1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология
  4. № 5, 2023

Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2023, № 5, стр. 88-96

Моделирование пространственного распределения хрома и марганца в почве: подбор обучающего подмножества

А. С. Буторова 1, 2, *, А. В. Шичкин 1, **, А. П. Сергеев 1, ***, Е. М. Баглаева 1, ****, А. Г. Буевич 1, *****

1 Институт промышленной экологии Уральского отделения Российской академии наук (ИПЭ УрО РАН)
620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской 20, Россия

2 Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (ФГАОУ ВО “УрФУ им. Б.Н. Ельцина)
620002 Екатеринбург, ул. Мира 19, Россия

* E-mail: a.s.butorova@urfu.ru
** E-mail: and@ecko.uran.ru
*** E-mail: sergeev@ecko.uran.ru
**** E-mail: e.m.baglaeva@urfu.ru
***** E-mail: bag@ecko.uran.ru

Поступила в редакцию 05.06.2023
После доработки 28.07.2023
Принята к публикации 08.09.2023

Аннотация

Выбор метода разбиения исходных данных на обучающее и тестовое подмножества в моделях на основе искусственных нейронных сетей (ИНС) – недостаточно изученная проблема непрерывной интерполяции пространственно-временного поля. В частности, выбор наилучшего обучающего подмножества для моделирования пространственного распределения элементов в верхнем слое почвы – нетривиальная задача, поскольку точки отбора проб не эквивалентны. Они содержат разное количество “информации” в каждой конкретной модели, поэтому при моделировании целесообразно задействовать большинство точек, содержащих “полезную” для этой модели информацию. Неправильное разбиение данных может привести к неточным и чрезвычайно изменчивым характеристикам модели, высокой дисперсии и систематической ошибке в сгенерированных результатах. В качестве исходных данных были взяты данные о содержании хрома (Cr) и марганца (Mn) в верхнем слое почвы жилых районов в г. Ноябрьск (субарктическая зона России). Разработан трехэтапный алгоритм извлечения исходных данных с разбиением на обучающее и тестовое подмножества для моделирования пространственного распределения этих тяжелых металлов (ТМ) Для построения модели пространственного распределения содержания ТМ в верхнем слое почвы использовался многослойный персептрон (MLP), который учитывал пространственную неоднородность и правила обучения. Структура MLP была выбрана путем минимизации среднеквадратичной ошибки. Все точки разделились на три класса: “полезные”, “обычные” и “бесполезные”, по количеству попаданий в обучающее подмножество. Учет этой информации на этапе разбиения исходных данных позволяет повысить точность прогностической модели.

Ключевые слова: моделирование, искусственные нейронные сети, обучающее подмножество, почва, тяжелые металлы

Список литературы

  1. Буевич А.Г., Субботина И.Е., Шичкин А.В. и др. Оценка пространственного распределения хрома в субарктическом Ноябрьске с использованием кокригинга, генерализованной регрессионной нейронной сети, многослойного персептрона и гибридной техники // Геоэкология. 2019. № 2. С. 77–86.

  2. Буторова А.С., Сергеев А.П., Шичкин А.В. и др. Метод встречного прогнозирования пространственного ряда на примере содержания пыли в снеговом покрове // Геоинформатика. 2022. № 1. С. 32–39.

  3. Войткевич Г.В., Мирошников А.Е., Поваренных А.С., Прохоров В.Г. Краткий справочник по геохимии. М.: Недра, 1977. 184 с.

  4. Добровольский Г.В., Урусевская И.С. География почв. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МГУ, Изд-во “КолосС”, 2004. 460 с.

  5. Сает Ю.Е. Геохимия окружающей среды [Кол. авт.: Ю.Е. Сает, Б.А. Ревич, Е.П. Янин и др.]. М.: Недра, 1990. С. 84–108.

  6. AMAP. Snow, Water, Ice and Permafrost. Summary for Policy-makers / Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP). Oslo, Norway. 2017. 20 p.

  7. Baglaeva E.M., Sergeev A.P., Shichkin A.V., Buevich A.G. The Effect of Splitting of Raw Data into Training and Test Subsets on the Accuracy of Predicting Spatial Distribution by a Multilayer Perceptron // Mathematical Geosciences. 2020. V. 52. P. 111–121.

