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基于特征波段的黄酒近红外光谱检测模型递归更新方法

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光谱学与光谱分析 2017年第11期37卷 3414-3418页

作者：陈令奕赵忠盖刘飞江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室江苏无锡214122

近红外光谱是一种快速、无损的定量分析工具。为了提高黄酒关键参数的检测水平,采用近红外光谱法进行定量分析。检测过程中,由于受环境波动、仪器老化、原料变化等因素的影响,基于旧样品所建的模型的精确度逐渐下降。为保持模型的预测精... 详细信息

近红外光谱是一种快速、无损的定量分析工具。为了提高黄酒关键参数的检测水平,采用近红外光谱法进行定量分析。检测过程中,由于受环境波动、仪器老化、原料变化等因素的影响,基于旧样品所建的模型的精确度逐渐下降。为保持模型的预测精度,引入递归偏最小二乘(recursive partial least square,RPLS)对模型进行更新。以往此方法多使用全谱信息扩充建模集并进行递归计算,光谱的变量多,且包含环境影响等干扰信息,更新计算量大,且精度的提升效果不明显。考虑到黄酒生产过程中特征波段变化小的特性,提出了一种基于特征波段的黄酒近红外光谱检测模型递归更新方法。先采用相关系数法提取特征波段建立低维模型,在采集到新样品理化值后,再利用其特征波段光谱信息,使用递归偏最小二乘对低维模型进行更新。此方法被应用于黄酒总酸的近红外检测模型更新。模型评价使用相关系数r,预测标准偏差RMSEP和预测相对分析误差RPD三个指标。结果表明:采用本方法后,模型稳定性显著优化,计算效率有所提升,模型预测效果良好,三个评价指标分别达到0.965 7,0.184 3和3.736 2,较全谱PRLS时分别提高3%,24%和31%,在实际应用中有一定的参考价值。

关键词：近红外光谱模型更新递归偏最小二乘(RPLS) 特征波段

应用特征波段和反射变形差的方法进行土壤属性估算

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光谱学与光谱分析 2009年第3期29卷 716-721页

作者：路鹏魏志强牛铮中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室北京100101 青岛市环境监测中心站山东青岛266003

传统的土壤分析是昂贵的、费时的并且可能带来环境污染问题。应用近红外光谱分析技术测定土壤参数具有快速、花费少和非破坏性的特点。利用GPS野外定位，在江西省的红壤站、鄱阳湖站和千烟州站周边共取得41个耕层（0-20cm）土壤样品。... 详细信息

传统的土壤分析是昂贵的、费时的并且可能带来环境污染问题。应用近红外光谱分析技术测定土壤参数具有快速、花费少和非破坏性的特点。利用GPS野外定位，在江西省的红壤站、鄱阳湖站和千烟州站周边共取得41个耕层（0-20cm）土壤样品。通过对土壤样品高光谱反射率的室内分析测定，研究了土壤在紫外／可见光／近红外波段光谱的反射特性。研究的目的是应用波谱反射建立一个新的研究方法来估算土壤属性含量值。随后应用多元线性逐步回归方法对反射光谱数据进行分析，“B22＋H13”光谱数据作为自变量，土壤属性含量作为因变量，建立了土壤属性含量的高光谱预测模型，并对模型的稳定性和预测能力进行了检验。结果是土壤的pH、有机碳、全氮、全磷、阳离子代换量和碱解氮的相关系数都达到了0．80，而TK、速效磷、速效钾的相关系数在0．68左右。结果表明，应用此方法估算一些土壤属性含量是可行的。

关键词：土壤属性反射光谱特征波段光谱预测模型

关联类标准化样品特征波段的矿区土壤重金属Pb高光谱反演

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光谱学与光谱分析 2020年第7期40卷 2182-2187页

作者：周茉邹滨涂宇龙夏吉品中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室地球科学与信息物理学院湖南长沙410083 中南大学地球科学与信息物理学院湖南长沙410083

目前土壤重金属Pb的高光谱反演实验样本多源于研究区采样,忽略了自然样本中复杂组分的光谱混杂问题,所建立的模型精度偏低,重金属光谱响应机理解释仍不明确。基于此,选取湖南省某铅锌矿区采集相对清洁背景土壤,运用控制变量方法,制作Pb... 详细信息

目前土壤重金属Pb的高光谱反演实验样本多源于研究区采样,忽略了自然样本中复杂组分的光谱混杂问题,所建立的模型精度偏低,重金属光谱响应机理解释仍不明确。基于此,选取湖南省某铅锌矿区采集相对清洁背景土壤,运用控制变量方法,制作Pb类标准化样品40个,同时采集矿区86个自然污染样本。首先利用类标准化样品建立偏最小二乘回归(PLSR)定量反演模型,提取Pb光谱反射特征波段,然后基于特征波段进行矿区自然污染样本土壤Pb定量回归建模,对比全波段建模结果,验证特征波段的有效性。实验结果表明:(1)在背景土壤性质稳定的前提下,制作的类标准化样品具有总体一致的光谱形态,同时Pb含量作为引起反射率变化的唯一驱动因子证实了土壤中重金属Pb光谱响应信号的存在;(2)相较于自然样本光谱反演结果,类标准化样品能显著提升土壤Pb含量模型估算能力,决定系数(R^2p)为0.85,相对分析误差(RPD)2.30,有效排除其他组分对于光谱建模的干扰,模型性能良好;使用变量重要性投影指标(VIP)与PLSR系数提取的类标准化样品特征波段集中在970~1 000, 1 700~2 080和2 220~2 400 nm区间;(3)与全波段建模对比,基于特征波段的矿区自然污染样本的PLSR建模结果,R^2p由0.32提升至0.55, RPD由1.20提升至1.44,表明特征波段能够较好表征Pb的响应信号,波段提取有助于过滤噪声,减少数据冗余同时提高模型反演精度。提出的基于类标准化样品特征波段反演自然土壤样本Pb含量,有效解决自然样本成分复杂,重金属光谱信号微弱的问题,丰富了土壤重金属遥感监测理论与应用实例。

关键词：类标准化样品土壤重金属 Pb 特征波段 VIP 偏最小二乘回归

基于高光谱图像和偏最小二乘的羊肉pH值特征波段筛选研究

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光谱学与光谱分析 2016年第9期36卷 2925-2929页

作者：朱荣光段宏伟姚雪东邱园园马本学许程剑石河子大学机械电气工程学院新疆石河子832003 石河子大学食品学院新疆石河子832003

波段筛选方法的选取以及随后的光谱特征波段的提取对高光谱模型效果的影响较大。为了快速准确检测羊肉的 pH 值,开展并讨论了利用两种特征波段筛选方法对羊肉 pH 值高光谱模型的影响研究。本研究采用二阶导数（2D）、多元散射校正（MSC... 详细信息

波段筛选方法的选取以及随后的光谱特征波段的提取对高光谱模型效果的影响较大。为了快速准确检测羊肉的 pH 值,开展并讨论了利用两种特征波段筛选方法对羊肉 pH 值高光谱模型的影响研究。本研究采用二阶导数（2D）、多元散射校正（MSC）和中心化处理（mean-centering）相结合的方法对所提取纯肌肉部分的代表性光谱进行预处理,利用联合区间偏最小二乘（siPLS）和联合区间偏最小二乘结合遗传算法（si-PLS-GA）对全波段473-1000 nm范围光谱进行特征波段的提取,并分别建立相对应特征波段范围羊肉 pH的PLS预测模型,同时与全波段的PLS模型效果相比较。结果表明采用 siPLS-GA 提取的特征波长建立的PLS模型效果最优,其选取的特征波长点数为56,校正集相关系数（Rcal ）和均方根误差（RMSEC）分别为0.96和0.043,预测集相关系数（RP）和均方根误差（RMSEP）分别为0.96和0.048。siPLS-GA 方法既能够减少建模使用的光谱变量,又可以提高模型精度,因此利用高光谱图像技术结合 siPLS-GA 可以实现羊肉pH 的特征波段筛选和快速准确检测。

关键词：高光谱图像特征波段联合区间偏最小二乘(siPLS) 遗传算法(GA)

基于特征波段的高光谱技术检测水体中毒死蜱浓度的实验研究

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光谱学与光谱分析 2019年第3期39卷 923-930页

作者：马瑞峻张亚丽陈瑜张亚莉邱志萧金庆华南农业大学工程学院广东广州510642

为了探究反射光谱检测水体中毒死蜱农药的可行性,使用由ASD公司的FieldSpecPro地物波谱仪构成的高光谱采集系统在室内、室外环境获取两种不同浓度区间的毒死蜱样品的光谱数据。基于偏最小二乘(PLS)和主成分分析(PCA)算法分别对毒死蜱样... 详细信息

