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Predicting and Mapping of Soil Organic Carbon Using Machine Learning Algorithms in Northern Iran

随机森林 均方误差 土壤碳 支持向量机 相关系数 人工神经网络 算法 特征选择 土壤科学 环境科学 人工智能 土壤水分 数学 机器学习 计算机科学 统计
作者
Mostafa Emadi,Ruhollah Taghizadeh‐Mehrjardi,Ali Cherati,Majid Danesh,Amir Mosavi,Thomas Scholten
出处
期刊:Remote Sensing [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:12 (14): 2234-2234 被引量:230
标识
DOI:10.3390/rs12142234
摘要

Estimation of the soil organic carbon (SOC) content is of utmost importance in understanding the chemical, physical, and biological functions of the soil. This study proposes machine learning algorithms of support vector machines (SVM), artificial neural networks (ANN), regression tree, random forest (RF), extreme gradient boosting (XGBoost), and conventional deep neural network (DNN) for advancing prediction models of SOC. Models are trained with 1879 composite surface soil samples, and 105 auxiliary data as predictors. The genetic algorithm is used as a feature selection approach to identify effective variables. The results indicate that precipitation is the most important predictor driving 14.9% of SOC spatial variability followed by the normalized difference vegetation index (12.5%), day temperature index of moderate resolution imaging spectroradiometer (10.6%), multiresolution valley bottom flatness (8.7%) and land use (8.2%), respectively. Based on 10-fold cross-validation, the DNN model reported as a superior algorithm with the lowest prediction error and uncertainty. In terms of accuracy, DNN yielded a mean absolute error of 0.59%, a root mean squared error of 0.75%, a coefficient of determination of 0.65, and Lin’s concordance correlation coefficient of 0.83. The SOC content was the highest in udic soil moisture regime class with mean values of 3.71%, followed by the aquic (2.45%) and xeric (2.10%) classes, respectively. Soils in dense forestlands had the highest SOC contents, whereas soils of younger geological age and alluvial fans had lower SOC. The proposed DNN (hidden layers = 7, and size = 50) is a promising algorithm for handling large numbers of auxiliary data at a province-scale, and due to its flexible structure and the ability to extract more information from the auxiliary data surrounding the sampled observations, it had high accuracy for the prediction of the SOC base-line map and minimal uncertainty.
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