  8. Dai F., Zhoua O., Lva Z., Wang X., Liu G. Spatial prediction of soil organic matter content integrating artificial neural network and ordinary kriging in Tibetan Plateau // Ecological Indicators. 2014. V. 45. P. 184–194.

  9. Demyanov V., Gloaguen E., Kanevski M. A special issue on data science for geosciences // Mathematical Geosciences. 2020. V. 52. P. 1–3.

  10. Fernandez J.M., Mayerle R. Sample selection via angular distance in the space of the arguments of an artificial neural network // Computers and Geosciences. 2018. V. 114. P. 98–106.

  11. Frank R., Ishida K., Suda P. Metals in agricultural soils of Ontario // Canadian Journal of Soil Science. 1976. V. 56. P. 181–196.

  12. Goovaerts P. Geostatistics in soil science: State of the art and perspectives // Geoderma. 1999. V. 89. P. 1–45.

  13. Kabata-Pendias A. Trace elements in soils and plants / Taylor and Francis Group CRC Press. 2011. P. 201–260.

  14. Liodakis S., Kyriakidis P., Gaganis P. Conditional Latin Hypercube Simulation of (Log)Gaussian Random Fields // Mathematical Geosciences. 2018. V. 50. P. 127–146.

  15. Malof J.M., Reichman D., Collins L.M. How do we choose the best model? The impact of cross-validation design on model evaluation for buried threat detection in ground penetrating radar / Материалы конференции Detection and Sensing of Mines, Explosive Objects, and Obscured Targets XXIII. 2018. V. 10628. 106280C.

  16. Nath A., Subbiah K. The role of pertinently diversified and balanced training as well as testing data sets in achieving the true performance of classifiers in predicting the antifreeze proteins // Neurocomputing. 2018. V. 272. P. 294–305.

  17. Sakizadeh M., Mirzaei R., Ghorbani H. Support vector machine and artificial neural network to model soil pollution: a case study in Semnan Province, Iran // Neural Computing & Applications. 2017. V. 28. P. 3229–3238.

  18. Sergeev A.P., Buevich A.G., Baglaeva E.M., Shichkin A.V. Combining spatial autocorrelation with machine learning increases prediction accuracy of soil heavy metals // Catena. 2019. V. 174. P. 425–435.

  19. Shacklette H.T., Boerngen J.G. Element concentrations in soils and other surficial materials of the conterminous United States / U.S. Geological Survey professional paper // United states government printing office, Washington. 1984. 105 p.

  20. Shaker R.R., Ehlinger T.J. Exploring non-linear relationships between landscape and aquatic ecological condition in southern Wisconsin: A GWR and ANN approach // International Journal of Applied Geospatial Research. 2014. V. 5(4). P. 1–20.

  21. Sun C., Liu J., Wang Y., Sun L., Yu H. Multivariate and geostatistical analyses of the spatial distribution and sources of heavy metals in agricultural soil in Dehui, Northeast China // Chemosphere. 2013. V. 92 (5). P. 517–523.

  22. Timofeeva Y.O., Kosheleva Y., Semal V., Burdukovskii M. Origin, baseline contents, and vertical distribution of selected trace lithophile elements in soils from nature reserves, Russian Far East // Journal of Soils and Sediments. 2018. V. 18 (3). P. 968–982.

  23. Wieland R., Mirschel W., Zbell B., et al. A new library to combine artificial neural networks and support vector machines with statistics and a database engine for application in environmental modeling // Environmental Modelling & Software. 2012. V. 25. P. 412–420.

  24. WMO. The Global Climate in 2015–2019 // World Meteorological Organization (WMO-№ 1249), Geneva, Switzerland. 2020. 24 p.

  25. Worsham L., Markewitz D., Nibbelink N. Incorporating spatial dependence into estimates of soil carbon contents under different land covers // Soil Science Society of America Journal. 2010. V. 74. P. 635–646.

  26. Ziggah Y.Y., Youjian H., Tierra A.R., Laari P.B. Coordinate Transformation between Global and Local Data Based on Artificial Neural Network with K-Fold Cross-Validation in Ghana // Earth Sciences Research Journal. 2019. V. 23 (1). P. 67–77.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал