

地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (3): 511-519.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.3.3
收稿日期:2022-10-26
									
				
											修回日期:2023-01-27
									
				
									
				
											出版日期:2024-05-25
									
				
											发布日期:2024-05-25
									
			通信作者:
					*李明超(1979—),男,教授,博士生导师,水利水电工程专业。E-mail: 作者简介:张佳文(1995—),女,博士研究生,水利水电工程专业。E-mail: 2018205341@tju.edu.cn
				
							基金资助:
        
               		ZHANG Jiawen1,2(
), LI Mingchao1,*(
), HAN Shuai2, ZHANG Jingyi1
			  
			
			
			
                
        
    
Received:2022-10-26
									
				
											Revised:2023-01-27
									
				
									
				
											Online:2024-05-25
									
				
											Published:2024-05-25
									
			摘要:
量子地球科学是一门崭新的跨学科前缘专业,量子计算和量子机器学习算法为地学大数据的深度挖掘与分析带来了新的契机。其中,量子神经网络是目前最具代表性的研究方向之一,在复杂多源数据处理方面的效率与准确率尤为突出。本文以大地构造环境判别这一关键问题为切入点,利用堆叠集成算法对量子神经网络(Stacking Quantum Neural Network, S-QNN)进行了改进,并分别实现了玄武岩、辉长岩和尖晶石的构造环境智能判别;同时与四种传统算法(SVM、RF、KNN和NB)、经典神经网络(ANN)和传统量子神经网络(QNN)进行对比。结果表明,集成后的S-QNN模型在3类情况下的准确率较最优的传统算法分别提升5.67%、6.19%和13.34%,较普通的QNN模型提升3.11%、4.99%和3.84%,且更具鲁棒性和通用性。该研究反映了所提出的S-QNN在数据处理中的优势,更证实了量子机器学习算法在地球科学研究中的适用性与潜力,为量子科学与地球科学的交叉融合提供了新思路。
中图分类号:
张佳文, 李明超, 韩帅, 张敬宜. 基于集成量子神经网络的大地构造环境判别与分析[J]. 地学前缘, 2024, 31(3): 511-519.
ZHANG Jiawen, LI Mingchao, HAN Shuai, ZHANG Jingyi. Analysis and discrimination of tectonic settings based on stacking quantum neural networks[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(3): 511-519.
| 类别 | 各传统算法的测试准确率/% | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| SVM | RF | KNN | NB | MLP | |
| IAB | 83.02 | 83.02 | 69.81 | 88.68 | 84.91 | 
| MORB | 88.89 | 88.89 | 74.07 | 74.07 | 81.48 | 
| OIB | 83.02 | 90.57 | 62.26 | 33.96 | 90.57 | 
| 总体 | 85.00 | 87.50 | 68.75 | 65.63 | 85.63 | 
表1 传统算法在玄武岩判别中的测试准确率
Table 1 Test accuracy of traditional algorithm in basalt discrimination
| 类别 | 各传统算法的测试准确率/% | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| SVM | RF | KNN | NB | MLP | |
| IAB | 83.02 | 83.02 | 69.81 | 88.68 | 84.91 | 
| MORB | 88.89 | 88.89 | 74.07 | 74.07 | 81.48 | 
| OIB | 83.02 | 90.57 | 62.26 | 33.96 | 90.57 | 
| 总体 | 85.00 | 87.50 | 68.75 | 65.63 | 85.63 | 
| 类别 | 各传统算法的测试准确率/% | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| SVM | RF | KNN | NB | MLP | |
| IAG | 63.16 | 80.70 | 52.63 | 68.42 | 73.68 | 
| MORG | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 
| OIG | 68.12 | 66.67 | 78.26 | 44.93 | 69.57 | 
| 总体 | 76.11 | 81.11 | 76.67 | 68.89 | 80.00 | 
表2 传统算法在辉长岩判别中的测试准确率
Table 2 Test accuracy of traditional algorithm in gabbro discrimination
| 类别 | 各传统算法的测试准确率/% | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| SVM | RF | KNN | NB | MLP | |
| IAG | 63.16 | 80.70 | 52.63 | 68.42 | 73.68 | 
| MORG | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 
| OIG | 68.12 | 66.67 | 78.26 | 44.93 | 69.57 | 
| 总体 | 76.11 | 81.11 | 76.67 | 68.89 | 80.00 | 
| 类别 | 各传统算法的测试准确率/% | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| SVM | RF | KNN | NB | MLP | |
| CMS | 80.00 | 77.65 | 61.18 | 63.53 | 61.18 | 
| OIS | 66.00 | 60.00 | 64.00 | 68.00 | 74.00 | 
| SCS | 63.04 | 63.04 | 76.09 | 80.43 | 60.87 | 
| 总体 | 71.82 | 69.06 | 65.75 | 69.06 | 64.64 | 
表3 传统算法在尖晶石判别中的测试准确率
Table 3 Test accuracy of traditional algorithm in spinel discrimination
| 类别 | 各传统算法的测试准确率/% | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| SVM | RF | KNN | NB | MLP | |
| CMS | 80.00 | 77.65 | 61.18 | 63.53 | 61.18 | 
| OIS | 66.00 | 60.00 | 64.00 | 68.00 | 74.00 | 
| SCS | 63.04 | 63.04 | 76.09 | 80.43 | 60.87 | 
| 总体 | 71.82 | 69.06 | 65.75 | 69.06 | 64.64 | 
| 元学习机 | 网络层数 | 学习速率 | 批处理数目 | 迭代步数 | 
|---|---|---|---|---|
| QNN-1 | 6 | 0.005 | 10 | 90 | 
| QNN-2 | 6 | 0.012 | 32 | 90 | 
| QNN-3 | 7 | 0.008 | 16 | 120 | 
| QNN-4 | 8 | 0.005 | 20 | 150 | 
| QNN-5 | 10 | 0.004 | 30 | 150 | 
表4 S-QNN模型中五组元学习机的参数
Table 4 Parameters of base learners of S-QNN model
| 元学习机 | 网络层数 | 学习速率 | 批处理数目 | 迭代步数 | 
|---|---|---|---|---|
| QNN-1 | 6 | 0.005 | 10 | 90 | 
| QNN-2 | 6 | 0.012 | 32 | 90 | 
| QNN-3 | 7 | 0.008 | 16 | 120 | 
| QNN-4 | 8 | 0.005 | 20 | 150 | 
| QNN-5 | 10 | 0.004 | 30 | 150 | 
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