岩性识别,机器学习,随机森林,极端随机树,平衡数据 ," /> 岩性识别,机器学习,随机森林,极端随机树,平衡数据 ,"/> lithology identification, machine learning, random forest, extra trees, data balancing ,"/> <span class="cf0">基于SMOTE平衡数据的极端随机树岩性识别</span>

吉林大学学报(地球科学版) ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (4): 1372-1386.doi: 10.13278/j.cnki.jjuese.20240116

• 地球探测与信息技术 • 上一篇    下一篇

基于SMOTE平衡数据的极端随机树岩性识别

曹志民1, 2,张丽1, 2,郑兵3,韩建1, 2   

  1. 1. 东北石油大学三亚海洋油气研究院,海南 三亚 572000

    2. 东北石油大学物理与电子工程学院,黑龙江 大庆 163318

    3. 海南科技职业大学虚拟现实技术与系统海南省工程研究中心,海口 571126

  • 收稿日期:2024-05-24 出版日期:2025-07-26 发布日期:2025-08-05
  • 通讯作者: 郑兵(1986—),男,教授,硕士生导师,主要从事大数据、物联网和软件开发技术的应用研究,E-mail: zhbahn@vip.qq.com
  • 作者简介:曹志民(1980—),男,副教授,硕士生导师,主要从事多源大数据模式识别与人工智能处理、勘探开发大数据分析方法及应用研究,E-mail: dahai0464@sina.com
  • 基金资助:
    海南省科技专项(ZDYF2022GXJS220,ZDYF2022GXJS222)

Lithology Identification Using Extra Trees Based on SMOTE for Data Balancing

Cao Zhimin1, 2, Zhang Li1, 2, Zheng Bing3, Han Jian1, 2   

  1. 1. Sanya Offshore Oil and Gas Research Institute, Northeast Petroleum University, Sanya 572000, Hainan, China

    2. School of Physics and Electronic Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, Heilongjiang, China

    3. Hainan Engineering Research Center for Virtual Reality Technology and Systems,Hainan Vocational University of Science and Technology, Haikou 571126, China

  • Received:2024-05-24 Online:2025-07-26 Published:2025-08-05
  • Supported by:

    the Hainan Province Science and Technology Special Fund (ZDYF2022GXJS220, ZDYF2022GXJS222)

摘要:

在油气勘探和地质工程中,精确的岩性识别对于资源评估和开采具有重要意义。由于地质数据的固有复杂性及岩性样本的不平衡问题,传统方法在岩性识别中面临诸多挑战。本文提出一种合成少数类过采样技术(synthetic minority over-sampling technique, SMOTE)结合极端随机树进行岩性识别的方法。首先,通过SMOTE增强少数类样本的表征,提高训练数据的平衡性;其次,利用极端随机树的高效性和强泛化能力构建岩性分类模型。实验结果表明:极端随机树的识别准确率为85.54%,相比其他机器学习方法梯度提升决策树(gradient boosting decision tree, GBDT)、极端梯度提升(extreme gradient boosting, XGBoost)、轻量级梯度提升机(light gradient boosting machine, LightGBM)和随机森林分别提高了5.58%、2.55%、2.35%和2.08%;SMOTE采样后,降低了样本不平衡引起的预测偏差,各模型中少数岩性类别的整体识别精度显著提高,提升了各模型的整体性能,极端随机树性能最优,识别准确率提升到86.62%,相比GBDT、XGBoost、LightGBM和随机森林分别提高了4.71%、2.56%、1.55%和2.02%,验证了SMOTE结合极端随机树的有效性。

关键词: 岩性识别')">

岩性识别, 机器学习, 随机森林, 极端随机树, 平衡数据

Abstract: In the domains of oil and gas exploration and geoengineering, precise lithology identification holds paramount importance for the assessment and utilization of resources. The inherent complexity of geologic data and the imbalanced distribution of lithology samples pose significant challenges to traditional methods in terms of lithology identification. In this paper, we propose a methodology for lithology identification that combines SMOTE (synthetic minority over-sampling technique) with extra trees. Firstly, the SMOTE method is employed to enhance the representation of minority class samples, thereby improving the balance of the training data. Secondly, the lithology classification model is constructed using the high efficiency and strong generalization ability of extra trees. The experimental findings demonstrate that the recognition accuracy of extra trees is 85.54%, which is 5.58%, 2.55%, 2.35%, and 2.08% higher than that of other machine learning methods—gradient boosting decision tree (GBDT), extreme gXGBoost), light gradient boosting machine (LightGBM), and random forest method, respectively. The prediction bias of the model caused by sample imbalance is mitigated by SMOTE sampling, resulting in enhanced recognition accuracy for specific lithology categories within each model. Consequently, this leads to an overall enhancement in the performance of the model. The extra trees model exhibits the best performance, achieving an identification accuracy of 86.62%, which represents improvements of 4.71%, 2.56%, 1.55%, and 2.02% over GBDT, XGBoost, LightGBM, and random forest, respectively. These results confirm the effectiveness of combining SMOTE with extra trees for lithology identification.

Key words: lithology identification')">

lithology identification, machine learning, random forest, extra trees, data balancing

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