده ارتباط قوی با داده‌های واقعی بود. علاوه بر آن، مقدار شاخص‌های RMSE=0.027 و NSE=0.966 کارایی بالای مدل را در برآورد نشان داد. بررسی میانگین دمای سالانه نشان داد نوسانات دما در بازه زمانی 10-31 مارس در مقایسه با ماه‌های آوریل و می زیاد می‌باشد. کاهش محسوس میانگین دمای سالانه در سال‌های 2000، 2006 و 2020 در این بازه نسبت به دیگر سال‌ها بیشتر بود. در ماه آوریل نیز سال‌های 2001، 2005، 2006، 2009، 2016 و 2019 کاهش دمای محسوسی داشتند. در ماه می باتوجه به میانگین دمای کمینه بین 10 تا 14 درجه سلسیوس احتمال سرمازدگی کمتری نسبت به ماه مارس و آوریل وجود داشت. نتایج نشان داد تعداد روزهای یخبندان بهاره مشاهداتی و برآوردی حاصل از روش شبکه عصبی انطباق خوبی با یکدیگر داشتند. این روش در برآورد تعداد روزهای بحرانی (دماهای کمینه کمتر و مساوی 2 درجه سلسیوس) نیز دقت قابل قبولی داشت. همچنین سال‌های 2000، 2004، 2005، 2012، 2015، 2019 و 2020 بیشترین تعداد روزهای یخبندان بهاره و سال‌های 2006، 2016 و 2019 بیشترین تعداد روزهای بحرانی را در دو دهه‌ی اخیر دارا بودند. با بررسی نتایج می‌توان گفت روش شبکه عصبی مصنوعی در برآورد دمای کمینه و ویژگی‌های مرتبط با سرمای دیررس بهاره از دقت بالایی برخوردار است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluation of accuracy of neural network method in late spring frost estimating in pistachio growing areas of Kerman

نویسندگان [English]

  • Mobina Abdollahi Fuzi 1
  • Bahram Bakhtiari 2
  • Kourosh Qaderi 1
1 Department of Water Engineering Faculty of Agriculture Shahid Bahonar University of Kerman. Kerman. Iran
2 Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran
چکیده [English]

Introduction

Spring frost is considered an important threat to agricultural products in high and middle latitudes. The damage caused by the LSFs (Late Spring Frosts) significantly affects vulnerable plant organs markedly affects. This event has caused more economic losses to agriculture than any other climatic hazard in Asia, North America, and Europe. Also, these phenomena have contributed to low crop yields in Iran. The latest statistics released by the Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) show that Iran is one of the largest producers of agricultural products and the world’s second-biggest producer of pistachios. Kerman province is one of the significant areas of pistachio production. This province has a large share of the pistachio word area plantation. Pistachio spring frost damage resulted in low yields crop yields in the last few years. An important principle in the study of frost is the estimation of this phenomenon. In this study, artificial neural network method methods have been used to estimate late spring frost in the pistachio crop of Kerman city.

Materials and Methods

In this study, the efficiency of this method was investigated in the estimation of Minimum temperature. For this purpose, the Daily data of the synoptic station of Kerman City were obtained from Iran Meteorological Organization from 2000 to 2020. Meteorological data including mean, maximum, and minimum temperatures, relative humidity, wind speed, saturated vapor pressure, and sunshine hours were used. Five different combinations of these variables was considered as input variables in artificial neural network method for minimum temperatures modeling. After entering data into network and modeling with each combination, RMSE and R2 values were calculated. Finally, the combination of 8 variables including average and maximum temperature, the minimum temperature the previous day and two days prior, relative humidity, wind speed, saturated vapor pressure, and sunny hours were selected as the most suitable combination of variables. Then the simulation of the minimum temperature values with %10 of the data was done. The performance of the methods was evaluated using statistical indices of coefficient of determination (R2), mean square of error (RMSE), Mean Bias Error (MBE), and Coefficient of Nash–Sutcliffe (NSE).

Results and Discussion

The accuracy of an analytical method is the degree of agreement of test results generated by the method to the true value. By examining the models, the M1 model was found to be the best model due to the lowest RMSE and higher R2. ANN model results were evaluated using various performance measure indicators. The simulated outcome of the model indicated a strong association with actual data where the correlation coefficient above 0.95 and the MBE index is zero was observed. Also, the RMSE value is positive and close to zero, and the NSE value is above 0.75. Therefore artificial neural network method has high accuracy. In this study, mean annual minimum temperature was estimated using artificial neural network models (from March 10 to May 20 comparison between the observed and calculated data showed that these data are in good agreement. Also, the results showed that temperature fluctuations were high between March 10 and March 31. From 2011 to 2017, an almost uniform temperature trend has been observed between March 10 and March 31. But the years 2000, 2006, and 2020 showed a noticeable decrease in temperature. From 2018 to 2020, this trend of temperature reduction has continued. In April, the temperature values were between 7 and 10 degrees Celsius. The years 2001, 2005, 2006, 2009, 2016, and 2019 have had a noticeable decrease in temperature. In May, the mean minimum temperature was between 10 and 14 degrees Celsius. Therefore, the probability of frost occurrence in early-flowering cultivars was higher in late March than in April and May. The years 2000, 2004, 2005, 2012, 2015, 2019 and 2020 had the highest number of frost days in the last two decades.

Conclusions

The results showed that the artificial neural network method had a high performance in estimating the minimum temperature. The values of the statistical indicators were R2=0.963, RMSE=0.027oC, MBE= 0 and NSE=0.966 respectively. In addition, the ANN method performed good in estimating the number of critical days and frost in pistachio crop. The results showed, although reducing the number of input data in models will result in the reduction of their output precision but Data-driven methods can be used as a useful tool for Minimum temperature estimation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • : Abundance of frost
  • ANN
  • Critical Temperature
  • Pistachio
  • Spring Frost
CAPTCHA Image

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 19 اردیبهشت 1403
  • تاریخ دریافت: 08 اسفند 1402
  • تاریخ بازنگری: 05 اردیبهشت 1403
  • تاریخ پذیرش: 19 اردیبهشت 1403
  • تاریخ اولین انتشار: 19 اردیبهشت 1403