I nd o ne s ia n J o urna l o f   E lect rica l En g ineering   a nd   Co m pu t er   Science   Vo l.   3 7 ,   No .   1 ,  J an u ar y   20 2 5 ,   p p .   6 4 8 ~ 6 5 9   I SS N:  2 502 - 4 7 52 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijee cs .v 3 7 . i 1 . pp 648 - 6 5 9           648     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ee cs . ia esco r e. co m   M O DIS - NDVI a n d  whea t  yield pa t t erns a nd pr edicti o ns  in  Ta o una te,   M o ro cco       Sa ra   B o us k o ur 1 ,   M o ha m ed  H icha m   Z a g g a f 1 ,   L ho us s a in   B a ha t t i 1 ,   So um a y a   Z a y rit 2   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   Ec o l e   N o r mal e   S u p é r i e u r e   d e   l ’ En s e i g n e m e n t   Te c h n i q u e   ( EN S E T) ,   H a ss a n   I I   U n i v e r si t y ,   M o h a mm e d i a ,   M o r o c c o     2 F a c u l t y   o f   S c i e n c e   A i n   C h o c k ,   U n i v e r si t y   H a ss a n   II - C a sab l a n c a ,   C a sa b l a n c a ,   M o r o c c o       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Mar   11 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Sep   12 ,  2 0 2 4   Acc ep ted   Sep   29 ,   2 0 2 4       Th is  st u d y   is  d e v o ted   to   th e   u se   o f  v a ried   a n a ly ti c a l  m e th o d s   to   e lu c id a te  th e   c o m p lex   re latio n sh i p   b e twe e n   n o rm a li z e d   d iffere n c e   v e g e ta ti o n   in d e x   (ND VI)  a n d   wh e a t  p ro d u c ti o n   in   Tao u n a te ,   M o r o c c o   b a se d   o n   M OD IS   S a telli te   d a ta.   Li n e a r  re g re ss io n   (LR) ,   wit h   a   c o e fficie n t  o f  d e term in a ti o n   (R² )  o f   0 . 9 3 ,   p ro v id e d   a   so l id   b a sis,  wh il e   th e   d e c isio n   tree   (D T)   sh o we d   sig n ifi c a n t   p e rfo rm a n c e   with   a n   R²   o f  0 . 8 1 .   S u p p o r t  v e c to r   re g re ss io n   (S VR)   p e rfo rm e d   we ll   with   a n   R²   o f  0 . 9 6 ,   h i g h l ig h ti n g   it s a b il i ty   t o   c a p tu re   th e   n o n - li n e a r  n u a n c e s  o f  th e   d a ta.  G iv e n   th e   c o m p lex it y   i n h e re n t  in   t h e   o b se rv e d   re latio n sh i p s,   c h a ra c teriz e d   b y   n o n - l in e a r  v a riatio n s,  we   o p ted   f o r  a   c o m b in e d   a p p ro a c h .   K - m e a n s,  c lo se ly   li n k e d   t o   S VR,  wa s  in teg ra ted   fo r  it s   a b il it y   to   id e n ti fy   h o m o g e n e o u s   su b g ro u p s  i n   t h e   d a ta  (R 2   u p   to   0 . 9 8 ).     Th is  c o m b in a ti o n   m a d e   it   p o ss i b l e   to   c ircu m v e n t  th e   l imits  o f   stri c tl y   li n e a r  m e th o d s,  t h u s  re in f o rc in g   t h e   r o b u st n e ss   o f  o u r  a n a ly sis.  Th e se   re su lt s  u n d e rl in e   th e   c a p a c it y   o f  t h e   c h o se n   m e th o d o lo g y   t o   d e c o d e   th e   i n tera c ti o n s   b e twe e n   ND VI  a n d   wh e a t  p ro d u c ti o n   i n   t h e   c o m p lex   c o n tex t  o f  Tao u n a te.   By   p r o v i d i n g   c lea r  a n d   n u a n c e d   p e rsp e c ti v e s,  th is  st u d y   h e l p s  in f o rm   a g ricu lt u ra l  d e c isio n s  a n d   b u il d   re sili e n c e   to   c li m a te  c h a ll e n g e s  in   th e   re g io n .   K ey w o r d s :   E s tim ate  wh ea t y ield   K - m ea n s   MO DI S   NDVI   SVR   T im e  s er ies   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Sar a  B o u s k o u r   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   E co le  No r m ale  Su p ér ieu r e  d e  l’ E n s eig n em en t T ec h n iq u e  ( E NSET )   Hass an   I I   Un iv er s ity     Mo h am m ed ia,   M o r o cc o   E m ail: sar a. b o u s k o u r @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   Sm ar t  ag r icu ltu r e   is   em er g in g   as  an   ess en tial  r esp o n s e  to   f o o d   s ec u r ity   an d   clim ate  ch a n g e  is s u es.    At  th e  h ea r t  o f   t h is   in n o v ativ e   ap p r o ac h   is   th e   f u s io n   o f   c u ttin g - ed g e   tech n o lo g ies   an d   in f o r m ed   ag r ic u ltu r al   p r ac tices  [ 1 ] ,   aim ed   at  o p tim izin g   p r o d u ctiv it y   wh ile  m itig atin g   en v ir o n m e n tal  im p ac ts .   Ou r   s tu d y   f o llo w s   th e  m o m e n tu m   o f   s m ar t  ag r icu ltu r e  s p ec if ically   in   M o r o cc o ,   w h er e  wh ea t   cu ltiv ati o n   is   o f   p ar ticu lar   im p o r tan ce .   Face d   with   co n s t an tly   ev o l v in g   clim ate  ch allen g es,  th e  n e ed   f o r   ad ap tiv e   s tr ateg ies  em er g es  as  a   p r io r ity ,   a n d   it is   in   th is   p er s p e ctiv e  th at  o u r   w o r k   is   d e p lo y e d   [ 2 ] .   T r ad itio n al  m eth o d s   o f   f o r ec a s tin g   cr o p   y ield s   d u r in g   th e  g r o win g   s ea s o n   ca n   esti m ate  y ie ld s   b ef o r e   h ar v est  an d   h elp   m a k e  m o r e  in f o r m e d   m an a g em en t  d ec is io n s .   Alth o u g h   b ased   o n   s o u n d   p h y s io lo g ical  an d   p h y s ical  co n ce p ts ,   th ese  m et h o d s   p r o v e   in ef f ec tiv e   in   ca s es  o f   s p atial  s o il  v ar ia b ilit y ,   s tr ess ,   o r   d if f er e n t  m an ag em en t   p r ac tices.  I n   co n tr ast,  p lan t  co v er   r e m o te  s en s in g   is   h ig h lig h ted   as  a  p o ten tiall y   v alu a b le  to o l f o r   ag r icu ltu r al  m o n ito r in g ,   o wi n g   to   its   s y n o p tic  co v er ag e   an d   its   ab ilit y   to   o b s er v e   in   m a n y   s p ec tr al  wav elen g th s .   Ma n y   s tu d ies  h av e  r ec o g n ize d   th at   p lan t  d ev elo p m e n t,  s tr ess ,   an d   y ie ld   ca p ab ilit ies  ar e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       MODI S - N DV I   a n d   w h ea t y iel d   p a tter n s   a n d   p r ed ictio n s   in   Ta o u n a te,   Mo r o cc o   ( S a r a   B o u s ko u r )   649   m an if ested   in   th e  s p ec tr al   r e f lecta n ce   o f   p la n t  ca n o p ies  a n d   ca n   b e   q u an tifie d   u s in g   v eg etatio n   s p ec tr al   in d ices ( NDVI ,   E VI ,   SAVI ,   A R VI ,   GC L ,   R e C I ) .   A  s tu d y   co n d u cted   b y   Sh a f iee  et  a l.   [ 3 ]   ex am i n es  th e  ap p licatio n   o f   two   m ac h in e  lear n in g - b ased   r eg r ess io n   m eth o d s   to   p r ed i ct  wh ea t  g r ain   y ield   f r o m   v eg etatio n   in d ices  e x tr ac ted   f r o m   UAV  im ag es.     T h e  o b jectiv e  o f   th is   r esear c h   was  to   ev alu ate  th e  ef f ec tiv en ess   o f   s u p p o r t  v ec to r   r e g r ess io n   ( SVR )   in   co m b in atio n   with   s eq u en tial  f o r war d   s elec tio n   ( SF S)  f o r   g r ain   y ield   p r ed ictio n .   