An innovative approach for integrating two-dimensional conversion of Vis-NIR spectra with the Swin Transformer model to leverage deep learning for predicting soil properties

VNIR公司 均方误差 阳离子交换容量 土壤科学 化学计量学 光谱学 人工智能 计算机科学 土壤水分 化学 环境科学 机器学习 数学 统计 高光谱成像 物理 量子力学
作者
Xiu Jin,Jun Zhou,Yuan Rao,Xiaodan Zhang,Zhang Wu,Wenjing Ba,Xiaohu Zhou,Tong Zhang
出处
期刊:Geoderma [Elsevier]
卷期号:436: 116555-116555 被引量:36
标识
DOI:10.1016/j.geoderma.2023.116555
摘要

The application of visual-near-infrared and shortwave-infrared (VNIR-SWIR) diffuse reflectance spectroscopy for soil properties analysis is increasingly gaining popularity due to its rapid, cost-effective, and non-destructive nature. In particular, deep learning models have been found to perform exceptionally well for large spectra libraries. This study proposes a novel approach to enhance the deep learning approach that involves converting one-dimensional spectra into two-dimensional (2D) spectral images. We investigated several methods, such as cutting reshape (CR), Gramian angular difference field (GADF), Gramian angle sum field (GASF), and Markov transition field (MTF). We then combine these converted images with the Swin Transformer model to predict a range of soil properties. Furthermore, we compare our proposed method with existing techniques reported in the literature. The results showed that the root mean square error (RMSE) of predicting soil organic carbon content (OC (g·kg−1)), nitrogen content (N (g·kg−1)), cation exchange capacity (CEC (cmol+ ·kg−1)), pH, and sand (%) and clay content (%) using Gram's angular difference field (GADF) and Swin Transformer were 23.25, 1.26, 8.55, 0.54, 15.33, 6.14, and determination coefficients R2 of 0.95, 0.92, 0.79, 0.90, 0.74 and 0.84, respectively. This study introduces a new perspective to enhance deep learning models for soil spectroscopy.
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