为了探究反射光谱检测水体中毒死蜱农药的可行性,使用由ASD公司的FieldSpecPro地物波谱仪构成的高光谱采集系统在室内、室外环境获取两种不同浓度区间的毒死蜱样品的光谱数据。基于偏最小二乘(PLS)和主成分分析(PCA)算法分别对毒死蜱样品光谱数据建立全波段定量模型,结果两种模型的预测能力均较高。通过相关性分析(CA)计算相关系数来选择毒死蜱样品光谱的特征波长,其中浓度区间为5～75 mg·L^(-1)的室内、室外实验光谱的特征波长为388, 1 080, 1 276 nm和356, 1 322, 1 693 nm,浓度区间为0.1～100 mg·L^(-1)的室内外实验样品光谱的特征波长为367, 1 070, 1 276, 1 708 nm和383, 1 081, 1 250, 1 663 nm。结合PLS算法建立样品特征波长光谱数据的定量模型,结果与全波段模型相比,浓度区间为5～75 mg·L^(-1)的室内外实验光谱PLS特征波长模型的校正集决定系数R■分别提高至0.987 5和0.999 2,预测集决定系数R■分别提高至0.989 4和0.994 4,校正集均方根误差RMSEC分别降低为2.841和0.714,预测集均方根误差RMSEP分别降低为1.715和1.244;浓度区间为0.1～100 mg·L^(-1)的室内外实验光谱特征波长PLS模型的校正集决定系数R■分别提高至0.998 3和0.998 8,预测集决定系数R■分别提高至0.998 4和0.999 0,校正集均方根误差RMSEC分别降低为1.383和1.186,预测集均方根误差RMSEP分别降低为1.510和1.229,验证集标准差与预测均方根误差的比值(RPD)有所增加,尤其是针对浓度区间为0.1～100 mg·L^(-1)的实验, RPD值显著增加至21.7,说明基于特征波长建立的毒死蜱样品定量模型具有较高精度的预测能力,但是通过不同浓度区间范围的对比实验发现, ASD地物光谱仪对低浓度的毒死蜱溶液预测的相对误差偏大,存在客观上的检测下限。为了保证不同试验条件下的毒死蜱农药的特征波长都得到分析,增强模型使用的普适性与鲁棒性,根据特征波长选择出4个波段,即351～393, 1 065～1 086, 1 245～1 281和1 658～1 713 nm作为特征波段。特征波段模型的波长变量个数共38个,相比于全波段模型的432个波长变量,模型变量精简了91.2%,其中浓度区间为5～75 mg·L^(-1)的室内外实验光谱PLS特征波段模型的R■分别为0.993 7和0.987 8,R■分别为0.979 8和0.998 2, RMSEC分别为1.690和2.516, RMSEP分别为1.987和0.659;浓度区间为0.1～100 mg·L^(-1)的室内外实验光谱特征波段PLS模型的R■分别为0.9882和0.9807,R■分别为0.9391和0.9936, RMSEC分别为3.345和3.942, RMSEP分别为8.996和2.663,且四种实验情况下的模型RPD值均大于2.5,满足定量分析条件。因此采用高光谱采集系统对室内和室外环境中毒死蜱农药的快速检测具有一定的可行性,此研究结果对有机磷农药等面源污染物快速检测有实际的应用价值,可为农田水体有机磷农药快速检测仪器的开发提供理论基础。

关键词：高光谱毒死蜱偏最小二乘法相关性分析法定量模型特征波长特征波段

高光谱技术无损检测单粒小麦种子生活力的特征波段筛选方法研究

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光谱学与光谱分析 2019年第5期39卷 1556-1562页

作者：张婷婷向莹莹杨丽明王建华孙群中国农业大学农学院植物遗传育种与种子科学系农业部农作物种子全程技术研究北京创新中心北京市作物遗传改良重点实验室北京100093 中国农业大学理学院北京100083

种子活力是种子质量的一项重要指标,高活力的种子具有较强的抗逆性、生长优势及生产潜力。而种子活力在种子生理成熟时最高,随后随着贮藏时间的延长而发生着自然不可逆的降低。因此,在播种前及时、准确地对种子活力进行检测和筛选具有... 详细信息

