本發(fā)明涉及重金屬污染土壤修復(fù)，具體為一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的土壤重金屬穩(wěn)定化效果預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、固化/穩(wěn)定化技術(shù)（solidification/stabilization，簡(jiǎn)稱(chēng)s/s）是目前處理重金屬污染土壤的常用方法之一，其操作簡(jiǎn)單、成本低、見(jiàn)效快，在重金屬污染土壤修復(fù)項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用。固化/穩(wěn)定化技術(shù)是指向土壤中添加固化/穩(wěn)定化材料，通過(guò)吸附、沉淀、離子交換等作用改變重金屬在土壤中的賦存形態(tài)，降低重金屬在土壤環(huán)境中的浸出毒性、溶解遷移性和生物有效性，以減少由于食物鏈傳播或地下水污染對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境造成的危害。

2、申請(qǐng)?zhí)朿n202310030466.5的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的土壤重金屬含量預(yù)測(cè)方法，從文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)和專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選重金屬污染數(shù)據(jù)，作為樣本數(shù)據(jù)集；基于土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)剔除樣本數(shù)據(jù)集中的異常數(shù)據(jù)，得到第一處理樣本數(shù)據(jù)集；對(duì)第一處理樣本數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理得到預(yù)處理樣本數(shù)據(jù)集；將預(yù)處理樣本數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集以及測(cè)試集，基于訓(xùn)練集及測(cè)試集訓(xùn)練并評(píng)價(jià)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，并確定土壤重金屬含量預(yù)測(cè)模型；據(jù)土壤重金屬含量預(yù)測(cè)模型對(duì)未知重金屬含量的土壤點(diǎn)進(jìn)行重金屬含量預(yù)測(cè)，但是沒(méi)有進(jìn)一步對(duì)修復(fù)方案進(jìn)行預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)。

3、現(xiàn)有的技術(shù)多是基于培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，少量的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法也是建立在原位觀測(cè)的基礎(chǔ)之上，并且都無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬穩(wěn)定化效能的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明提供一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的土壤重金屬穩(wěn)定化效果預(yù)測(cè)方法，通過(guò)幾個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型的比較和特征優(yōu)化，模型對(duì)土壤重金屬穩(wěn)定化效果的預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度大大提高，簡(jiǎn)化了模型。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的主要技術(shù)方案包括：

3、一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的土壤重金屬穩(wěn)定化效果預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：

4、s1、選取試驗(yàn)土壤并獲取土壤特征實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定目標(biāo)函數(shù)；

5、s2、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到模型輸入數(shù)據(jù)集；將模型輸入數(shù)據(jù)集分為測(cè)試數(shù)據(jù)集和訓(xùn)練數(shù)據(jù)集；

6、s3、對(duì)于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，分別通過(guò)多個(gè)模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到多組經(jīng)過(guò)不同模型訓(xùn)練過(guò)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化；

7、s4、優(yōu)化后的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集與測(cè)試數(shù)據(jù)集對(duì)比，分別計(jì)算不同模型擬合結(jié)果的擬合度，確定最優(yōu)模型；

8、s5、對(duì)最優(yōu)模型的特征重要度排序并選取最優(yōu)模型中對(duì)模型擬合累積貢獻(xiàn)率高的特征，重新訓(xùn)練模型；

9、s6、比較s4得到的最優(yōu)模型與s5得到的重新訓(xùn)練后模型的aic值，確定最后的預(yù)測(cè)模型后采用bootstrap算法，預(yù)測(cè)重金屬污染土壤穩(wěn)定化平均效能及其95%置信區(qū)間。

10、所述s1中，所述試驗(yàn)土壤為實(shí)際重金屬污染的工業(yè)場(chǎng)地的土壤；所述試驗(yàn)修復(fù)對(duì)象為as、pb、hg、cd、cr、cu、ni、zn共8種重金屬中的一種或多種。

