可见-近红外光谱的潮间带沉积物有机碳含量的几种模型预测方法

作者：吕美蓉; 任国兴; 李雪莹; 范萍萍; 孙中梁; 侯广利; 刘岩^*

来源：光谱学与光谱分析, 2020, 40(04): 1082-1086.

• 潮间带沉积物
• 可见-近红外光谱
• 预测模型
• 有机碳含量

可见-近红外光谱已被证明是一种快速、有效的有机碳(TOC)含量预测方法。但是,当前利用光谱预测TOC含量的研究对象主要为土壤或湖泊沉积物,还未见潮间带海洋沉积物的研究报道。为了快速准确预测潮间带沉积物TOC含量,通过异常样本剔除、光谱特征变换、特征波长提取相结合,构建TOC预测模型,即,采集潮间带沉积物样品光谱,采用马氏距离、标准杠杆值和学生残差联合分析的方法剔除异常样本,利用多元散射校正(MSC)、平滑+微分进行光谱变换,利用遗传算法(GA)提取特征波长,采用偏最小二乘法(PLS)、最小二乘支持向量机(LSSVM)和BP神经网络(BPNN)对沉积物TOC含量进行建模和预测,通过决定系数(R2)和剩余估计偏差(PRD)来评价模型精度。结果表明,剔除异常样本有助于提升模型精度, BPNN模型的检验R2和PRD分别提升了28%和39%。MSC光谱变换效果优于平滑+微分,基于MSC光谱变换的PLS, LSSVM和BPNN模型检验R2分别为0.81, 0.86和0.78, PRD分别为2.25, 2.59和2.07,比平滑+微分提升了9%～20%(R2)和11%～22%(PRD),意味着MSC具有较强的TOC信息提取能力。GA不利于增加预测模型精度,基于GA特征波长的模型预测R2降低了9%～36%, PRD降低了18%～33%,可能与GA提取的特征波长数量偏少有关。BPNN模型的预测精度最低,可能与其容易陷入局部极小点有关。PLS模型精度较高,可以很好的预测潮间带沉积物TOC含量。基于异常样本剔除和MSC光谱变换, PLS模型的建模R2为0.98,检验R2为0.81, RPD为2.25。LSSVM模型精度更优于PLS, LSSVM模型建模R2为0.99,检验R2和RPD分别为0.86和2.59,显示极好的TOC定量预测能力。总之,针对潮间带沉积物TOC含量预测,可以将剔除异常样本、 MSC光谱变换、 LSSVM建模结合起来,以获得可靠、稳定的预测模型。

• 单位
  海洋仪器仪表研究所; 中国海洋大学; 齐鲁工业大学