An o th er   s tu d y ,   b y     Ash o u r lo o   et   a l.   [ 4 ] ,   e x p lo r e d   v ar io u s   r e m o te  s en s in g   m eth o d s   to   im p r o v e  c r o p   y ield   f o r ec asti n g .   T h e  m ain   o b jectiv e  o f   t h is   s tu d y   is   to   d et er m in e  th e  b est r em o te  s en s in g   ch ar ac ter is tics   an d   th e  m o s t e f f icien t r eg r ess io n   m o d el  f o r   wh ea t y ield   p r ed icti o n   in   th e  Ham e d an   r e g io n ,   I r a n .   T o   th is   en d ,   we  u s ed   s ev er a l v eg etatio n   in d ices   ( VI )   an d   r e f lecta n ce   v alu es  o b tain ed   f r o m   Sen tin el - 2   im ag es,  an aly ze d   in   d if f er e n t  tim e   win d o ws,  as  in p u t   d ata  f o r   th e  r eg r ess io n   m o d els .   Am o n g   th e   m o d els  test ed ,   t h e  g au s s ian   r eg r ess io n   m o d el  ( GPR )   g av e  th e  b est   r esu lts ,   with   a  r o o t  m ea n   s q u ar e  er r o r   ( R MSE )   o f   0 . 2 2 8   t/ h a  an d   a  co ef f icien t  o f   d eter m in atio n   R ²  o f   0 . 7 3 .     A  r ec en t  s tu d y   b y   Ash f aq   et  a l .   [ 5 ]   d em o n s tr ated   th at  c o m b in in g   m u ltip le  d atasets   u s in g   th r ee   m ac h in e   lear n in g   alg o r ith m s   s ig n if ican tly   im p r o v ed   y ield   p r e d ictio n   p er f o r m an ce ,   with   a  co ef f icie n t  o f   d eter m in atio n   r an g in g   f r o m   0 . 7 4   to   0 . 8 8 .   I n co r p o r atin g   s p atial  in f o r m atio n   an d   o th er   p r o p er ties   in to   th e  r ef er en ce   m o d els   im p r o v e d   p r e d ictio n   ac cu r ac y   f r o m   0 . 0 8   t o   0 . 1 2 .   Ou r   an al y s is   ap p r o ac h   is   b ased   o n   th e   n o r m alize d   d if f e r e n ce   v e g etatio n   i n d ex   ( NDVI )   wh ich   is   co n s id er ed   th e  in d icato r   p a r   ex ce llen ce .   T h is   p ar am eter ,   d er iv ed   f r o m   s atellite  d ata,   p r o v id es  an   o b jectiv e   m ea s u r e  o f   cr o p   h ea lth   an d   v i g o r ,   b ased   o n   th e  n o r m alize d   d if f er en ce   b etwe en   r ef lecte d   l ig h t  in   th e  r ed   an d   n ea r - in f r ar ed   r a n g e  [ 6 ] .   I ts   r elev an ce   lies   in   its   ab ilit y   to   q u a n tify   th e  v e g etatio n   p r esen ce   a n d   d en s ity ,   th e r eb y   p r o v id i n g   d etailed   i n s ig h t in to   cr o p   p er f o r m an ce   [ 7 ] .   I n   an   ag r ic u ltu r al  c o n tex t,   th e  NDVI   allo ws  th e  cr o p   ev o lu ti o n   to   b e   o b s er v e d   in   a  n o n - in t r u s iv e  an d   co n tin u o u s   m an n er   [ 8 ] .   I ts   s en s itiv ity   to   c h an g es  i n   p lan t  co v er   m a k es  it  a   p r e f er r ed   to o l   f o r   ass ess in g   s ea s o n al  v ar iatio n s ,   wate r   s tr e s s ,   an d   th e  im p ac ts   o f   clim atic  co n d itio n s   o n   cr o p   h ea lth   [ 9 ] ,  [ 1 0 ] .   B y   c h o o s in g   NDVI   as  th e  p iv o t  o f   o u r   s tu d y ,   we  r ely   o n   a  p r o v e n   s cien tific   m eth o d   to   d is s ec t  th e  co m p lex   r elatio n s h ip   b etwe en   v eg etatio n   an d   wh ea t   p r o d u ctio n ,   p r o v id in g   r ic h   an d   n u a n ce d   i n s ig h ts   in to   th e   ag r icu ltu r al  lan d s ca p e   o f   T ao u n ate.   I n   th is   q u est  f o r   in - d ep th   u n d er s tan d in g ,   we  h av e  m o b ili ze d   a  r an g e   o f   an aly tical   to o ls .   L in ea r   r eg r ess io n   ( L R )   o u tlin ed   th e  r elatio n s h ip s   b etwe en   NDVI   a n d   wh ea t  p r o d u ctio n ,   wh ile  SVR   d elv ed   in to   th e  in tr icac ies  o f   th ese  lin k s ,   ca p tu r in g   c r u cial  n o n - lin ea r   n u a n ce s .   T h e  d ec is io n   tr ee   ( DT )   with   its   ab ilit y   to   u n r av el   co m p le x   p atter n s   en r i ch ed   o u r   an aly s is   b y   r ev ea lin g   d elica te  r elatio n s h ip s   th at  a r e  o f te n   d if f icu lt  t o   id en tify .   K - m ea n s ,   clo s ely   in teg r ated   with   th e  SVR ,   p ar titi o n ed   th e  d ata,   r ev ea lin g   h o m o g en eo u s   g r o u p s   an d   th u s   co n s o lid atin g   o u r   p er ce p tio n   o f   d if f e r en t  b eh a v io r s   with in   th e  NDVI - wh ea t  p r o d u ctio n   co n tin u u m .     T h is   ap p r o ac h   co m b i n atio n   h as  s h ap ed   a  h o lis tic  p er s p e ctiv e,   tr an s ce n d i n g   th e  b o u n d ar ies  o f   tr ad itio n al   m eth o d s   to   ad d r ess   co m p lex it y   in   an   i n teg r ated   way .   At  th e  h ea r t  o f   th is   wo r k   lies   o u r   s cien tific   ap p r o ac h   wh ich   e n s u r es  o u r   co m m itm en t   ef f ec ti v en ess   to   u n v eilin g   e x p lo itab le   k n o wl ed g e  f o r   m a k in g   i n f o r m ed   ag r icu ltu r al  d ec is io n s ,   s u c h   as  ir r ig atio n   an d   f er tili za tio n   [ 1 1 ] .   B y   p r o b in g   t h e  d y n am ic  r elatio n s h ip   b etwe en   NDVI   an d   wh ea t  p r o d u cti o n ,   we  aim   to   o f f e r   n u an ce d   p er s p ec tiv es,  th er eb y   co n tr ib u tin g   to   s tr en g th en i n g   th e  r esil ien ce   o f   ag r icu ltu r al  p r ac tices  in   th e  f ac e  o f   cu r r en t c lim ate  ch allen g es a n d   en s u r in g   f o o d   s ec u r ity   in   th e  T ao u n ate  r eg io n ,   Mo r o cc o .   T h is   ar ticle  is   c o m p o s ed   o f   d if f er en t   s ec tio n s   aim ed   at  a n   ex am i n atio n   o f   wh ea t  p r o d u ctio n   in   T ao u n ate.   T h e  f ir s t  s ec tio n   is   d ev o ted   to   th e  p r ec is e  d elim itatio n   o f   o u r   s tu d ied   r eg i o n .   T h e  m eth o d o l o g y   s ets  o u t  th e   mo d u s   o p era n d i ,   f r o m   th e  c o llectio n   o f   NDVI   d ata  t o   th e   s tu d y   o f   co r r elatio n   with   wh ea t  p r o d u ctio n .   T h e  r esu lts   ar e  p r esen ted   g r ap h ically ,   f o llo wed   b y   a  d is cu s s io n .   T h e  co n clu s io n   s u m m ar iz es  k ey   f in d in g s   an d   id en tifie s   p o ten tial d ir ec tio n s   f o r   f u tu r e  r esear ch .       2.   ST UDY  Z O N E   Ou r   s tu d y   is   ca r r ied   o u t  in   t h e  T ao u n ate   r eg io n ,   lo ca ted   in   th e  n o r t h   o f   Mo r o cc o ,   8 0   k m   f r o m   Fez,   th e  ca p ital  o f   th e  Fez - Me k n es  r eg io n .   T h is   p r o v in ce   as  h ig h lig h ted   b y   th e  r e d   h ex ag o n   i n   Fig u r e   1   ex ten d s   o v er   an   ar ea   o f   5 6 1 , 6 0 0   h a  =  5 , 6 1 6   km 2 ,   b etwe en   th e  co o r d in ates  3 4 °  3 2 ′  0 9 ″   n o r th   an d   4 °  3 8 ′  2 4 ″   west.   