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Modeling of Soil Water Content for Vegetated Surface by Artificial Neural Network and Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System

Șaylan Levent Kimura Reiji Çaldaǧ Barış Akataş Nilcan
Articolo Immagine
ISSN:
2038-5625
Rivista:
Italian Journal of Agrometeorology
Anno:
2017
Numero:
3
Fascicolo:
Italian Journal of Agrometeorology N.3/2017
DOI:
10.19199/2017.3.2038-5625.037

Il contenuto di acqua del suolo è uno dei fattori critici e dinamici per controllare molti processi nella crescita delle piante e comprendere lo stato di siccità agricolo. Influisce anche sulla gestione dell’acqua. Purtroppo, non è ancora stata una variabile regolarmente misurata nel mondo. Pertanto, questa variabile deve essere stimata utilizzando approcci correlati. In questo studio sono state applicate una rete neurale artificiale (ANN), un adeguato sistema di inferenza adattivo neurofuzzy (ANFIS) e un modello di regressione multipla lineare (MLR) e confrontate per modellare la variazione nel contenuto di acqua misurato nel suolo per una superficie vegetata. Sono stati considerati fattori meteorologici e vegetali come la temperatura dell’aria, l’umidità relativa, il deficit della pressione del vapore, l’indice di precipitazione e l’area fogliare. Le misurazioni sono state eseguite su un campo irrigato. I risultati indicano che il miglior coefficiente di determinazione (r2 = 0,98) tra il contenuto di acqua del suolo misurato e tutte le variabili considerate è stato stimato dall’ANFIS, mentre minori relazioni sono state calcolate tra le stesse variabili con MLR con r2= 0,38 e ANN con r2=0,56. I confronti hanno mostrato che l’approccio ANFIS aveva un migliore potenziale di modellazione del tenore di acqua del suolo rispetto al modello MLR e ANN nel periodo di prova, anche se erano state trovate relazioni deboli nel periodo di prova da parte di tutti gli approcci. 

Parole chiave: Contenuto di acqua nel suolo, Sistema di Inferenza adattiva Neuro-fuzzy, Rete Neurale Artificiale.

Soil water content is one of the critical and dynamic factors for controlling many processes in plant growth and understanding agricultural drought status. It also influences the management of water. Unfortunately, it hasn’t been a routinely measured variable in the world, yet. Therefore, this variable is subject to be estimated using related approaches. In this study, an artificial neural network (ANN), a suitable adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) and a multiple linear regression (MLR) model were applied and compared for modeling the variation in the measured soil water content for a vegetated surface by meteorological and plant factors such as air temperature, relative humidity, vapor pressure deficit, precipitation and leaf area index. Measurements were carried out over an irrigated field. The results indicated that the best determination coefficient (r2=0.98) between the measured soil water content and all considered variables was estimated by the ANFIS, whereas weaker relationships were calculated between the same variables by MLR as r2=0.38 and ANN as r2=0.56. Comparisons showed that ANFIS approach had a better modeling potential of the soil water content compared to the MLR and ANN model in the trial period, though weaker relationships in the testing period were found by all approaches. 

Keywords: Soil Water Content, Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System, Artificial Neural Network.