MODELING OF THE SPATIAL DISTRIBUTION OF CHROME AND MANGANESE IN SOIL: SELECTION OF A TRAINING SUBSET

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

The selection of a method for dividing the raw data into training and test subsets in models based on artificial neural networks (ANN) is an insufficiently studied problem of continuous space-time field interpolation. In particular, selecting the best training subset for modeling the spatial distribution of elements in the topsoil is not a trivial task, since the sampling points are not equivalent. They contain a different amount of “information” in point of each specific model, therefore, when modeling, it is advisable to use most of the points containing information which is “useful” for this model. Incorrect data division may lead to inaccurate and highly variable model characteristics, high variance and bias in the generated results. The raw data included contents of chromium (Cr) and manganese (Mn) in the topsoil in residential areas of Noyabrsk (a city in Russian subarctic zone). A three-stage algorithm for extracting raw data with a division into training and test subsets has been developed for modeling the spatial distribution of heavy metals. According to the algorithm, the initial data set was randomly divided into training and test subsets. For each training subset, an ANN based on multilayer perceptron (MLP) was built and trained. MLP was used to model the spatial distribution of heavy metals in the upper soil layer, which took into account spatial heterogeneity and learning rules. The MLP structure was chosen by minimizing the root mean square error (RMSE). The networks with the lowest RMSE were selected, and the number of hits into the training subset of each point in space was calculated. By the number of hits in the training subset, all points were divided into three classes: “useful”, “ordinary” and “useless”. Taking this information into account, at the stage of the raw data division it possible to increase the accuracy of the predictive model.

Авторлар туралы

A. Butorova

Institute of Industrial Ecology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences; Ural Federal University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: a.s.butorova@urfu.ru
Russia, 620990, Yekaterinburg, ul. S.Kovalevskoi 20; Russia, 620002, Yekaterinburg, ul. Mira 19

A. Shichkin

Institute of Industrial Ecology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: and@ecko.uran.ru
Russia, 620990, Yekaterinburg, ul. S.Kovalevskoi 20

A. Sergeev

Institute of Industrial Ecology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: sergeev@ecko.uran.ru
Russia, 620990, Yekaterinburg, ul. S.Kovalevskoi 20

E. Baglaeva

Institute of Industrial Ecology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: e.m.baglaeva@urfu.ru
Russia, 620990, Yekaterinburg, ul. S.Kovalevskoi 20

A. Buevich

Institute of Industrial Ecology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: bag@ecko.uran.ru
Russia, 620990, Yekaterinburg, ul. S.Kovalevskoi 20

Әдебиет тізімі

  1. Buevich, А.G., Subbotina, I.Е., Shichkin, А.V., et al. [Assessment of chrome distribution in subarctic Noyabrsk using co-kriging, generalized regression neural network, multilayer perceptron, and hybrid technics]. Geoekologiya, 2019, no. 2, pp. 77–86. (in Russian)
  2. Butorova, А.S., Sergeev, А.P., Shichkin, А.V., et al. [Counter-prediction method of the spatial series on the example of the dust content in the snow cover]. Geoinformatika, 2022, no. 1, pp. 32–39. (in Russian)
  3. Voitkevich, G.V., Miroshnikov, A.E., Povarennykh, A.S., Prokhorov, V.G. [The short manual in geochemistry]. Moscow, Nedra Publ., 1977, 184 p. (in Russian)
  4. Dobrovolskii, G.V., Urusevskaya, I.S. [Soil geography]. Moscow, MSU Publ., KolosS Publ., 2004, 460 p. (in Russian)
  5. Saet, Yu.E., Revich, B.A., Yanin, E.P. [Environment geochemistry]. Moscow, Nedra Publ., 1990, pp. 84–108. (in Russian)
  6. AMAP. Snow, water, ice and permafrost. Summary for policy-makers. In: Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP), Oslo, Norway, 2017, 20 p.
  7. Baglaeva, E.M., Sergeev, A.P., Shichkin, A.V., Bue-vich, 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, vol. 52, pp. 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, vol. 45, pp. 184–194.
  9. Demyanov, V., Gloaguen, E., Kanevski, M. A special issue on data science for geosciences. Mathematical Geosciences, 2020, vol. 52, pp. 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, vol. 114, pp. 98–106.
  11. Frank, R., Ishida, K., Suda, P. Metals in agricultural soils of Ontario. Canadian Journal of Soil Science, 1976, vol. 56, pp. 181–196.
  12. Goovaerts, P. Geostatistics in soil science: State of the art and perspectives. Geoderma, 1999, vol. 89, pp. 1–45.
  13. Kabata-Pendias, A. Trace elements in soils and plants. Taylor and Francis Group CRC Press, 2011, pp. 201–260.
  14. Liodakis, S., Kyriakidis, P., Gaganis, P. Conditional Latin hypercube simulation of (log)Gaussian random fields. Mathematical Geosciences, 2018, vol. 50, pp. 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. In: Proc. of Detection and Sensing of Mines, Explosive Objects, and Obscured Targets XXIII, 2018, vol. 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, vol. 272, pp. 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, vol. 28, pp. 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, vol. 174, pp. 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, US 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, vol. 5 (4), pp. 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, vol. 92 (5), pp. 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, vol. 18 (3), pp. 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, vol. 25, pp. 412–420.
  24. WMO. The Global Climate in 2015–2019. In: 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, vol. 74, pp. 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, vol. 23 (1), pp. 67–77.

Қосымша файлдар


© А.С. Буторова, А.В. Шичкин, А.П. Сергеев, Е.М. Баглаева, А.Г. Буевич, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».