W h en   it  co m es  to   clim ate,   T ao u n ate  tak es  ad v a n tag e   o f   th e  Me d iter r a n ea n   wea th er .   T h e  latter   is   ch ar ac ter ized   b y   h o t,   d r y   s u m m er s   an d   r ain y   win ter s ,   wh ic h   cr ea tes  id ea l  c o n d itio n s   f o r   v ar y in g   ag r ic u ltu r al   a ctiv ities .   At  th e  s am e  t im e,   th is   r eg io n   p r esen ts   wid e - r an g in g   s o il  ty p es  an d   f av o r ab le  co n d itio n s   f o r   d iv er s if y in g   cr o p s .   W e  f in d   c lay   s o ils   p r o v id in g   m o is tu r e  r eser v es  u s ed   d u r in g   d r y   p er i o d s .   T h er e  is   also     a  ty p e  ca lled   l o am y   with   an   in ter m ed iate  tex tu r e  b etwe e n   clay   an d   s an d ,   th u s   p r o m o tin g   d r ain ag e  a n d   m ain tain in g   ce r tain   wate r   r eten tio n .   Fin ally ,   th er e  is   also   a  s an d y   s o il  cr ea tin g   r ap id   d r ai n a g e  co n d itio n s   id ea l   f o r   s p ec if ic  cr o p s   s u ch   as r o o t  v eg etab les,  asp ar ag u s ,   a n d   ar o m atic  h er b s .   A  s tu d y   was  c o n d u cted   b y   B elm ah i  et  a l.   [ 1 2 ]   in   th e  Fez - Me k n es  r eg io n   to   s tu d y   th e  r elatio n s h ip   b etwe en   ce r ea l   y ield   an d   NDVI   d ata  b ased   o n   t h e  Pear s o n   co ef f icien t  a n d   LR .   T h is   s tu d y   r ev e als  o u r   ch o ice   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci ,  Vo l.  3 7 ,   No .   1 ,  J an u ar y   20 2 5 :   648 - 6 5 9   650   o f   T a o u n ate   as  a   s tu d y   ar ea .   T h e  g r ap h   lin k e d   to   th is   s tu d y   p r o v es  t h at  T a o u n ate   is   th e   m ain   p r o d u ce r   o f   ce r ea ls   ( 3 0 %)  in   th e  Fez - Me k n es R eg io n .           Fig u r e   1 .   L o ca tio n   o f   th e  s tu d y   ar ea       3.   M E T H O D   3 . 1 .     Re m o t e  s ens ing   da t a s et   Ou r   an aly s is   o f   w h ea t  cr o p s   in   T ao u n ate  r elies  o n   th e  GI MM S  g lo b al  ag r ic u ltu r al  m o n ito r in g   ( GL AM )   in ter f ac e,   a   p latf o r m   th at  p r o v id es  ac ce s s   to   NDVI   im ag es  f r o m   MO DI S  an d   VI I R S  s atellite s ,   as  well  as  th e  r etr ie v al  o f   N DVI   d ata  tim e   s er ies  [ 1 3 ] .   T h e   g lo b al   in v e n to r y   m o d elin g   an d   m a p p in g   s tu d ies/ g lo b al  ag r icu ltu r al  m o n ito r i n g   ( GI MM S/GLAM )   s y s tem   p r o v id es  8 - d ay   g lo b al  d atasets   in   n ea r   r ea l - tim e.   T h is   d ata  is   d er iv ed   f r o m   s atellite  im ag es  ca p tu r ed   b y   s en s o r s   o n   NASA’ s   T er r a  s p ac ec r af t,  at  an   av er ag e  s p atial  r eso lu tio n   o f   5 0 0   m eter s .   B ef o r e  b ein g   o p er atio n al,   th is   d ata  u n d e r g o es  atm o s p h er ic   co r r ec tio n   a n d   clo u d   f ilter in g ,   ca r r ied   o u t p ix el  b y   p ix el,   th an k s   to   th e  ef f o r ts   o f   th e   MO DI S scien tific   team .   T h e  d ev elo p m e n t  an d   p r o v is io n   o f   th is   in ter f ac e  ar e   en s u r e d   b y   th e  Natio n al  Aer o n au tics   an d   Sp ac e   Ad m in is tr atio n /Go d d ar d   Sp a ce   Fli g h t  C en ter /Th e  Glo b al  I n v en t o r y   Mo d elin g   an d   Ma p p in g   Stu d ies   ( NASA/GS FC / GI MM S)  g r o u p   f o r   t h e  Un ited   States   Dep ar tm en t  o f   Ag r icu ltu r e/ Fo r eig n   Ag r icu ltu r al  Ser v ice/I n ter n atio n al  Pr o d u cti o n   Ass ess m en t  Div is io n   ( USDA/FAS /I PAD)   g lo b al  ag r ic u ltu r al  m o n ito r in g   p r o ject.   T h e   m is s io n   o f   th is   p r o ject  is   t o   p r o v i d e  a n   o b je ctiv e,   tim ely ,   an d   r e g u lar   ass ess m en t  o f   g lo b al   ag r icu ltu r al  p r o d u ctio n   p r o s p e cts an d   co n d itio n s   af f ec tin g   g l o b al  f o o d   s ec u r ity .   T h e  ch o ice  o f   th is   d ata  f o r   o u r   s tu d y   s tem s   f r o m   t h e  n e ed   to   ac c ess   p r ec is e  an d   n ea r   r ea l - tim e   in f o r m atio n   o n   cr o p   h ea lth .   T h e  d ata’ s   s cien tific   q u ality ,   co u p le d   with   atm o s p h er ic  c o r r ec tio n   an d   clo u d   f ilter in g ,   o f f er s   u s   a   th o r o u g h   v iew  o f   th e  e v o lu tio n   o f   wh e a t  cr o p s   i n   T a o u n ate   o v e r   tim e.   Du r in g   o u r   NDVI   d ata  ex p lo r a tio n   in   T ao u n at e,   a  cr itically   im p o r tan t  o b s er v atio n   em er g e d :  o n   Feb r u ar y   1 8 ,   2 0 1 6 ,   an   in ter r u p tio n   was  n o ted   in   t h e   d ata.   T o   en s u r e  co n tin u ity   i n   o u r   a n aly s is ,   we  to o k   co r r ec tiv e  m ea s u r es  b y   r ep lacin g   t h e  m is s in g   v alu e  w ith   th e  d ata  av er a g e  ju s t  b ef o r e  an d   af ter   t h is   s p ec if ic  d ate.   T h is   ap p r o ac h   was   ad o p ted   to   m in im ize  th e  im p ac t  o f   th e  in ter r u p tio n   o n   th e  tim e  s er ies  co n s is ten cy ,   th er eb y   en ab lin g   a  m o r e   r eliab le  an aly s is   o f   ag r icu ltu r al  tr en d s .   T em p o r ar y   d ata   b r e ak s   ar e  a   co m m o n   ch allen g e  i n   tim e  s er ies - b ase d   s tu d ies,  an d   th is   c o r r ec tio n   h elp s   m ain tain   th e   in teg r ity   o f   o u r   wh ea t  c r o p   h ea lth   ass es s m en t  in   T ao u n at e   d u r in g   th e  s tu d y   p er io d .     3 . 2 .     P r o du ct io n  d a t a s et   T h e  p r o d u ctio n   d ata  u s ed   in   o u r   s tu d y   r ep r esen ted   in   Fig u r e   2   b y   th e  b ar   g r ap h ,   em a n ate  f r o m   t h e   h ig h   c o m m is s io n   f o r   p lan n in g   ( HC P),   th e  m ai n   p r o v id e r   o f   Mo r o cc o ’ s   o f f icial  s tatis tics .   R eliab le  an d   o f f icial  s o u r ce   r ein f o r ce s   th e   cr ed ib ili ty   o f   o u r   an aly s is ,   r ely in g   o n   in f o r m atio n   ca r ef u lly   co llecte d   b y   an   i n s titu tio n   h av in g   in s titu tio n al  an d   p r o f e s s io n al  in d ep en d e n ce .   W h ea t  p r o d u ctio n   in   T ao u n ate,   e x p r e s s ed   in   m illi o n s   o f   q u in tals ,   ex p er ien ce d   n o tab le   f lu ctu atio n s   f r o m   2 0 0 0   t o   2 0 2 0 .   I n   2 0 0 0 ,   p r o d u ctio n   r ea ch ed   1 4 2 3 . 1   m illi o n   q u in tals ,   f o llo wed   b y   a   s ig n if ican t  d ec lin e  to   6 5 2 . 7   m illi o n   q u in tals   in   2 0 0 1 .   