一种耦合主成分分析与BP神经网络的土地适宜评价方法

摘要

本发明涉及土地评价领域，公开了一种耦合主成分分析与BP神经网络的土地适宜评价方法，包括对评价指标体系数据集进行标准化处理、并进行主成分分析；根据相关性较低的评价指标确定BP神经网络模型输入层节点数，再结合累积方差大于阈值时的主成分数目和BP神经网络隐层节点数不等式共同确定隐层节点数及输入层与隐层连接权值的初始值，训练BP神经网络模型；将标准化处理后的待评价单元的评价指标数据集输入BP神经网络模型中进行土地适宜性评价。本发明通过主成分分析法与BP神经网络耦合，能客观地进行土地适宜性评价及有效解决适宜性评价复杂的非线性高维度问题，同时克服人工神经网络存在的收敛速度慢等缺点，保证了评价结果的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及土地评价技术领域，具体地涉及一种耦合主成分分析与BP神经网络的土地适宜评价方法。

背景技术

目前，土地适宜性评价是一个涉及多变量、非线性的复杂模糊问题。传统方法如指数和法、灰色关联度法、层次分析法通常需要制定分级体系、权重体系，在实际操作时多基于经验、知识规则，主观性强，推广应用性较差；多元线性回归法将适宜性程度与评价指标之间的关系限定为线性关系，评价结果受统计数据影响很大，对样本有较高的要求；主成分分析法与聚类分析法容易受噪声影响，使得评价结果出现系统性变化；判别分析法和模糊综合评判法的物元模型存在缺陷，权值确定主观性强；而神经网络采用并行处理、分布式存储，具有容错性、自适应性等优点，能有效地解决适宜性评价复杂的非线性高维度问题，但也存在收敛速度慢，容易陷入局部收敛而不能保证全局最小，网络学习和记忆不稳定等缺点。

发明内容

本发明提供一种耦合主成分分析与BP神经网络的土地适宜评价方法，从而解决现有技术的上述问题。

本发明提供了一种耦合主成分分析与BP神经网络的土地适宜评价方法，包括以下步骤：

S1)获取评价指标体系数据集，对评价指标体系数据集进行标准化处理；

S2)利用多元统计学主成分分析法对标准化后的评价指标体系数据集进行主成分分析，根据主成分分析结果查验评价指标之间的相关性，获得相关性较低的若干个评价指标；

S3)构建BP神经网络模型和隐层节点不等式，获取累积方差大于第二累积方差阈值时的主成分数目，根据所述相关性较低的若干个评价指标确定所述BP神经网络模型的输入层的节点数,再根据累积方差大于第二累积方差阈值时的主成分数目以及所述隐层节点不等式确定BP神经网络模型的隐层的节点数以及输入层与隐层连接权值的初始值，利用评价指标体系数据集中相关性较低的若干个评价指标的数据对所述BP神经网络模型进行训练；

S4)获取待评价单元的评价指标数据集，将待评价单元的评价指标数据集进行标准化处理后输入至训练完成后的BP神经网络模型进行土地适宜性评价。

进一步的，在步骤S1)中，对评价指标体系数据集进行标准化处理，包括利用z-score标准化对评价指标体系数据集进行标准化处理，所述评价指标体系数据集包括p个评价指标和n个评价单元，所述z-score标准化包括采用下式对评价指标u进行变换：

式中，评价指标u为p个评价指标中的任一个评价指标，x

进一步的，在步骤S2)中，利用多元统计学主成分分析法对标准化后的评价指标体系数据集进行主成分分析，包括以下步骤：

S21)根据p个评价指标和n个评价单元构建一个n×p矩阵

S22)计算第a个评价指标的n个评价单元数据集x

S23)依次重复步骤S22)，获得各个评价指标之间的相关系数，根据各个评价指标之间的相关系数构造相关系数矩阵

S24)构造方程RW＝入W，利用方程RW＝入W求出相关系数矩阵R的特征值入，W为未知非零向量，按特征值的大小进行排列，λ

S25)分别计算第j个成分的主成分贡献率a

S26)设定第一累计方差阈值，前h个成分对应的累计方差S

进一步的，在步骤S3)中，构建BP神经网络模型和隐层节点不等式，BP神经网络模型包括一层输入层、一层隐层和一层输出层，获取累积方差大于第二累积方差阈值时的主成分数目，根据相关性较低的若干个评价指标确定BP神经网络模型的输入层的节点数，再根据累积方差大于第二累积方差阈值时的主成分数目以及隐层节点不等式确定BP神经网络模型的隐层的节点数以及输入层与隐层连接权值的初始值，包括以下步骤：

S31)将BP神经网络输入层的节点数H设置为不小于所述相关性较低的若干个评价指标的数目，获取BP神经网络输出层的节点数g，设置第二累积方差阈值，获取进行主成分分析时累积方差大于所述第二累积方差阈值的主成分数目b1，根据所述BP神经网络输入层的节点数H以及所述BP神经网络输出层的节点数g构建隐层节点不等式

S32)以隐层的节点数作为提取评价指标体系主成分的数目，依照步骤S25)中的转换关系式构造主成分与满足要求的评价指标体系各评价指标的转换矩阵，将转换矩阵中的各个元素作为BP神经网络的输入层与隐层连接权值的初始值；

S33)将适宜性评价结果作为BP神经网络模型输出结果，进行BP网络训练。

进一步的，在步骤S33)中，进行BP网络训练，包括以下步骤：

S331)进行正向传播：u层第s个神经元与v层第c个神经元的连接权值为

S332)采用梯度下降法进行反向传播：每次连接权值的修正量与误差函数的梯度成正比,并将每次连接权值的修正量从输出层反向传播到隐层及输入层，连接权值的修正量如下式：

S333)定义误差函数

S334)设置预设精度ε，重复步骤S331)至步骤S333)直至满足条件：E＜ε，获得训练完成后的BP神经网络模型。

本发明的有益效果是：本发明借助主成分分析方法对评价指标体系进行相关性分析，确定BP神经网络输入层节点数目。结合主成分分析方法与BP神经网络隐层数目确定经验公式，即通过累积方差大于阈值时的主成分数目和构建的隐层节点不等式共同确定BP神经网络隐层节点数目。本发明利用主成分分析方法确定BP神经网络输入层与隐层连接权值的初始值，通过主成分分析法与BP神经网络的耦合，能够客观地进行土地适宜性评价，有效地解决适宜性评价复杂的非线性高维度问题，同时克服人工神经网络存在的收敛速度慢，容易陷入局部收敛而不能保证全局最小，网络学习和记忆不稳定等缺点，保证评价结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例一提供的耦合主成分分析与BP神经网络的土地适宜评价方法流程示意图。

图2为本实施例一提供的耦合主成分分析与BP神经网络的土地适宜评价方法框架示意图。

图3为本实施例一提供的适宜性评价指标体系及评价标准图。

图4为本实施例一提供的门头沟区矿业废弃地再利用为生态农业用地适宜性评价指标主成分分析碎石图。

图5为本实施例一提供的矿业废弃地再利用为生态农业用地适宜性评价指标主成分分析累积方差数据图。

图6为本实施例一提供的门头沟区矿业废弃地再利用为生态农业用地适宜性评价指标主成分分析的转换矩阵数据图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他单元。

实施例一，一种耦合主成分分析与BP神经网络的土地适宜评价方法，如图1及图2所示，包括以下步骤：

S1)获取评价指标体系数据集，对评价指标体系数据集进行标准化处理，包括利用z-score标准化对评价指标体系数据集进行标准化处理，评价指标体系数据集包括p个评价指标和n个评价单元，z-score标准化包括采用下式对评价指标u进行变换：

式中，评价指标u为p个评价指标中的任一个评价指标，x

S2)利用多元统计学主成分分析法对标准化后的评价指标体系数据集进行主成分分析，根据主成分分析结果查验评价指标之间的相关性，获得相关性较低的若干个评价指标；

在步骤S2)中，利用多元统计学主成分分析法对标准化后的评价指标体系数据集进行主成分分析，包括以下步骤：

S21)根据p个评价指标和n个评价单元构建一个n×p矩阵

S22)计算第a个评价指标的n个评价单元数据集x

S23)依次重复步骤S22)，获得各个评价指标之间的相关系数，根据各个评价指标之间的相关系数构造相关系数矩阵

S24)构造方程RW＝入W，利用方程RW＝入W求出相关系数矩阵R的特征值入，W为未知非零向量，按特征值的大小进行排列，λ

S25)分别计算第j个成分的主成分贡献率a

S26)设定第一累计方差阈值为90％，前h个成分对应的累计方差S

S3)构建BP神经网络模型和隐层节点不等式，获取累积方差大于第二累积方差阈值时的主成分数目，根据相关性较低的若干个评价指标确定BP神经网络模型的输入层的节点数,再根据累积方差大于第二累积方差阈值时的主成分数目以及隐层节点不等式确定BP神经网络模型的隐层的节点数以及输入层与隐层连接权值的初始值，利用评价指标体系数据集中相关性较低的若干个评价指标的数据对所述BP神经网络模型进行训练，包括以下步骤：

S31)将BP神经网络输入层的节点数H设置为不小于相关性较低的若干个评价指标的数目，获取BP神经网络输出层的节点数g，设置第二累积方差阈值为80％，获取进行主成分分析时累积方差大于第二累积方差阈值的主成分数目b1，根据BP神经网络输入层的节点数H以及BP神经网络输出层的节点数g构建隐层节点不等式

S32)以隐层的节点数b作为提取评价指标体系主成分的数目，依照步骤S25)中的转换关系式构造主成分与满足要求的评价指标体系各评价指标的转换矩阵，将转换矩阵中的各个元素作为BP神经网络的输入层与隐层连接权值的初始值；

S33)将适宜性评价结果作为BP神经网络模型输出结果，进行BP网络训练。

在步骤S33)中，进行BP网络训练，包括以下步骤：

S331)进行正向传播：u层第s个神经元与v层第c个神经元的连接权值为

S332)采用梯度下降法进行反向传播：每次连接权值的修正量与误差函数的梯度成正比,并将每次连接权值的修正量从输出层反向传播到隐层及输入层，连接权值的修正量如下式：

S333)定义误差函数

S334)设置预设精度ε，重复步骤S331)至步骤S333)直至满足条件：E＜ε，获得训练完成后的BP神经网络模型。

S4)获取待评价单元的评价指标数据集，将待评价单元的评价指标数据集进行标准化处理后输入至训练完成后的BP神经网络模型进行土地适宜性评价。本实施例中，选取北京市门头沟区由于煤矿与采石场开采形成的矿业废弃地为评价对象，并基于多元统计学主成分分析法与BP神经网络进行土地适宜性评价。本实施例采用德菲尔法，组织来自土地、农业、牧业、作物学、经济学、景观学等领域的专家对评价方向进行分析，遵循目的性与科学性相结合原则、定量与定性相结合原则、主导因素与综合因素平衡原则、经济可行与技术合理性原则，从生态农业的结构、性质和特点三个方面确定矿业废弃地再利用为生态农业用地适宜性评价指标体系及评价标准(见图3)。p个评价指标包括坡度、土壤质地、灌排条件、植被覆盖度、单位面积化肥使用量、单位面积农药使用量、生态风险、第一产业占比、人均GDP、人口密度、距主干道距离、居民食品消费支出比、压占面积、塌陷深度、塌陷面积和挖损深度。适宜性评价结果为非常适宜、比较适宜、一般适宜、不适宜或极度不适宜。

本实施例在矿业废弃地再利用为生态农业用地适宜性评价单元划分时，还通过叠置法初步得到评价单元，然后利用评价单元之间的欧氏距离，依次将面积较小的同质单元与相邻的最相似单元合并。得到的评价单元内部性质相对均一或相近，单元之间又具有差异性和可比性，能客观地反映出土地在一定时期和空间上的差异。合并后的单元定性指标按较大单元的指标值计算，定量指标则按下式计算

本实施例在步骤S2)中利用多元统计学主成分分析法对标准化后的评价指标体系数据集(即北京市门头沟区矿业废弃地适宜性评价指标数据集)进行主成分分析，得到主成分分析碎石图(图4)和主成分分析累积方差总表图(图5)，主成分分析碎石图为特征值与主成分的成分数之间的相关折线图。可知北京市门头沟区矿业废弃地再利用为生态农业用地适宜性评价指标之间相关性较小，累积方差达到90％时，主成分数目为11个(即相关性较低的若干个评价指标的数目)，大于评价指标数目的二分之一，即主成分数目大于8个，因此，将BP神经网络输入层的节点数H设置为不小于相关性较低的若干个评价指标的数目；本实施例中可将16个评价指标作为输入指标，BP神经网络输入层为16个节点。此外，由图5可知当提取9个主成分时累积方差才满足大于80％；BP神经网络输出层节点数目为1个，由隐层节点不等式

本实施例将待评价单元的评价指标数据集输入训练完成后的BP神经网络模型，得到门头沟区矿业废弃地再利用为生态农业用地适宜性评价结果。其中门头沟区矿业废弃地在利用为生态农业用地勉强适宜面积15.94公顷，约占总面积的2.63％，一般适宜面积243.25公顷，约占总面积的40.19％，比较适宜面积4.51公顷，约占总面积的0.75％，非常适宜面积234.97公顷，约占总面积的38.82％。经实地抽样验证，评价结果与实际相符。评价出来的结果可以直接用于废弃地再利用的参考。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明借助主成分分析方法对评价指标体系进行相关性分析，确定BP神经网络输入层节点数目。结合主成分分析方法与BP神经网络隐层数目确定经验公式，即通过累积方差大于80％时的主成分数目和构建的隐层节点不等式共同确定BP神经网络隐层节点数目。本发明利用主成分分析方法确定BP神经网络输入层与隐层连接权值的初始值，通过主成分分析法与BP神经网络的耦合，能够客观地进行土地适宜性评价，有效地解决适宜性评价复杂的非线性高维度问题，同时克服人工神经网络存在的收敛速度慢，容易陷入局部收敛而不能保证全局最小，网络学习和记忆不稳定等缺点，保证评价结果的准确性。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。