光学学报, 2018, 38 (10): 1030001, 网络出版: 2019-05-09   

基于竞争适应重加权采样算法耦合机器学习的土壤含水量估算 下载: 965次

Estimation of Soil Moisture Content Based on Competitive Adaptive Reweighted Sampling Algorithm Coupled with Machine Learning
葛翔宇 1,2,3,*丁建丽 1,2,3,*王敬哲 1,2,3王飞 1,2,3蔡亮红 1,2,3孙慧兰 4
作者单位
1 新疆大学资源与环境科学学院, 新疆 乌鲁木齐 830046
2 新疆大学绿洲生态教育部重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830046
3 新疆大学智慧城市与环境建模自治区普通高校重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830046
4 新疆师范大学地理科学与旅游学院, 新疆 乌鲁木齐 830054
图 & 表

图 1. 全样本MCCV土壤预测残差的均值-标准差分布

Fig. 1. Mean-standard deviation distribution of soil-residual prediction for full-sample MCCV

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图 2. 实验及模型计算过程流程图

Fig. 2. Flow chart of calculation process for experience and model

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图 3. 不同SMC土壤的光谱反射率

Fig. 3. Spectral reflectance of soils with different SMCs

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图 4. CARS算法筛选变量的过程。(a)波长变量个数的变化;(b) RMSECV的变化;(c) RMSECV最小时变量回归系数的趋势

Fig. 4. Variable filtering process using CARS. (a) Variation in wavelength variable number; (b) variation in RMSECV; (c) trend of variable regression coefficient when RMSECV is minimum

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图 5. 土壤样本反射率均值及最优光谱波段

Fig. 5. Mean reflectance of soil samples and optimal spectral bands

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图 6. ELM模型SMC的预测值与实测值

Fig. 6. Predicted and measured SMCs using ELM model

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表 1土壤样品的SMC统计特征

Table1. Statistical characteristics of SMC of soil samples

Sample typeNumberMaximumMinimumMeanStandard deviationCoefficient of variation
Whole set770.2520.0210.14210.0490.3458
Calibration set620.2520.0210.14060.0510.3659
Validation set150.2160.0670.14830.0390.2637

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表 2SMC预测结果

Table2. Estimated SMC

ModelVariable numberCalibration setPrediction set
RMSER2RMSER2RPDRPIQ
PLSR200.4840.4780.6220.6170.5220.18401
BPNN200.0270.7060.0240.7992.0161.90200
RFR200.0240.8720.0210.8981.6472.18900
ELM200.0160.8790.0150.9183.1233.32500

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表 3不同建模预测比的SMC预测结果

Table3. Predicted SMC based on different ratios of calibration to prediction

ModelRatio of calculation to predictionVariable numberCalibration setPrediction set
RMSER2RMSER2RPDRPIQ
BPNN62∶15200.0270.7060.0240.7992.0161.902
57∶20200.0200.8420.0230.8001.8261.499
52∶25200.0230.7650.0240.8001.9472.010
RFR62∶15200.0240.8720.0210.8981.6472.189
57∶20200.0240.8630.0130.8972.2173.073
52∶25200.0250.8560.0140.8892.2023.041
ELM62∶15200.0160.8790.0150.9183.1233.325
57∶20200.0190.8690.0140.9193.1023.241
52∶25200.0150.8770.0160.9182.5692.958

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葛翔宇, 丁建丽, 王敬哲, 王飞, 蔡亮红, 孙慧兰. 基于竞争适应重加权采样算法耦合机器学习的土壤含水量估算[J]. 光学学报, 2018, 38(10): 1030001. Xiangyu Ge, Jianli Ding, Jingzhe Wang, Fei Wang, Lianghong Cai, Huilan Sun. Estimation of Soil Moisture Content Based on Competitive Adaptive Reweighted Sampling Algorithm Coupled with Machine Learning[J]. Acta Optica Sinica, 2018, 38(10): 1030001.

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