激光与光电子学进展, 2019, 56 (13): 131102, 网络出版: 2019-07-11   

基于梯度提升树的土壤速效磷高光谱回归预测方法 下载: 986次

Predicting Soil Available Phosphorus by Hyperspectral Regression Method Based on Gradient Boosting Decision Tree
作者单位
安徽农业大学信息与计算机学院, 安徽 合肥 230036
图 & 表

图 1. Stacking方法

Fig. 1. Stacking method

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图 2. 室内高光谱采集系统

Fig. 2. Indoor hyperspectral acquisition system

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图 3. 土壤高光谱反射率。(a)原始光谱;(b)平滑后光谱

Fig. 3. Hyperspectral reflectance of soil. (a) Original spectra; (b) smoothing spectra

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图 4. 线性和非线性PLS中不同LV对应的方均根误差值

Fig. 4. fRMSE values of different LV numbers in linear and nonlinear PLS

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图 5. 梯度提升树模型参数优化。(a) Rloss=Fls,Rn_estimators=100;(b) Rloss=Fhuber,Rn_estimators=200; (c) Rloss=Fquantile,Rn_estimators=200;(d) Rloss=Flad,Rn_estimators=310

Fig. 5. Parameter optimization of GBDT model. (a) Rloss=Fls, Rn_estimators=100; (b) Rloss=Fhuber, Rn_estimators=200; (c) Rloss=Fquantile, Rn_estimators=200; (d) Rloss=Flad, Rn_estimators=310

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图 6. 不同模型集成算法的结果。 (a)基于建模集的随机森林结果; (b)基于测试集的随机森林结果 ;(c)基于建模集的提升树结果; (d)基于测试集的提升树结果 ;(e)基于建模集的梯度提升树结果 ;(f)基于测试集的梯度提升树结果

Fig. 6. Results of different model integration algorithms. (a) Results of random forest based on modeling set; (b) results of random forest based on testing set; (c) results of boosting tree based on modeling set; (d) results of boosting tree based on testing set; (e) results of GBDT based on modeling set; (f) results of GBDT based on testing set

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表 1土壤速效磷含量的统计参数

Table1. Statistical parameters of soil available phosphorus content

TypeSampleMax /(mg·kg-1)Min /(mg·kg-1)Average /(mg·kg-1)Standard deviation /(mg·kg-1)
Total19334.960.0310.569.36
Training14434.960.0310.949.49
Testing4932.240.609.018.99

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表 2最优单模型的测试结果

Table2. Testing results of optimal single model

Modeling methodTraining setTesting setPrediction level(testing set)Parameter
fRPDR2fRPDR2
PLS1.660.731.650.68BRLVs=11
RBF-PLS1.580.711.790.73BRLVs=11, Rgamma =0.016
Sigmoid-PLS1.550.701.750.73BRLVs =10, Rgamma=0.00085,Rcofe0cofe0=4.5
SVR1.600.741.530.69BC=10000
RBF-SVR1.700.761.660.72BC=2000000, Rgamma =0.0028
Sigmoid-SVR1.590.731.550.70BC=1011, Rgamma =0.000001,Rcofe0=0
Ridge1.600.741.500.69BRAlpha=0.001
RBF-Ridge1.550.741.500.70BRAlpha=0.00006, Rgamma =0.01
Sigmoid-Ridge1.520.721.500.69BRAlpha=4×10-7,Rgamma =0.0005, Rcofe0=0.9

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表 3多种模型组合结果

Table3. Results of multi-model combination

Ensemble methodTraining setTesting setPrediction level(testing set)Parameter
fRPDR2fRPDR2
Random forest2.100.842.080.84ARn_estimators, Rmax_depth=5
Boosting tree2.860.902.120.82ARn_estimators =300, Rlearning_rate=0.01,Rmax_depth=5, Rloss=Flinear
GBDT2.560.882.550.86ARn_estimators =310, Rlearning_rate=0.29,Rmax_depth=4, Rloss=Flad

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金秀, 朱先志, 李绍稳, 王文才, 齐海军. 基于梯度提升树的土壤速效磷高光谱回归预测方法[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(13): 131102. Xiu Jin, Xianzhi Zhu, Shaowen Li, Wencai Wang, Haijun Qi. Predicting Soil Available Phosphorus by Hyperspectral Regression Method Based on Gradient Boosting Decision Tree[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2019, 56(13): 131102.

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