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FT-NIR光谱半定性分析方法及其在土壤检测中的应用

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FT-NIR光谱半定性分析方法及其在土壤检测中的应用

作者：辜洁桂林理工大学

学位级别：硕士

近红外（NIR）光谱是一种快速分析技术,利用数学和统计计量方法建立定标模型来实现对未知样本的定性或定量分析。然而,由于NIR光谱信号重叠严重,没有明显的波峰能反应单一待测成分信息,利用常规的线性分析方法定量预测样本的含量,定标... 详细信息

近红外（NIR）光谱是一种快速分析技术,利用数学和统计计量方法建立定标模型来实现对未知样本的定性或定量分析。然而,由于NIR光谱信号重叠严重,没有明显的波峰能反应单一待测成分信息,利用常规的线性分析方法定量预测样本的含量,定标预测模型有可能被理想化,不利于在线检测的实际应用。本文利用统计学与多模型集成建模等方法,给定量分析模型添加容错机制,将傅里叶变换近红外（FT-NIR）定量分析转化为半定性判别分析。提出区间间隔搜索主成分分析逻辑回归（iPCA-LR）以及区间间隔搜索主成分分析支持向量机（iPCA-SVM）方法,结合先验定量预测值,通过设定不同的容错阈值范围,给样本赋予先验判别标记,将定量分析模式转换为半定性判别模式,建立FT-NIR半定性判别模型,对比讨论不同子波段数量的区间划分数据的潜变量转换模式,优选FT-NIR光谱特征子波段,并对每一个固定的阈值范围取值,选择最优准确率的子波段建立i PCA-LR模型和iPCA-SVM模型。建立土壤总氮和有机质的FT-NIR光谱半定性分析模型。土壤总氮的最优偏最小二乘i PCA-LR模型（PLS-iPCA-LR）:不同阈值范围最优模型的预测准确率均达到了75%以上,针对连续两个波段的情况进行波段合并,重新建模确定判别准确率,各个区间划分的优选子波段或合并子波段的准确率均在90%以上;最优偏最小二乘iPCA-SVM模型（PLS-iPCA-SVM）:不同阈值范围最优模型的预测准确率均在68%以上,各个区间划分的优选子波段判别准确率均达到86%以上;最优人工神经网络iPCA-LR模型（ANN-iPCA-LR）:不同阈值范围最优模型的预测准确率均在80%以上,各个区间划分的优选子波段判别准确率均达到了90%以上;最优人工神经网络iPCA-SVM模型（ANN-iPCA-SVM）:不同阈值范围最优模型的预测准确率均在70%以上,各个区间划分的优选子波段判别准确率均达到了1。土壤有机质的最优PLS-iPCA-LR模型:不同阈值范围最优模型的预测准确率均在74%以上,各个区间划分的优选子波段判别准确率均达到了88%以上;最优PLS-iPCA-SVM模型:不同阈值范围最优模型的预测准确率均在70%以上,各个区间划分的优选子波段判别准确率均达到了75%以上;最优ANN-iPCA-LR模型:不同阈值范围最优模型的预测准确率均在80%以上,各个区间划分的优选子波段判别准确率均在95%以上;最优ANN-iPCA-SVM模型:不同阈值范围最优模型的预测准确率均在73%以上,各个区间划分的优选子波段判别准确率均达到1。结果表明,将定量预测问题转换为半定性判别问题的计量学方法能够解决常规定量分析容易过拟合和过于理想化的问题,有利于提高统计模型的预测效果,半定性判别结果更符合实际。NIR光谱分析的半定性计量方法有望为实现农业物质成分的快速高精度鉴别提供技术参考。

关键词：土壤营养成分 FT-NIR 定量分析定性分析半定性判别

FT-NIR光谱半定性判别方法应用于土壤总氮的波段优选

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光谱学与光谱分析 2020年第2期40卷 562-566页

作者：辜洁陈华舟陈伟豪莫丽娜温江北桂林理工大学理学院广西桂林541004 广东星创众谱仪器有限公司广东广州510663

总氮是衡量土壤肥力的重要成分指标。传统的检测土壤总氮含量的化学方法操作复杂且费时费力,采用傅里叶近红外(FT-NIR)对土壤总氮的含量实现直接快速定量分析;然而,利用偏最小二乘(PLS)等线性分析方法定量预测土壤样本的总氮含量,定标... 详细信息

