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Deep convolutional neural networks for aged microplastics identification by Fourier transform infrared spectra classification

过度拟合 人工智能 卷积神经网络 模式识别(心理学) 计算机科学 人工神经网络 稳健性(进化) 深度学习 随机森林 随机梯度下降算法 机器学习 化学 生物化学 基因
作者
Ganning Zeng,Yuan Ma,Mingming Du,Tiansheng Chen,Liangyu Lin,Mengzheng Dai,Hongwei Luo,Lingling Hu,Qian Zhou,Xiangliang Pan
出处
期刊:Science of The Total Environment [Elsevier]
卷期号:913: 169623-169623 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.scitotenv.2023.169623
摘要

Infrared (IR) spectroscopy is a powerful technique for detecting and identifying Microplastics (MPs) in the environment. However, the aging of MPs presents a challenge in accurately identification and classification. To address this challenge, a classification model based on deep convolutional neural networks (CNNs) was developed using infrared spectra results. Particularly, original infrared (IR) spectra were used as the sample dataset, therefore, relevant spectral details were preserved and additional noise or distortions were not introduced. The Adam (Adaptive moment estimation) algorithm was employed to accelerate gradient descent and weight update, the Dropout function was implemented to prevent overfitting and enhance the generalization performance of the network. An activation function ReLu (Rectified Linear Unit) was also utilized to simplify the co-adaptation relationship among neurons and prevent gradient disappearance. The performance of the CNN model in MPs classification was evaluated based on accuracy and robustness, and compared with other machine learning techniques. CNN model demonstrated superior capabilities in feature extraction and recognition, and greatly simplified the pre-processing procedure. The identification results of aged commercial microplastic samples showed accuracies of 40 % for Artificial Neural Network, 60 % for Random Forest, 80 % for Deep Neural Network, and 100 % for CNN, respectively. The CNN architecture developed in this work also demonstrates versatility by being suitable for both limited data cases and potential expansion to include more discrete data in the future.
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