A Machine Learning Framework to Predict Nutrient Content in Valencia-Orange Leaf Hyperspectral Measurements
Notice bibliographique
Résumé
This paper presents a framework based on machine learning algorithms to predict nutrient content in leaf hyperspectral measurements. This is the first approach to evaluate macro- and micronutrient content with both machine learning and reflectance/first-derivative data. For this, citrus-leaves collected at a Valencia-orange orchard were used. Their spectral data was measured with a Fieldspec ASD FieldSpec® HandHeld 2 spectroradiometer and the surface reflectance and first-derivative spectra from the spectral range of 380 to 1020 nm (640 spectral bands) was evaluated. A total of 320 spectral signatures were collected, and the leaf-nutrient content (N, P, K, Mg, S, Cu, Fe, Mn, and Zn) was associated with them. For this, 204,800 (320 × 640) combinations were used. The following machine learning algorithms were used in this framework: k-Nearest Neighbor (kNN), Lasso Regression, Ridge Regression, Support Vector Machine (SVM), Artificial Neural Network (ANN), Decision Tree (DT), and Random Forest (RF). The training methods were assessed based on Cross-Validation and Leave-One-Out. The Relief-F metric of the algorithms’ prediction was used to determine the most contributive wavelength or spectral region associated with each nutrient. This approach was able to return, with high predictions (R2), nutrients like N (0.912), Mg (0.832), Cu (0.861), Mn (0.898), and Zn (0.855), and, to a lesser extent, P (0.771), K (0.763), and S (0.727). These accuracies were obtained with different algorithms, but RF was the most suitable to model most of them. The results indicate that, for the Valencia-orange leaves, surface reflectance data is more suitable to predict macronutrients, while first-derivative spectra is better linked to micronutrients. A final contribution of this study is the identification of the wavelengths responsible for contributing to these predictions.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».