I n   2 0 0 2 ,   an   in c r ea s e  was  r ec o r d e d   with   p r o d u ctio n   o f   1 7 2 3 . 5   m illi o n   q u in tals ,   b u t  in   2 0 0 3 ,   p r o d u ctio n   r o s e  to   1 7 5 7 . 2   m illi o n   q u in tals ,   m ar k in g   a  y ea r   o f   g r o wth .   I n   2 0 0 4 ,   p r o d u ctio n   d ec r ea s ed   to   9 7 8 . 5   m illi o n   q u in tals ,   b u t  in   2 0 0 5 ,   a  s h ar p   in cr ea s e  was  o b s er v ed   with   a  p r o d u ctio n   o f   2 3 2 1 . 6   m illi o n   q u in tals .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       MODI S - N DV I   a n d   w h ea t y iel d   p a tter n s   a n d   p r ed ictio n s   in   Ta o u n a te,   Mo r o cc o   ( S a r a   B o u s ko u r )   651       Fig u r e   2 .   An n u al  wh ea t  y ield   ( 2 0 0 0 – 2 0 2 0 )       I n   2 0 0 6 ,   p r o d u ctio n   f ell  to   5 5 3 . 3   m illi o n   q u in tals ,   o n ly   to   e x p er ien ce   a  s ig n if ica n t  in cr ea s e  in   2 0 0 7 ,   r ea ch in g   1 6 5 8   m illi o n   q u in tal s .   T h e  f o llo win g   y ea r s   wer e  m ar k ed   b y   v a r iatio n s ,   with   h i g h   p o in ts   in   2 0 0 9   ( 1 0 6 3 . 3   m illi o n   q u in tals )   an d   2 0 1 6   ( 2 1 4 6 . 5   m illi o n   q u in tals ) .   T h e  y ea r   2 0 1 5   wa s   ch ar ac ter ized   b y   ex ce p tio n ally   l o w  p r o d u ctio n ,   r ec o r d in g   o n ly   2 5 1 . 8   m il lio n   q u i n tals .   I n   2 0 1 7 ,   p r o d u ctio n   r e b o u n d ed ,   r ea ch in g   1 , 7 7 6   m illi o n   q u in t als.  T h e  y ea r s   2 0 1 8   an d   2 0 1 9   s aw  a  d ec r ea s e  in   p r o d u cti o n ,   with   r esp ec tiv e   f ig u r es  o f   9 6 9 . 5   an d   4 7 0 . 2   m illi o n   q u in tals .   I n   2 0 2 0 ,   p r o d u ctio n   i n cr ea s ed   to   1 9 0 4 . 4   m illi o n   q u in tals .     T h is   d ata  s h o ws  th e  in f l u en ce   o f   f ac t o r s   s u ch   as  wea th er   co n d itio n s ,   ag r ic u ltu r al  p r ac tices,  an d   o th er   en v ir o n m en tal  v ar ia b les.     3 . 3 .     Da t a s et   co rr el a t io n study   T h e  s tu d y   o f   th e  c o r r elatio n   b etwe en   NDVI   v alu es  d e r iv ed   f r o m   MO DI S  im a g es  ( ev e r y   8   d ay s )   a n d   an n u al  wh ea t   p r o d u ctio n   p r o v id es  a  d ec is iv e  p e r s p ec tiv e  to   s h ed   lig h t  o n   t h e  r elatio n s h ip   b etwe en   v eg etatio n   an d   wh ea t  g r ain   y ield .   B y   ch e ck in g   th e  c o r r elatio n   b etwe en   th ese  m ea s u r em en ts   an d   wh ea t  y ield ,   we  s ee k   to   d eter m in e  t h e  d e g r ee   to   wh ic h   p lan t  v ig o r ,   as  ca p tu r ed   b y   N DVI ,   i m p ac ts   p r o d u ctiv it y .   T h is   m eth o d   m ak es  it  p o s s ib le  to   d eter m in e   cr itical  p h ases   o f   th e   wh ea t  g r o wth   cy cle  wh er e   th e  co r r elatio n   p r o v id es  v er y   h ig h   v alu es,  h en c e  p r o v id i n g   in f o r m atio n   o n   th e  c r itical  m o m en ts .   A  p o s itiv e  co r r elatio n   v alu e  in d icate s   th at   o p ti m al  p lan t   co n d itio n s   ar e  lin k ed   to   v er y   h i g h   p r o d u cti o n ,   wh ile   a  n e g ativ e  co r r elat io n   v alu e   s u g g ests   ad v er s e  f ac to r s   f o r   g r o wth .   B y   v is u alizin g   th e  co r r elatio n   g r ap h   p r esen ted   in   Fig u r e   3 ,   we  n o tice  a  s ig n if ican tly   h ig h   co r r elatio n   b etwe en   th e   NDVI - MO DI S  v alu es  an d   th e   an n u al  wh ea t   p r o d u ctio n   d u r in g   th e   p e r io d   ( T 1 3 - T 2 5 )   wh ich   co r r esp o n d s   to   th e  p e r io d   f r o m   J an u ar y   1 7   to   A p r il 3 0 .   Du r in g   th is   tim e - lap s e,   a  s u s tain ed   p o s itiv e  co r r elatio n   b etwe en   NDVI   an d   wh ea t  y i eld   h en ce   s u g g ests   th at  cr o p   h ea lth   d eter m in ed   b y   th e  v eg etatio n   in d ex   h as  a   n o tab le  ef f ec t  o n   wh ea t  p r o d u ctio n .           Fig u r e   3 .   Hig h lig h t o f   th e  co r r elatio n   p er io d   b etwe en   NDVI   an d   wh ea t y ield   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci ,  Vo l.  3 7 ,   No .   1 ,  J an u ar y   20 2 5 :   648 - 6 5 9   652   T h e  d ata  ch o ice  f o r   th e  r e g r e s s io n   is   ju s tifie d   b y   th e  f ac t  th at  th is   p er io d   ( J an   1 7 - Ap r   3 0 )   s ee m s   p ar ticu lar l y   s en s itiv e  to   v a r iatio n s   in   NDVI ,   u n lik e   th e   o th e r   m o m e n ts .   T h u s ,   it  s ee m s   r ea s o n ab le  to   s u g g est   th at  th e  wh ea t  h a r v est  is   s ig n if ican tly   im p ac ted   b y   e n v ir o n m en tal  an d   a g r icu ltu r al   co n d itio n s   d u r in g   th ese   wee k s .   B y   f o cu s in g   o n   th is   p h ase,   th e  r elatio n s h ip   b etwe en   t h e  v eg etatio n   in d ex   an d   wh ea t   p r o d u ctio n   ca n   b e  ca p tu r ed   in   a  m o r e  p r ec is e  way ,   th er ef o r e  lead in g   to   v e r y   r eliab le  an d   s p ec if ic  p r ed ictio n s   at  th is   s o - ca lled   cr itical  tem p o r al  r an g e  o f   th e  cr o p   wh ea t  g r o wth   c y cle.     3 . 4 .     K - m e a ns   c lus t er ing   wit h SV R  m o delin g   I n   o u r   s tu d y ,   we  s ee k   to   im p l em en t  a  clu s ter in g   ( K - m ea n s )   an d   SVR   ap p r o ac h   to   ag r icu l tu r al  d ata.   T h e  o b jectiv e  is   to   m o d el  th e   r elatio n s h ip   b etwe en   th e  av e r ag e  NDVI   f o r   ea ch   y ea r   ( 2 0 0 0   to   2 0 2 0 )   a n d   th e   co r r esp o n d in g   wh ea t  p r o d u cti o n .   T h e  p r o ce s s   s tar t s   b y   ap p ly in g   th e  K - m ea n s   alg o r ith m   to   g r o u p   th e  y ea r s   in to   k   clu s ter s ,   th en   o b tain in g   th e  clu s ter   ce n ter s   μ   ( m ea n   N DVI )   f o r   ea ch   clu s ter   j,  an d   f in ally   o b tain in g   th e   clu s ter   ass ig n m en t in d ices c (i)   f o r   ea ch   y ea r   i .   Ma th em atica lly ,   th is   co u ld   b e   ex p r ess ed   as f o llo ws:     ( , ) = ∑ = 1   ∑ = 1   ∥ ∥ ( ) − ∥ ∥ 2 ⋅ ( ( ) = )   ( 1 )     s u ch   th at:   x ( i ):   th e  av er a g e  o f   th e  NDVI   f o r   y ea r   i   μ : th e  ce n ter   o f   clu s ter   j   c ( i ) : th e  in d ex   o f   th e  cl u s ter   to   wh ich   y ea r   i is ass ig n ed   I   ( ⋅ ) : th e  in d icato r   f u n ctio n   T h en ,   f o r   ea ch   clu s ter   id en tifi ed   b y   K - m ea n s ,   an   SVR   m o d el  is   tr ain ed .   