总氮是衡量土壤肥力的重要成分指标。传统的检测土壤总氮含量的化学方法操作复杂且费时费力,采用傅里叶近红外(FT-NIR)对土壤总氮的含量实现直接快速定量分析;然而,利用偏最小二乘(PLS)等线性分析方法定量预测土壤样本的总氮含量,定标预测模型有可能被理想化,不利于在线检测的实际应用。考虑给定量分析模型添加容错机制,将FT-NIR定量分析转化为半定性判别分析,以加强光谱模型的应用能力,提出区间间隔搜索主成分分析逻辑回归(iPCA-LR)方法,结合PLS的先验定量预测值,通过设定r=0.05,0.10,0.15三个不同的容错阈值范围,给样本赋予先验判别标记,将定量分析模式转换为半定性判别模式,建立土壤总氮的FT-NIR半定性判别模型,同时,对比讨论基于k=5,10,15,20四种不同子波段数量的区间划分数据的潜变量转换模式,优选FT-NIR光谱特征子波段,并讨论优选连续子波段的组合建模情况。结果表明,不同阈值范围下的FT-NIR半定性判别模型的预测准确率差别较大,但不同阈值范围的最优判别模型的预测准确率均在75%以上,各个区间划分的优选子波段或合并子波段的判别准确率均达到了90%以上,可以满足不同程度的应用水平。利用PLS结合iPCA-LR将定量预测转换为半定性判别的方法能够应用于土壤总氮的FT-NIR光谱分析,能够解决常规PLS定量分析容易过拟合和过于理想化的问题,半定性判别结果更符合实际,有利于光谱技术的在线应用。

关键词：土壤总氮 FT-NIR 波段优选 iPCA-LR模型半定性判别

贮备饲料近红外光谱模型快速预测青绿饲料营养成分含量

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农业工程学报 2020年第2期36卷 331-336页

作者：陈华舟许丽莉林彬乔涵丽辜洁温江北桂林理工大学理学院桂林541004 广东星创众谱仪器有限公司广州510663 北部湾大学海洋学院钦州535011

为快速检测饲料的营养成分,该研究利用贮备饲料的近红处技术(near-infrared,NIR)快速分析模型预测青绿饲料的营养成分含量。基于贮备饲料的NIR定标模型,将建模优化模式转移应用到青绿饲料的营养成分定量检测,以判断模型转移能力。在实... 详细信息

为快速检测饲料的营养成分,该研究利用贮备饲料的近红处技术(near-infrared,NIR)快速分析模型预测青绿饲料的营养成分含量。基于贮备饲料的NIR定标模型,将建模优化模式转移应用到青绿饲料的营养成分定量检测,以判断模型转移能力。在实验室环境下扫描并记录新鲜的青绿饲料样本和储存的贮备饲料样本的近红外反射光谱,利用230个贮备饲料样本进行光谱定标训练,以修正偏最小二乘(modified-partial least squares,M-PLS)建模方法,结合随机局部样本、局部选参、局部非连续性可调、交叉检验等技术相结合的方式建立局部优化模型,分别测试120个贮备饲料样本和120个青绿饲料样本中的氮(nitrogen,N)、中性洗涤纤维(neutral detergent fiber,NDF)、酸性洗涤纤维(acid detergent fiber,ADF)含量。将贮备饲料的定标校正模型应用于贮备饲料验证样本的营养成分测定,其标准误差(square error of prediction,SEP):N为1.02、NDF为16.56和ADF为13.47,相关系数均在0.9以上,相对预测偏差(relative prediction derivation,RPD)均大于3;该模型具有对青绿饲料样本的营养成分预测能力,其预测SEP:N为0.90、NDF为14.11和ADF为9.98,预测相关系数均在0.9以上,预测RPD均大于3,达到快速检测误差标准。由于局部建模过程中考虑了数据的潜在非线性结构和具有近似光谱响应的样本之间的不均匀性,相对全局建模方式而言具有更好的数据驱动性质,其建模效果优于全局建模方法。结果表明,基于贮备饲料样本建立的NIR定标校正模型可以用于青绿饲料营养成分的预测,特别是局部分析模型的应用能够提高NIR快速分析的预测精度。

关键词：农产品近红外光谱贮备饲料青绿饲料局部模型全局模型

基于双潜变量技术的SPA算法应用于NIR波长筛选

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光谱学与光谱分析 2018年第S1期38卷 111-112页

作者：陈华舟辜洁陈伟豪莫丽娜乔涵丽桂林理工大学理学院广西桂林541004 广西空间信息与测绘重点实验室(桂林理工大学) 广西桂林541004

利用近红外(NIR)光谱技术定量检测鱼粉的灰分含量,提出基于双潜变量技术的改进连续投影算法(DLV-SPA),针对光谱矩阵和目标成分进行双潜变量提取,结合连续投影完成特征变量筛选,为NIR定量分析提供有效的信息波长,实现降维定标,以达到提... 详细信息

