优化CARS结合PSO-SVM算法农田土壤重金属砷含量高光谱反演分析

摘要

cqvip:土壤重金属污染是由于人类活动导致重金属物质大量残留在土壤中,超过土壤环境承载力,这种现象将造成土壤质量退化、生态环境恶化。高光谱遥感可以实现图谱合一,能有效地识别出土壤中不同元素的异常情况。为实现农田土壤重金属高效、准确监测,提出了一种特征提高型竞争性自适应重加权算法(CARS)选取特征波段的粒子群算法(PSO)优化支持向量机(SVM)农田土壤重金属砷(As)含量高光谱估测分析方法。利用CARS对暗室实测光谱值进行粗选;利用一阶导数(FD)、高斯滤波(GF)、归一化(N)进行特征提高;在特征精选阶段利用皮尔逊相关系数(PCC)求取预处理后的光谱指标与土壤重金属As之间的相关系数,获取相关性大于0.6的波段作为特征波段;最后利用PSO对SVM所选择的核函数σ和正则化参数γ进行优化,以均方根误差(RMSE)作为适应度函数,通过迭代最优适应度得到SVM最优参数值。选择江汉平原典型区域洪湖市燕窝镇的土壤为研究对象,预测结果表明基于PSO-SVM算法其验证集的决定系数R 2为0.9823,均方根误差RMSE为0.5216,平均绝对误差MAE为0.4164。主要结论如下:PSO算法优化SVM参数,通过迭代更新个体极值和群体极值,可以迅速获取全局最优解,与支持向量机回归(SVMR)和随机森林回归(RFR)相比,在预测精度有了较大的提高;特征提高型CARS算法可以有效剔除无关信息,提高相关性,且选取波段少,模型简单,大大提高了效率;可以实现土壤污染预警、满足精准农业需求、为后期重金属污染土地生态修复提供数据基础。