Fo r   ea ch   clu s ter   j,  we  m u s t   ex tr ac t  th e  y ea r s   i  b elo n g i n g   t o   clu s ter   j,  th en   ap p ly   th e  SV R   o n   th is   s u b s et  o f   d ata  ( X j ,   Y j ) ,   an d   f in ally   o b tain   th e  weig h ts   w j ,   th e  b ias b j ,   a n d   th e  p r ed ictio n s   Y ’ j   f o r   t h is   clu s ter .   Ma th em atica lly ,   th is   co u l d   b e  ex p r ess ed   as :     min , , ⋅ ∗   1 2 ⋅ + ∑ = 1   ( , + , ∗ )   ( 2 )     f o r   a  s p ec if ic  clu s ter   j [ 1 4 ] :   Un d er   th e  c o n s tr ain ts :     , − ⋅ , − ≤ + , ⋅ , + − , ≤ + , ∗   ( 3 )     w h er e:   x j,   i : th e   av er ag e   o f   NDVI   f o r   y ea r   i in   clu s ter   j   y j,   i:   th e   wh ea t p r o d u ctio n   f o r   y ea r   i in   clu s ter   j   ξ j,   i  an d   ξ* j,   i : th e  d ev iatio n   v ar i ab les   “C”: th e  r eg u lar izatio n   p ar am eter ,   an d   ε  is   a  to ler a b le  er r o r   p ar am eter .   T h is   r ep r esen ts   a  m o d elin g   ap p r o ac h   wh er e  K - m ea n s   is   u s e d   to   id en tify   clu s ter s   o f   s im ila r   b eh av io r   in   ter m s   o f   m ea n   NDVI ,   an d   th en   SVR   is   ap p lied   to   ea c h   clu s ter   to   m o d el  t h e  r elatio n s h ip   b etwe en   NDVI   an d   wh ea t p r o d u ctio n   with in   e ac h   g r o u p .   Ou r   s o lu tio n   o p tim izes  d ata   m an ag e m en t  b y   u s in g   clu s ter in g   to   d i v id e  d ata  ac co r d in g   to   its   d is p er s io n ,   f o llo wed   b y   p r ec i s e  ap p licatio n   o f   SVR .   W e  h av e  in teg r ated   two   k ey   m eth o d s :  c lu s ter in g   an d   n o r m aliza tio n :  w e   s tar t  b y   g r o u p in g   d ata  in to   h o m o g e n eo u s   clu s ter s   v ia  K - m ea n s   an d   th en   n o r m alize   th e  d at a   to   en s u r e  a  f air   an d   b alan ce d   co m p ar is o n .   Hy p er p ar a m eter   s ea r ch   an d   cr o s s - v alid atio n :   f o r   ea ch   clu s ter ,   we  em p lo y   R an d o m ized Sear ch C V  to   ex p lo r e  th e   SVR   h y p er p ar am eter   s p ac e  ef f icien tly ,   ad j u s tin g   th e   v al u es  o f   C ,  g am m a,   ep s ilo n ,   an d   k er n el .   W e  u s e  L ea v eOn eOu t   f o r   s m all  clu s ter s   to   ad ju s t  th e  n u m b er   o f   f o l d s   f o r   lar g er   clu s ter s ,   en s u r in g   p r o p er   cr o s s - v alid atio n   an d   av o id i n g   o v e r f itti n g .   T h is   ap p r o ac h   g u ar an tees  r o b u s t   p r ed ictio n s   ad a p ted   to   th e   s p ec if i c  ch ar ac ter is tics   o f   ea ch   cl u s ter .       4.   RE SU L T S   T h e  d ata   was  s p lit  in to   two   tr ain in g   a n d   test in g   s ets,  with   r atio s   o f   8 0 %   an d   2 0 %,  r e s p ec tiv ely .     T h e  d is tr ib u tio n   b etwe en   tr ai n in g   an d   test in g   p ar ts   s ig n if i ca n tly   in f lu en c es  th e  r esu lt  p r ed ictio n   ac cu r ac y .     T o   en s u r e  co n s is ten cy   b etwe en   d atasets   o f   d if f er en t  s izes,  w e  m ain tain ed   th e  s am e  r atio .   Alth o u g h   th e  ch o ice   o f   th is   r atio   d e p en d s   o n   p er s o n al  p r e f e r en ce ,   o p tin g   f o r   a  h ig h e r   p r o p o r tio n   in   th e  tr ain in g   s et  ten d s   to   im p r o v e  t h e  ac cu r ac y   o f   th e  r e s u lts .   T h e  r atio   we  o p ted   f o r   is   th e  m o s t r ec o m m en d e d   o n e   [ 1 5 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       MODI S - N DV I   a n d   w h ea t y iel d   p a tter n s   a n d   p r ed ictio n s   in   Ta o u n a te,   Mo r o cc o   ( S a r a   B o u s ko u r )   653   As  p ar t  o f   o u r   s tu d y   o n   wh ea t   p r o d u ctio n   in   T ao u n ate,   we  ad o p ted   a  v ar ie d   ap p r o ac h   to   a n aly ze   th e  d ata  [ 1 6 ] ,   tak in g   in to   ac co u n t  in   p ar ticu lar   th e   NDVI .   First,  we  ex p lo r ed   lin ea r   tr e n d s   u s in g   LR   b y   ass ess in g   th e  co r r elatio n   b etwe en   NDVI   an d   wh ea t  p r o d u ctio n .   Nex t ,   we  ap p lied   SVR   to   ac co u n t   f o r   p o ten tial  n o n - lin ea r   r elatio n s h ip s   an d   also   in co r p o r at ed   NDVI   in to   o u r   m o d el.   Fo r   in - d ep th   u n d er s tan d in g ,   we  also   u s ed   th e   DT   alg o r ith m   to   ca p tu r e  co m p lex   s tr u ctu r es  in   th e  d ata,   in t eg r atin g   NDVI   as  a  k ey   v ar ia b le  in   th e  d ec is io n - m ak in g   p r o ce s s .   Su b s eq u en tly ,   we  r ef in ed   o u r   an aly s is   b y   in teg r atin g   th e  K - m ea n s   alg o r i th m   in   co n ju n ctio n   with   th e  SVR ,   wh ile  co n tin u in g   to   co n s id er   th e  NDVI   as a   d eter m in in g   f ac t o r   in   t h e  clu s ter   f o r m atio n .   No w,   we  ar e  r ea d y   to   p r esen t  th e  r esu lts   v is u ally   in   g r ap h   f o r m .   T h ese  g r ap h ical  r e p r esen tatio n s   in clu d in g   NDVI   will  allo w  u s   to   clea r ly   illu s tr ate  tr en d s ,   clu s ter in g   p atter n s ,   a n d   r el atio n s h ip s   b etwe en   v ar iab les,  p r o v id in g   an   in - d e p th   v is u al  u n d er s tan d in g   o f   th e   d y n am ics  o f   wh ea t  p r o d u ctio n   in   T a o u n ate  o v er   tim e.   T h is   m u ltid im en s io n al  a p p r o ac h   will a llo w  u s   to   ex p lo r e  th e  s p ec if ic  co n tr i b u tio n   o f   NDVI   to   v ar iatio n s   in   wh ea t p r o d u ctio n .     4 . 1 .     L inea r  r eg re s s io n   LR   allo ws  y o u   to   b u ild   a  m o d el  attem p tin g   to   f i n d   a   lin ea r   r elatio n s h ip   b etwe en   t h e  in d ep en d e n t  v ar iab les  ( X)   an d   th e  p r ed icte d   d ep en d en t  v ar ia b le  ( Y) .   Fro m   a  v is u al  o b s er v atio n ,   we  tr y   to   cr ea te  a  lin e  s o   th at  th e  p o in ts   ar e  as  clo s e   a s   p o s s ib le,   co m p ar ed   to   o th er   p o s s ib le  lin es  [ 4 ] ,   [1 7 ].   T h e   LR   alg o r ith m   was   ap p lied   to   d ates  with   a  b etter   co r r elatio n   b etwe en   MO DI S - NDVI   an d   wh ea t  g r ain   y ield   t o   b e  ab le  to   p r e d ict  p r o d u ctiv ity   b ased   o n   th e  d er i v ed   NDVI .   T h e  r eg r ess io n   lin e  s lo p e  s h o wn   in   Fig u r e   4   in d icate s   a  p o s itiv e  r elatio n s h ip   b etwe en   NDVI   v alu es  an d   wh ea t   y ield .   I n   o th er   wo r d s ,   as  th e  NDVI   v alu e  in c r ea s es,  wh ea t  g r ain   p r o d u ctio n   ten d s   to   in cr ea s e,   th is   s u g g ests   a  s t r o n g   co r r elatio n   b etwe en   p lan t   h ea lth ,   r e p r esen ted   b y   NDVI ,   an d   ag r icu ltu r al  p r o d u ctio n   [ 1 8 ] .   Ho wev er ,   it  is   im p o r tan t  to   n o te  th at  th is   co r r elatio n   d o es  n o t  n ec ess ar ily   ju s tify   d ir ec t  ca u s atio n ,   s in ce   o th er   f ac to r s   ca n   g r ea tly   in f lu e n ce   p r o d u ctio n   s u ch   as   ex tr em e  wea th er   f ac to r s .   T h is   is   s ee n   o n   th e  g r ap h   an d   is   r ef lecte d   b y   p o in ts   a  litt le  away   f r o m   th e  lin e.   T h e  d eter m in atio n   co ef f icien t  o f   0 . 9 3   is   a   s tr o n g   in d icatio n   t h at  9 3 %   o f   th e   v ar iab ilit y   in   p r o d u ctio n   is   m ain ly   lin k e d   t o   c h an g es  i n   th e   NDVI   v alu e .   T h is   s h o w s   th e  ab ilit y   o f   th e   m o d el   to   p r ed ict  wh ea t   g r ai n   y ield   b ased   o n   th e   NDVI   v al u e  d er iv e d   f r o m   th e   s tu d y   ar ea   s atellite  im ag es.   T h e  R MSE   o f   0 . 1 5 5   f o r tifie s   th e   r eg r ess io n   r esu lts   co n f ir m i n g   t h e  lin k   b etwe en   NDI V  an d   wh ea t p r o d u ctio n .     4 . 2 .     T he  decisi o n  t rees   DT   h av e  s h o wn   th eir   s u p er i o r ity   in   m o d elin g   n o n - lin ea r   r elatio n s h ip s .   T h ey   p er f o r m   s u cc ess iv e   d iv is io n s   o f   th e  d ata  b ased   o n   th e  p r ed icto r s ,   wh ich   allo ws  th em   to   cr ea te  n o n - lin ea r   s ep ar atio n   zo n es.  T h u s ,   if   th e  d ep en d en t  an d   th e  in d ep en d en t  v ar iab le  ch a n g e  in   a  n o n - lin ea r   m an n e r ,   th e  tr ee   ca n   ca p tu r e  th es e   ch an g es,  h en ce   th e   u s e  o f   t h is   alg o r ith m   to   m o d el  t h e  n o n - lin ea r   r elatio n s h ip   b etwe en   t h e  av er ag e   NDVI   an d   wh ea t p r o d u ctio n   [ 19 ] .   W e  o b s er v e  t h at  th e   p r e d icted   an d   o b s er v ed   v alu e   p o i n ts   ar e  clo s ely   s u p e r im p o s ed ,   th is   m ea n s   th at  o u r   m o d el   is   p er tin en t.   T h is   i s   also   co n f ir m ed   b y   th e  R 2   o f   0 . 8 0   w h ich   is   g en er ally   co n s id er ed   a  g o o d   f i t   ( Fig u r e   5 ) .   Plo ttin g   th e  g r a p h   ( Fig u r e   6 )   allo wed   u s   to   o p ti m ally   v is u alize   th e  s tr o n g   co r r elatio n   b etwe en   th e  p r ed icted   v alu es  an d   th e  co l lecte d   v alu es.  W e  b ased   o u r s elv es  o n   th e  p ea k s   o f   th e  p lo t  s u p er p o s itio n .     W e  co u n t 1 4   p ea k s   th at  o v er la p   p er f ec tly .           Fig u r e   4 .   NDVI - wh ea t  p r o d u c tio n   LR   ( 2 0 0 0 – 2 0 2 0 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci ,  Vo l.  3 7 ,   No .   1 ,  J an u ar y   20 2 5 :   648 - 6 5 9   654         Fig u r e   5 .   W h ea t  p r o d u ctio n   DT   r ep r es en tatio n     Fig u r e   6 .   Pre d icte d   an d   o b s er v ed   wh ea t  p r o d u ctio n       4 . 3 .     Vec t o r  re g re s s io n su pp o rt   S u p p o r t   v e c t o r   m a c h i n e s   ( S V M )   a r e   m a c h i n e   l e a r n i n g   a l g o r i t h m s   w i d e l y   u s e d   f o r   c l a s s i f i c a t i o n   [ 2 0 ] ,   [2 1 ]   an d   r eg r ess io n   task s   [ 2 2 ] - [2 4 ] .   T h eir   p o p u lar ity   s tem s   f r o m   th eir   ab ilit y   to   f in d   o p tim al  d ec is io n   b o u n d a r ies  i n   m u l t i d i m e n s i o n a l   s p a c e s ,   m a k i n g   t h e m   p a r t i c u l a r l y   s u i t e d   t o   c o m p l e x   p r o b l e m s   i n   s e v e r a l   f i e l d s :   m e d i c a l   [ 2 5 ],   an d   ed u ca tio n   [ 2 6 ] .   SVR   b ec o m es  a  r eliab le  ch o ice  wh en   d ea lin g   with   s p ar s e  d ataset s   [ 2 7 ] .   I ts   ab ilit y   to   m o d el  c o m p lex   n o n - lin ea r   r el atio n s h ip s ,   p ar ticu la r ly   t h r o u g h   th e   u s e  o f   k er n els  s u ch   as  r ad ial  b asis   f u n ctio n   ( RBF ) ,   m ak es  it  p o s s ib le  to   ca p tu r e  s u b tle  p atter n s   p r ese n t  in   s ca tter ed   d ata.   Un lik e   s o m e  lin ea r   m o d el s ,   wh ich   ca n   p er f o r m   p o o r l y   in   th is   s itu atio n ,   SVR   is   p o wer f u l  to   i d en tify   t r en d s .   Stra te g ically   p o s itio n ed   s u p p o r t  v ec to r s   co n tr ib u te  to   th e  r o b u s tn ess   o f   th e  m o d el,   p r o v id i n g   g r ea ter   f lex ib ilit y   to   ad ap t  to   ch an g es   in h er en t  i n   s p ar s e  d ata.   T h e r e f o r e,   t h e   ch o ice  o f   SVR   is   ju s tifie d   d u e   to   its   in tr in s ic  ab ilit y   to   c o p e  with   th e  ch allen g es  o f   d ata  d is p er s io n   b y   p r o v id in g   r eliab le  an d   ac cu r ate  r esu lts   ev en   in   s itu atio n s   wh er e  o th er   m o d els  m ay   s tr u g g le.   L o o k in g   at  th e  g r a p h   in   Fig u r e   7 ,   we  p er ce iv e  th e  e x ac t  s u p er p o s itio n   o f   th e  s u p p o r t  v e cto r   p o in ts   with   th e  o b s er v ed   d ata  p o i n ts .   T h is   p h e n o m en o n   d em o n s tr ates  th e  ab ilit y   o f   th e  m o d el  t o   ef f ec tiv ely   id e n tify   an d   ex p lo it  th e  m o s t  cr itical  p o in ts   in   th e  co n s tr u ctio n   o f   t h e  m o d el.   Mo r e  r em a r k ab l y ,   th e  p o in ts   p r ed ic ted   b y   SVR   s h o w  p er f ec t  p r o x im i ty   to   th e  r ea l  d ata,   e v en   in   t h e  p r esen ce   o f   s ig n if ica n t  d is p er s io n .   T h is   b eh a v io r   h ig h lig h ts   th e  m o d el’ s   a b ilit y   to   g en er alize   a n d   s tr o n g ly   ca p tu r e  u n d er l y in g   p atter n s   d esp ite  th e  in h er e n t   v ar iab ilit y   in   th e  d ata.   T h e  h i g h   R 2   o f   0 . 9 6   in d icate s   th at  th e  m o d el  in ter p r ets  th e  v ar ian ce   in   th e  d ata  well,   th u s   s tr en g th en in g   o u r   ex p la n atio n .           Fig u r e   7 .   SVR   g r ap h   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       MODI S - N DV I   a n d   w h ea t y iel d   p a tter n s   a n d   p r ed ictio n s   in   Ta o u n a te,   Mo r o cc o   ( S a r a   B o u s ko u r )   655   4 . 4 .     I m ple m ent a t io n o f   K - mea ns   clus t er ing   T h e  tr an s itio n   f r o m   a  m o d el  s o lely   b ased   o n   SVR   to   a  m o d el  b ased   jo in tly   o n   K - m ea n s   an d   SVR   r ep r esen ts   a  s tr ateg ic  ev o lu tio n   in   th e  m o d elin g   ap p r o ac h .   I n itially ,   SVR   s tan d s   o u t  f o r   its   ab ili ty   to   s eiz e   in tr icate   r elatio n s h ip s   in   d ata,   p r o v id in g   ac cu r ate  p r e d ictio n s   ev en   in   co n tex ts   o f   d is p er s io n .   Ho wev er ,     b y   in tr o d u ci n g   K - m ea n s ,   we   aim   to   b etter   u n d er s tan d   th e   u n d er ly in g   s tr u ctu r e   o f   th e   d ata  b y   id en tif y in g   h o m o g en eo u s   clu s ter s .   E ac h   th en   b ec o m es   th e  s u b s tr at e  f o r   a  d ed icate d   SVR   m o d el,   allo win g   f in er   ad ap tatio n .   T h is   ca s ca d e   ap p r o ac h   f o cu s es  o n   o p tim izin g   t h e  ac cu r ac y   an d   in ter p r etab ili ty   o f   th e  m o d el  b y   r ec o g n izin g   an d   p r o ce s s in g   l o ca l  v ar iatio n s .   I n itially ,   we  m u s t  v is u alize   th e  d ata  to   d ef in e  th e  n ee d   f o r   clu s ter in g ;  h er e  we  u s e  th e  s am e  d ataset,   n am ely   th e  an n u a l  av er ag e  NDVI   as  th e  in d ep en d en t  v ar iab le  ( X )   an d   th e  wh ea t  g r ain   p r o d u ctio n   as th e  v ar iab le  tar g et  o n   wh i ch   we  in ten d   t o   p r e d ict  ( Fig u r e   8 ) .   T h e  d ata  p o in ts   d o   n o t  f o llo w  a  d is tr ib u tio n   th at  ca n   b e  e n ca p s u lated   in   th e   h y p er p la n e.   So ,   u s in g   t h e  K - m ea n s   clu s ter in g   alg o r ith m   is   in   o r d e r ,   b u t  o n e  m u s t  f ir s t  d ete r m in e   th e   o p tim al   clu s ter   n u m b er   to   ac cu r ately   r etain   th e  d ata  p o in ts   with in   th e  id en tifie d   clu s ter   n u m b er .   T o   th at  en d ,   we  co u ld   u s e  th e  Sil h o u ette   co ef f icien t  ( Fig u r e   9 ) .   I f   th e   latter   is   h ig h ,   th is   im p lies   a  g r o u p in g   o f   b etter   q u ality ;  a   s co r e  th at  r ea c h es  th e   v alu e   1   r e v ea ls   s p ac ed   an d   d is tin g u is h ed   clu s ter s   wh ile  a  s co r e  o f   0   s u g g ests   an   in s ig n if ican t  d is tan ce   b etwe en   clu s ter s .   W h en   th e  s co r e  is   - 1 ,   it in d icate s   an   in co r r ec t c lu s ter   ass ig n m en t.             Fig u r e   8 .   NDVI   an d   wh ea t p r o d u ctio n   r elatio n s h ip   ( 2 0 0 0 – 2 0 2 0 )     Fig u r e   9 .   Sil h o u ette  co ef f icien t sco r es o f   d if f er en t c lu s ter   n u m b e r s       T h e  Sil h o u ette  co ef f icien t  h a s   a  cr u cial  im p ac t  o n   d ec is io n - m ak in g   r eg ar d in g   t h e  clu s ter   n u m b e r .   Af ter   its   ev alu ati on ,   we  f o u n d   two   p r o m is in g   o p tio n s :  eith er   th r ee   o r   f iv e  clu s ter s .   T o   d is p el  th is   u n ce r tain ty   b etwe en   th e  two   alter n ativ es,  it  is   ess en tial   to   g o   th r o u g h   a  s ilh o u ette  an aly s is ;  th i s   is   t h e  v is u al  in d icato r   allo win g   th e  co h er en ce   e v alu a tio n   an d   t h e  s eg m en tatio n   s tab ilit y   b ased   o n   th e  s ilh o u ette  o u tlin e  th ick n ess .   I n   Fig u r e   1 0 ,   we  co u ld   s ee   s ig n if ican t  s tab ilit y   an d   clea r   s ep ar atio n   b etwe en   th e  clu s ter s .   As  f o r   Sil h o u ette  v alu es,  t h ey   ar e  u n if o r m   an d   h i g h ,   s ig n if y i n g   b etter   in tr ac lu s ter   c o h esio n   an d   in ter cl u s ter   d is tin ctio n .   No twith s tan d in g ,   in   th e  f iv e  cl u s ter s   ca s e  ( Fig u r e   11) ,   th e  p l o t  th ick n e s s   d is p lay s   a  clea r   r esem b lan ce   wh ich   co u ld   lea d   to   o v er - s eg m en tatio n   a n d   e x ce s s iv e  co m p lex ity ,   s in ce   ce r tain   clu s ter s   co u ld   h av e  a  s tr o n g   s im ilar ity   with   th eir   p ee r s .     4 . 5 .     SVR  cr ea t i o n f o r  clus t er s   T h e  s ec o n d   s tep   c o n s is ts   o f   d ev elo p in g   SVM   f o r   r eg r ess io n   ( SVR )   f o r   ea ch   o f   th e  es tab lis h ed   clu s ter s   as  s ee n   in   F ig u r e   1 2 .   T h is   m ak es  it  p o s s ib le  to   im p lem en t  an   in d i v id u alize d   ap p r o ac h   th at  aim s   t o   co n s tr u ct  r e g r ess io n   m o d els  s p ec if ic  to   e ac h   s u b g r o u p   o f   d ata,   in   th is   way   we  will  o b tai n   a   s o lu tio n   a d ap ted   to   th e  co m p lex ity   in h e r en t in   t h e  s eg m en ted   d ataset  s u b ject  o f   o u r   s tu d y .   C r ea tin g   s ep ar ate  SVR   m o d els  f o r   ea c h   cl u s ter   allo ws  th e  o p tim izatio n   o f   o v er all  p r ed ictiv e   p er f o r m an ce   b y   ca p tu r in g   th e  n u an ce s   an d   v a r iatio n s   s p ec if ic  to   ea ch   s u b g r o u p   as  C L 0   an d   C L 2   h as  an   R 2 = 0 . 9 8   an d   C L 1   h as  an   R 2 = 0 . 8 5 .   T h u s ,   th e  ch o ice  o f   SV R   tu r n s   o u t  to   b e  ju d icio u s ,   it  ex ce ls   in   m o d elin g   non - lin ea r   r elatio n s h ip s   wh ile  m in im izin g   th e  p r ed ictio n   er r o r ,   h en ce   t h e  lo w  R MSE   f o r   th e   th r ee   clu s ter s .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci ,  Vo l.  3 7 ,   No .   1 ,  J an u ar y   20 2 5 :   648 - 6 5 9   656       Fig u r e   10 .   Sil h o u ette  a n aly s is   f o r   K - m ea n s   ( k =3 )           Fig u r e   11 .   Sil h o u ette  a n aly s is   f o r   K - m ea n s   ( k =5 )           Fig u r e   12 .   C o m b in ed   K - m ea n s /SV R   r esu lts   g r ap h   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       MODI S - N DV I   a n d   w h ea t y iel d   p a tter n s   a n d   p r ed ictio n s   in   Ta o u n a te,   Mo r o cc o   ( S a r a   B o u s ko u r )   657   5.   DIS CU SS I O N   Ou r   s tu d y   e x ce ed s   th e  r esu lts   o f   p r ev io u s   r esear ch   in   ter m s   o f   th e  p er f o r m an ce   o f   ML   alg o r ith m s ,   as  s h o wn   in   T ab le   1 .   W h ile  p r ev io u s   s tu d ies  m ain ly   u s ed   g lo b al  ap p r o ac h es,  we   d e m o n s tr ated   t h at  o u r   alg o r ith m s ,   n o ta b ly   SVR ,   d eliv er   r esu lts   s u p er io r s .   T o   f u r th er   im p r o v e   th is   p er f o r m a n ce ,   we  co m b in ed     K - m ea n s   with   SV R ,   wh ich   al lo wed   u s   to   b etter   m an ag e  d a ta  h eter o g en eity   an d   o b tain   m o r e  ac cu r ate  y ield   f o r ec asts .   Ou r   r esu lts   s h o w  a  s tr o n g   co r r elatio n   b etwe en   NDVI   an d   wh ea t  p r o d u ctio n .   LR   y ield ed   an   R ²  o f   0 . 9 3   an d   an   R MSE   o f   0 . 0 1 5 ,   i n d icatin g   a  s tr o n g   b u t  lim ited   m atch   in   ca p tu r in g   n o n - lin ea r   d y n am ics  b etwe en   v ar iab les.  I n   co n tr ast,  SVR   d em o n s tr ated   in cr ea s ed   a b ilit y   to   m o d el   th ese  m o r e  co m p lex   r elatio n s h i p s ,     with   an   R ²  o f   0 . 