利用近红外(NIR)光谱技术定量检测鱼粉的灰分含量,提出基于双潜变量技术的改进连续投影算法(DLV-SPA),针对光谱矩阵和目标成分进行双潜变量提取,结合连续投影完成特征变量筛选,为NIR定量分析提供有效的信息波长,实现降维定标,以达到提高预测精度的目的。结果表明,DLV-SPA方法应用于鱼粉品质的NIR定量检测,能够快速有效地完成信息波长筛选。该方法为动物养殖业提供了一种有潜力的品质检测技术,具有一定的应用价值。

关键词： NIR 鱼粉灰分双潜变量技术 SPA 波长筛选

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柚子皮果胶快速测定的高光谱成像系统

分析试验室 2019年第4期38卷 389-394页

作者：陈华舟辜洁许丽莉陈安唐国强桂林理工大学理学院桂林541004 广西空间信息与测绘重点实验室(桂林理工大学) 桂林541004 钦州学院海洋学院钦州535011

利用高光谱成像技术测定了柚子皮果胶含量,研究高光谱定量分析中不同系统参数对校正模型的影响。利用推扫式图像扫描部件采集柚子果皮切片样本的近红外高光谱数据,使用多变量计量方法建立定量模型并评估预测效果。针对在不同光源强度、... 详细信息

利用高光谱成像技术测定了柚子皮果胶含量,研究高光谱定量分析中不同系统参数对校正模型的影响。利用推扫式图像扫描部件采集柚子果皮切片样本的近红外高光谱数据,使用多变量计量方法建立定量模型并评估预测效果。针对在不同光源强度、不同镜片焦距、有无测量背景的情况下获取数据完成建模分析,比较不同系统参数对建模效果的影响。建立多变量高光谱成像分析的定量模型,融合不同的预处理方法实现模型优化,能够得到良好的预测结果,验证了高光谱成像分析技术在农作物质量检测中的应用能力。所做的系统参数性能测试对比方案有望推广应用于其他光谱分析过程中,便于为不同的待测对象选择优化的建模参数,对于在线无人机高光谱遥感数据采集的系统设计具有一定参考价值。

关键词：高光谱成像柚子皮果胶近红外推扫式扫描定量分析

区间偏最小二乘结合差分进化算法应用于鱼粉近红外光谱波长筛选

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分析测试学报 2020年第11期39卷 1392-1397页

作者：张优优陈伟豪唐志敏辜洁莫丽娜陈华舟桂林理工大学理学院广西桂林541004 重庆人文科技学院机电与信息工程学院重庆401524 桂林理工大学大数据处理与算法技术研究中心广西桂林541004

蛋白质含量是评价鱼粉质量的重要指标,该文采用近红外(NIR)光谱分析技术结合特征筛选方法建立了鱼粉蛋白质含量的快速定量分析模型,并结合区间偏最小二乘(iPLS)和二进制变异策略的差分进化(DE)算法建立了区间偏最小二乘差分进化(iPLS-DE... 详细信息

蛋白质含量是评价鱼粉质量的重要指标,该文采用近红外(NIR)光谱分析技术结合特征筛选方法建立了鱼粉蛋白质含量的快速定量分析模型,并结合区间偏最小二乘(iPLS)和二进制变异策略的差分进化(DE)算法建立了区间偏最小二乘差分进化(iPLS-DE)的波长筛选优化模式,对鱼粉NIR光谱数据进行特征波长筛选。iPLS-DE通过调试iPLS中等分子区间的数量,优选出9个最优特征波段,再采用二进制变异策略的DE算法在最优特征波段内筛选离散特征波长组合,最后根据模型的评价指标确定iPLS-DE优选模型并与iPLS优选模型进行比较。结果表明,将鱼粉全谱等分为5个子区间时,iPLS-DE筛选出50个离散特征波长建立的优选模型对测试集样品的预测均方根误差和相对分析误差分别为1.033%和4.058,而iPLS优选模型对测试集样品的预测均方根误差和相对分析误差分别为1.131%和3.855。表明iPLS-DE方法能够有效地提高NIR光谱分析模型对鱼粉蛋白质定量检测的预测能力。

关键词：近红外光谱鱼粉蛋白质特征提取区间偏最小二乘差分进化算法

铅暴露对成骨细胞MC3T3-E1细胞线粒体的影响

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局解手术学杂志 2018年第5期27卷 318-321页

作者：辜洁高瑞周薇王萍陆军军医大学(第三军医大学)第二附属医院骨科重庆400037

目的评价铅暴露对成骨细胞MC3T3-E1线粒体的影响。方法在MC3T3-E1细胞培养瓶中加入不同浓度醋酸铅[Pb(Ac)2]溶液(0、1、10、100μmol/L)培养24 h后,分别测定其线粒体膜电位去极化程度与ATP合成量、胞浆与线粒体内细胞色素c含量以及Caspa... 详细信息