11、獲取土壤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特征包括土壤場(chǎng)地的行業(yè)類(lèi)別、土壤重金屬污染物種類(lèi)、土壤中重金屬的含量、初始浸出濃度、土壤質(zhì)地類(lèi)型、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤ph值、土壤陽(yáng)離子交換量、土壤電導(dǎo)率、穩(wěn)定化藥劑種類(lèi)、藥劑添加量、穩(wěn)定化培養(yǎng)時(shí)間、培養(yǎng)溫度以及培養(yǎng)含水率。

12、確定目標(biāo)函數(shù)具體為，采用響應(yīng)比ln r，以穩(wěn)定化修復(fù)后實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組土壤重金屬浸出濃度數(shù)據(jù)確定目標(biāo)函數(shù)，公式為：

13、；

14、式中， x t為穩(wěn)定化修復(fù)后實(shí)驗(yàn)組土壤重金屬浸出濃度， x c為穩(wěn)定化修復(fù)后對(duì)照組土壤重金屬浸出濃度。

15、所述s2中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理具體為：對(duì)數(shù)據(jù)中包括土壤場(chǎng)地行業(yè)類(lèi)別、土壤重金屬污染物種類(lèi)、土壤質(zhì)地類(lèi)型和穩(wěn)定化藥劑種類(lèi)的字符型數(shù)據(jù)進(jìn)行特征編碼，對(duì)數(shù)據(jù)集中的缺失值采用了線性插值方式進(jìn)行填補(bǔ)。

16、所述s3具體為：參與訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)模型包括：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、決策樹(shù)模型、隨機(jī)森林模型、knn模型、gbdt模型。

17、進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化具體為：在模型訓(xùn)練時(shí)采用gridsearchcv模型優(yōu)化參數(shù)，通過(guò)交叉驗(yàn)證的方式遍歷多種參數(shù)組合，確定最優(yōu)的模型參數(shù)設(shè)置。

18、所述s4具體為：通過(guò)模型擬合結(jié)果的rmse值和r2值來(lái)比較模型的擬合度，rmse值越小、r2值越大表明模型擬合程度越高。

19、所述s6具體為：首先計(jì)算步驟s4得到的最優(yōu)模型的aic值 a 1，再計(jì)算步驟s5得到的最優(yōu)模型中對(duì)模型擬合累積貢獻(xiàn)率高的特征重新訓(xùn)練后的模型的aic值 a 2，比較兩個(gè)aic值 a 1與 a 2，若 a 1＞ a 2，則選用重新訓(xùn)練后的模型為最后的預(yù)測(cè)模型；若 a 2＞ a 1，則選用s4得到的最優(yōu)模型為最后的預(yù)測(cè)模型；aic值計(jì)算公式為：；

20、其中，k為試驗(yàn)數(shù)據(jù)特征個(gè)數(shù)，n表示試驗(yàn)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，?表示試驗(yàn)數(shù)據(jù)中效果實(shí)測(cè)值，?表示試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的效果模型預(yù)測(cè)值，表示試驗(yàn)數(shù)據(jù)中效果實(shí)測(cè)值的均值。

21、本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：

22、1、通過(guò)幾個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型的比較和特征優(yōu)化，模型對(duì)土壤重金屬穩(wěn)定化效果的預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度大大提高，簡(jiǎn)化了模型；本發(fā)明可以給土壤重金屬穩(wěn)定化方案的修復(fù)效果預(yù)測(cè)提供參考，且可以為其他土壤修復(fù)效果預(yù)測(cè)模型的建立提供參考；

23、2、本模型是建立多個(gè)常見(jiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)模型后選取效果最佳的模型，大大提高模型預(yù)測(cè)的可信度；

24、3、本模型對(duì)特征處理采用特征貢獻(xiàn)度排列，去掉影響較小的特征，大大簡(jiǎn)化了模型的計(jì)算量，且模型預(yù)測(cè)時(shí)可自動(dòng)填補(bǔ)缺失數(shù)據(jù)，提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。

技術(shù)特征：

1.一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的土壤重金屬穩(wěn)定化效果預(yù)測(cè)方法，其特征在于：包括以下步驟:

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的土壤重金屬穩(wěn)定化效果預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述s1中，所述試驗(yàn)土壤為實(shí)際重金屬污染的工業(yè)場(chǎng)地的土壤；所述試驗(yàn)修復(fù)對(duì)象為as、pb、hg、cd、cr、cu、ni、zn共8種重金屬中的一種或多種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的土壤重金屬穩(wěn)定化效果預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述s1中，獲取土壤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特征包括土壤場(chǎng)地的行業(yè)類(lèi)別、土壤重金屬污染物種類(lèi)、土壤中重金屬的含量、初始浸出濃度、土壤質(zhì)地類(lèi)型、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤ph值、土壤陽(yáng)離子交換量、土壤電導(dǎo)率、穩(wěn)定化藥劑種類(lèi)、藥劑添加量、穩(wěn)定化培養(yǎng)時(shí)間、培養(yǎng)溫度以及培養(yǎng)含水率。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的土壤重金屬穩(wěn)定化效果預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述s1中確定目標(biāo)函數(shù)具體為，采用響應(yīng)比lnr，以穩(wěn)定化修復(fù)后實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組土壤重金屬浸出濃度數(shù)據(jù)確定目標(biāo)函數(shù)，公式為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的土壤重金屬穩(wěn)定化效果預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述s2中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理具體為：對(duì)數(shù)據(jù)中包括土壤場(chǎng)地行業(yè)類(lèi)別、土壤重金屬污染物種類(lèi)、土壤質(zhì)地類(lèi)型和穩(wěn)定化藥劑種類(lèi)的字符型數(shù)據(jù)進(jìn)行特征編碼，對(duì)數(shù)據(jù)集中的缺失值采用了線性插值方式進(jìn)行填補(bǔ)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的土壤重金屬穩(wěn)定化效果預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述s3具體為：參與訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)模型包括：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、決策樹(shù)模型、隨機(jī)森林模型、knn模型、gbdt模型。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的土壤重金屬穩(wěn)定化效果預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述s3中進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化具體為：在模型訓(xùn)練時(shí)采用gridsearchcv模型優(yōu)化參數(shù)，通過(guò)交叉驗(yàn)證的方式遍歷多種參數(shù)組合，確定最優(yōu)的模型參數(shù)設(shè)置。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的土壤重金屬穩(wěn)定化效果預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述s4具體為：通過(guò)模型擬合結(jié)果的rmse值和r2值來(lái)比較模型的擬合度，rmse值越小、r2值越大表明模型擬合程度越高。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的土壤重金屬穩(wěn)定化效果預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述s6具體為：首先計(jì)算步驟s4得到的最優(yōu)模型的aic值a1，再計(jì)算步驟s5得到的最優(yōu)模型中對(duì)模型擬合累積貢獻(xiàn)率高的特征重新訓(xùn)練后的模型的aic值a2，比較兩個(gè)aic值a1與a2，若a1＞a2，則選用重新訓(xùn)練后的模型為最后的預(yù)測(cè)模型；若a2＞a1，則選用s4得到的最優(yōu)模型為最后的預(yù)測(cè)模型；aic值計(jì)算公式為：；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的土壤重金屬穩(wěn)定化效果預(yù)測(cè)方法，獲取土壤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定目標(biāo)函數(shù)；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，分別通過(guò)多個(gè)模型進(jìn)行訓(xùn)練，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化；分別計(jì)算不同模型擬合結(jié)果的擬合度，確定最優(yōu)模型；選取最優(yōu)模型中對(duì)模型擬合累積貢獻(xiàn)率高的特征，重新訓(xùn)練模型；比較最優(yōu)模型與重新訓(xùn)練后模型的AIC值，確定最后的預(yù)測(cè)模型后通過(guò)Bootstrap算法，預(yù)測(cè)重金屬污染土壤穩(wěn)定化效能及其95%置信區(qū)間。本發(fā)明通過(guò)多個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型的比較和特征優(yōu)化，模型對(duì)土壤重金屬穩(wěn)定化效果的預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度大大提高，簡(jiǎn)化了模型，可以給土壤重金屬穩(wěn)定化方案的修復(fù)效果預(yù)測(cè)提供參考。

技術(shù)研發(fā)人員：胡恩柱,金光俊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東北大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9