9 6   an d   an   R MSE   o f   0 . 0 8 5 ,   o u tp er f o r m in g   LR   in   ter m s   o f   ac cu r ac y   an d   r o b u s tn ess .   T h e  DT   m o d el,   alth o u g h   h a v in g   a n   ab i lity   to   h an d le  n o n - lin ea r   r elati o n s h ip s ,   p r esen ted   lo wer   p er f o r m an ce   with   an   R ²  o f   0 . 8 1   an d   an   R MSE   o f   0 . 2 4 7 ,   wh ich   h ig h lig h ts   its   lim itatio n s   in   th e  f ac e  o f   th e  c o m p lex it y   o f   th e   d ata.   T o   i m p r o v e  th e  m o d elin g   o f   d ata  h eter o g e n eity ,   we  s eg m e n ted   th e  d ataset  in to   th r ee   clu s ter s   u s in g   th e  K - m ea n s   alg o r ith m .   T h is   s eg m en tatio n   h elp ed   r e v ea l  u n d er ly in g   s tr u ct u r es  in   th e  d ata,   with   a  f ir s t  clu s ter   p r im ar ily   co m p o s ed   o f   lin ea r   r elatio n s h ip s ,   wh ile  t h e  o th er   t wo   clu s ter s   r ep r esen ted   m o r e  co m p lex   n o n - lin ea r   b eh av io r s .   Fo r   n o n - lin ea r   clu s ter s ,   we  ap p lied   SVR   wi th   a  R B F  k er n el,   wh ich   is   b etter   s u ited   to   ca p tu r in g   n o n lin ea r   r elatio n s h i p s .   T h is   ap p r o ac h   s ig n if ican tly   im p r o v ed   th e  p er f o r m an ce   o f   th e  m o d el,   r ea ch in g   an   R ²  o f   0 . 9 8   f o r   clu s ter s   0   an d   2 ,   an d   an   R ²  o f   0 . 8 5   f o r   clu s ter   1 .   T h ese  r esu lts   co n f ir m   th at  th e   clu s ter in g   ap p r o ac h   f o llo wed   b y   r eg r ess io n   ad ap ted   m a k es  it  p o s s ib le   to   b etter   m o d el  th e  co m p lex ity   o f   th e  i n ter ac tio n s   b etwe en   NDVI   an d   wh ea t  p r o d u ctio n ,   co m p ar ed   to   g lo b al   m eth o d s .   Ho we v er ,   lik e  a n y   s tu d y ,   o u r s   h as  lim itati o n s .   Data   in ter r u p tio n s   i n   Feb r u ar y   2 0 1 6 ,   alth o u g h   m an ag ed   b y   th e  in cl u s io n   o f   av er a g es  o f   n eig h b o r in g   d ata,   m ay   h a v e  in tr o d u ce d   b ias.  Ad d itio n ally ,     th e  s p atial  an d   tem p o r al  v ar ia b ilit y   o f   NDVI   d ata  an d   t h e  c o m p lex ity   o f   en v ir o n m e n tal  in ter ac tio n s   m ay   lim it   th e  g en er aliza b ilit y   o f   th e  r esu lts .   T h e  r esu lts   o b tain ed   in   th is   s tu d y   p av e  th e  way   f o r   f u tu r e  im p r o v em en ts   in   ag r icu ltu r al  y ield   m o d elin g .   A  m o r e  r ef in ed   ap p r o ac h ,   in teg r atin g   u n m an n e d   ae r ial  v eh icle   ( UAV )   im ag er y   d ata  co m b in e d   with   s atellite  im ag er y ,   c o u ld   c o n s id er ab ly   im p r o v e  t h e  s p atial  r eso lu tio n   an d   ac c u r ac y   o f   f o r ec asts .   Ad d itio n ally ,   in clu d in g   o th er   en v ir o n m en tal   an d   clim atic  v ar iab les  in   m o d els  co u ld   h elp   ca p tu r e   th e  co m p lex   m u ltifa cto r ial  in ter ac tio n s   th at  in f lu en ce   a g r ic u ltu r al  y ield s .   An o th e r   av en u e  wo u ld   b e  to   test   d ee p   lear n in g   ap p r o ac h es,   s u ch   as  co n v o l u tio n al  n eu r al   n e two r k s   ( C NN) ,   to   im p r o v e   th e  m o d els'   ab ilit y   to   h an d le  d ata  v ar iab ilit y   an d   co m p lex ities   [2 8 ] .       T ab le   1 .   Pre v i o u s   s tu d ies ’   s y n o p tic  tab le   A u t h o r   Lo c a t i o n   R S   i m a g e s   M L  a l g o r i t h ms   R 2   R M S E   S h a f i e e   e t   a l .   [ 3 ]   V o l l e b e k k   r e se a r c h   f a r m ,   a t   t h e   N M B U ,   S o u t h - Ea st e r n   N o r w a y   UAV   S V R   LA S S O   0 . 9 0   0 . 9 0   0 . 4 7 9   0 . 5 0 0   A sh o u r l o o   e t   a l .   [ 4 ]   H a med a n ,   I r a n   S e n t i n e l - 2   G P R   RF   S V R   DT   0 . 7 3   0 . 7 1   0 . 6 8   0 . 5 8   0 . 2 2 8   0 . 2 3 7   0 . 2 4 9   0 . 2 8 3   B e l ma h i   e t   a l .   [ 1 2 ]   F e z - M e k n e s   r e g i o n ,   M o r o c c o   M O D I S - N D V I   LR   [ 0 . 5 8 - 0 . 7 9 ]   [ 2 . 1 2 - 4 . 9 6 ]   q / h a   A sh f a q   e t   a l .   [ 5 ]   P u n j a b   P r o v i n c e ,   P a k i s t a n   La n d sa t   8   S V M   RF   LA S S O   0 . 8 8   0 . 7 4   0 . 8 0   0 . 0 5   0 . 0 3   0 . 6 0   O u r   p r e se n t   st u d y   Ta o u n a t e   P r o v i n c e ,   F e z - M e k n e s   r e g i o n ,   M o r o c c o   M O D I S - N D V I   LR   DT   S V R   0 . 9 3   0 . 8 1   0 . 9 6   0 . 1 5 5   0 . 2 4 7   0 . 0 8 5       6.   CO NCLU SI O N  AND  P E RS P E CT I VE S   T h is   s tu d y   d em o n s tr ated   t h e   ef f ec tiv en ess   o f   MO DI S  s p ec tr al  d ata,   an d   in   p ar ticu lar   th e  NDVI   in d ex ,   f o r   f o r ec asti n g   wh ea t  y ield s .   T h e  r esu lts   r ev ea led   a  s ig n if ican t  r elatio n s h ip   b etwe e n   NDVI   an d   wh ea t  p r o d u ctio n ,   v alid atin g   its   u s e  as  a  r eliab le  y ield   in d i ca t o r .   T h e  a p p licatio n   o f   v a r io u s   ML   alg o r ith m s ,   in clu d in g   LR ,  DT ,   an d   SVR ,   h as  h elp ed   d ev elo p   r o b u s t  p r ed ictiv e  m o d els.  T h e  in teg r atio n   o f   clu s ter in g   with   K - m ea n s   f u r th er   m a d e  it  p o s s ib le  to   p er s o n alize   f o r ec asts   b y   s eg m en t,  th er eb y   im p r o v in g   t h e  ac cu r ac y   o f   th e   esti m ates.   A  n o tab le  a d v an ce m en t  o f   th is   r esear ch   is   th e   ab i lity   to   m a k e  y ield   f o r ec asts   s in ce   th e   b eg i n n in g   o f   th e  g r o win g   s ea s o n .   B y   u s in g   NDVI   at  th e  wel l - d ef in ed   p er i o d   m en tio n e d   ab o v e ,   it  is   p o s s ib le  to   p r o v id e  an   esti m ate  o f   y ield s   ea r ly   en o u g h   to   allo w  g r o wer s   to   an ticip ate  ch allen g es  an d   im p l em en t  s o lu tio n s   to   o p tim ize  p r o d u ctio n .   T h is   ap p r o ac h   n o t   o n ly   m a k es  it  p o s s ib le  to   b etter   p lan   t h e  n e ce s s ar y   in ter v en tio n s ,     b u t  also   to   a d ap t  a g r icu ltu r al   p r ac tices  b ased   o n   f o r ec asts ,   th u s   in cr ea s in g   y ield s   an d   th e  ag r icu ltu r al  s y s tem s   s u s tain ab ilit y .   I n   co n clu s io n ,   th is   r esear ch   h ig h lig h ts   th e  im p o r tan ce   o f   r em o te  s en s in g   tech n o lo g ies  an d   ad v an ce d   an aly tical  tec h n iq u es  to   im p r o v e   ag r icu ltu r al  m an ag em en t   an d   b u ild   r esil ien ce   to   e n v ir o n m en tal   v ar iatio n s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.