目的评价铅暴露对成骨细胞MC3T3-E1线粒体的影响。方法在MC3T3-E1细胞培养瓶中加入不同浓度醋酸铅[Pb(Ac)2]溶液(0、1、10、100μmol/L)培养24 h后,分别测定其线粒体膜电位去极化程度与ATP合成量、胞浆与线粒体内细胞色素c含量以及Caspase-3活性,并利用透射电镜观察细胞线粒体形态变化。结果铅暴露可致成骨细胞MC3T3-E1线粒体膜电位降低,ATP合成减少,细胞内细胞色素c从线粒体到胞浆的释放增加,Caspase-3活性增强,并且呈明显剂量依赖关系。此外,电镜观察可见100μmol/L醋酸铅暴露组细胞线粒体明显肿胀。结论铅暴露可引起成骨细胞MC3T3-E1线粒体功能与结构损伤,从而导致细胞凋亡。

关键词：铅暴露成骨细胞线粒体凋亡

Cox健康行为互动模式在改善中年原发性骨质疏松患者自我管理行为和服药依从性的影响

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现代临床护理 2020年第5期19卷 48-54页

作者：周薇吉红霞辜洁代丽中国人民解放军陆军军医大学第二附属医院骨科重庆400037

目的评价Cox健康行为互动模式对中年原发性骨质疏松患者自我管理行为和服药依从性的效果。方法将2019年6月至10月在本院住院的原发性骨质疏松患者39例设为试验组,采用基于Cox健康行为互动模式的健康教育;2019年1月至5月在本院住院的原... 详细信息

目的评价Cox健康行为互动模式对中年原发性骨质疏松患者自我管理行为和服药依从性的效果。方法将2019年6月至10月在本院住院的原发性骨质疏松患者39例设为试验组,采用基于Cox健康行为互动模式的健康教育;2019年1月至5月在本院住院的原发性骨质疏松患者38例设为对照组,采用常规健康教育模式,比较两组患者干预前、干预4W和干预12W后自我管理行为和服药依从性水平。结果两组患者自我管理行为得分在组间效应、时间效应、交互效应方面均有统计学意义(P<0.05或P<0.01);干预4W和干预12W后,试验组自我管理行为得分高与对照组,差异有统计学意义(P<0.05或P<0.001)。两组患者服药依从性得分在组间效应、时间效应、交互效应方面均有统计学意义(P<0.05);干预4W和12W后试验组服药依从性高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05或P<0.001)。结论基于Cox健康行为互动模式的健康教育可以激发中年原发性骨质疏松患者自我管理的主动性,帮助患者构建健康的自我管理行为,从而提高自身的自我管理行为水平和服药依从性。

关键词：原发性骨质疏松自我管理行为服药依从性 Cox健康行为互动模式

高糖对成骨细胞MC3T3-E1凋亡和氧化应激的影响

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局解手术学杂志 2019年第5期28卷 348-352页

作者：高瑞辜洁康迪斯王萍陆军军医大学第二附属医院骨科重庆400037

目的评价高糖环境对成骨细胞MC3T3-E1凋亡和氧化应激的影响,为临床治疗糖尿病骨质疏松症提供实验基础。方法在细胞培养瓶中加入不同浓度高糖溶液(0、20、40、80 mmol/L)培养成骨细胞株MC3T3-E1,24 h后分别采用CCK-8测定其细胞存活率、... 详细信息

目的评价高糖环境对成骨细胞MC3T3-E1凋亡和氧化应激的影响,为临床治疗糖尿病骨质疏松症提供实验基础。方法在细胞培养瓶中加入不同浓度高糖溶液(0、20、40、80 mmol/L)培养成骨细胞株MC3T3-E1,24 h后分别采用CCK-8测定其细胞存活率、细胞凋亡率,线粒体膜电位试剂盒测定其去极化程度,半胱天冬酶-3(Caspase-3)试剂盒检测其活性,DCFH-DA荧光探针检测ROS的生成。在80 mmol/L高糖环境暴露,MC3T3-E1细胞在抗氧化剂NAC作用下,采用上述方法测其线粒体膜电位和Caspase-3含量。结果与对照组相比,成骨细胞MC3T3-E1在高糖暴露下的存活率和线粒体膜电位下降,细胞凋亡率、细胞活性氧水平和Caspase-3活性增强,且都存在剂量依赖性;抗氧化剂NAC抑制高糖引起MC3T3-E1细胞线粒体膜电位降低和Caspase-3增高。结论高糖环境下,NAC通过抑制高糖引起的氧化应激,降低细胞凋亡率,保护成骨细胞MC3T3-E1。

关键词：高糖环境成骨细胞凋亡氧化应激抗氧化剂NAC 骨质疏松症