A chemistry-based explainable machine learning model based on NIR spectra for predicting wood properties and understanding wavelength selection
Notice bibliographique
Résumé
A chemistry-based explainable machine learning (ML) approach was used to predict wood properties using near infrared (NIR) spectral data collected from rough and smooth surfaces, and to provide better understanding of the role of important NIR wavelengths (features) in the performance of ML models. NIR spectra collected from western hemlock (Tsuga heterophylla) and coastal Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii) boards with rough and smooth surfaces were fed into random forest and TreeNet; a gradient boosting machine algorithm, for predicting wood density, modulus of elasticity (MOE) and modulus of rupture (MOR). The TreeNet model could predict the MOE, MOR, and density with R2 of 0.66, 0.64, and 0.64 using spectra collected from rough surface and R2 of 0.54, 0.46, and 0.46 using spectra collected from smooth surface. TreeNet outperformed the random forest, and for both ML algorithms higher R2 and lower error were obtained using NIR data collected from rough surfaces. This suggested that for Douglass fir and western hemlock, NIR spectra could be collected on a sawn surface prior to surface planing. However, it is difficult to generalize the impact of surface roughness on the performance of predictive model as different factors (e.g. what constitutes a smooth or rough surface, variability of data set in terms of wood properties) impact the success of predictive models. NIR features having the greatest influence on TreeNet models were examined and consistently had wood chemistry specific band assignments. The most important features occurred in the O-H first overtone, and C–H second overtone regions and a narrow zone (approximately 2400–2500 nm) of the C–H stretch C–C stretch combination region. Important features also differed by property and with surface roughness. Explaining ML model performance using the relative importance of the NIR features showed the importance of wood chemistry related information when developing models, however MOE and MOR TreeNet models based on smooth surface NIR spectra showed an increased importance of water related features. Overall, the chemistry-based explainable machine learning model approach allows for identification of important NIR features, and regions, and aids in understanding how they contribute to the performance of NIR-based wood property predictive models.
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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) | 0,000 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| 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 ».