种子活力是种子质量的一项重要指标,高活力的种子具有较强的抗逆性、生长优势及生产潜力。而种子活力在种子生理成熟时最高,随后随着贮藏时间的延长而发生着自然不可逆的降低。因此,在播种前及时、准确地对种子活力进行检测和筛选具有重要的实践意义。针对传统种子活力检测方法存在的操作过程复杂繁琐、耗时长、重复性差且对种子有破坏性等缺点,研究尝试利用高光谱成像技术建立单粒小麦种子生活力快速、无损、精确的检测方法。以高温高湿老化后的190粒小麦种子(发芽128粒,不发芽62粒)作为研究样本,先利用可见-近红外(Vis-NIR)高光谱成像系统采集样本种子的光谱图像和进行标准发芽试验,并确保光谱采集试验和标准发芽试验的小麦种子一一对应。随后提取种子光谱图像的感兴趣区域并对其光谱数据进行平均和特征分析。分别采用一阶导数(FD)、均值中心化(MC)、正交信号校正(OSC)和多元散射校正(MSC)对原始光谱数据进行预处理,结合偏最小二乘辨别分析(PLS-DA)建立全波段PLS-DA模型,比较分析,并筛选出最适预处理方法。分别利用无信息变量消除算法(UVE)、竞争性自适应重加权算法(CARS)、连续投影算法(SPA)及耦合不同变量筛选方法对特征波段进行筛选提取,再分别基于所提取出的特征波段建立PLS-DA定性判别模型,对比分析,最终确立提取与单粒小麦种子生活力相关性最高的高光谱特征波段方法体系。结果表明:不同光谱预处理建立的模型其表现有所差异,在MC, FD, OSC和MSC中,采用MC对原始高光谱数据进行预处理,建立的全波段MC-PLS-DA判别模型,其校正集和预测集对小麦种子生活力的整体鉴别正确率分别为82.5%和83.0%,优于原始及其他预处理后建立的全波段PLS-DA判别模型,其校正集和预测集对小麦种子活种子鉴别正确率分别为94.8%和90.6%。进一步对比3种单特征波段提取方法及其耦合分析建模中,发现3种变量筛选方法耦合(UVE-CARS-SPA)的方式能够将光谱全波段的688个变量压缩至8个变量(473, 492, 811, 829, 875, 880, 947和969 nm),利用所筛选出的8个变量建立的MC-UVE-CARS-SPA-PLS-DA模型获得了最优秀的鉴别效果,其校正集和预测集对小麦种子生活力的整体鉴别正确率分别为86.7%和85.1%,较全波段模型(MC-Full-PLS-DA)分别提升了4.2%和2.1%,活种子的鉴别正确率分别为93.8%和84.4%,经过此优秀模型筛选后,种子批最终发芽率可达到93.1%。实验结果表明,基于高光谱成像技术结合UVE-CARS-SPA-PLS-DA模型能够实现对单粒小麦种子生活力的定性判别。研究工作为小麦种子活力的快速、精确且无损的检测提供理论支持。

关键词：高光谱技术小麦种子生活力检测特征波段

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铜胁迫下玉米污染特征波段提取与程度监测

光谱学与光谱分析 2020年第2期40卷 529-534页

作者：高鹏杨可明荣坤鹏程凤李燕王思佳煤炭资源与安全开采国家重点实验室中国矿业大学(北京)北京100083 北京师范大学地理科学学部北京100875

我国农田重金属污染形势不容乐观。土壤中的重金属被作物根系吸收后会影响作物正常的生长发育,降低农产品质量,进而通过食物链进入人体,危害人体健康。高光谱遥感为实时动态高效监测作物重金属污染提供了可能。设置不同浓度Cu2+胁迫梯... 详细信息

我国农田重金属污染形势不容乐观。土壤中的重金属被作物根系吸收后会影响作物正常的生长发育,降低农产品质量,进而通过食物链进入人体,危害人体健康。高光谱遥感为实时动态高效监测作物重金属污染提供了可能。设置不同浓度Cu2+胁迫梯度的玉米盆栽实验,并采集苗期、拔节期和穗期玉米老、中、新叶片光谱数据,测定不同生长时期叶片叶绿素含量、叶片Cu2+含量。基于所获取的光谱数据、叶绿素含量和叶片Cu2+含量,结合相关分析法、最佳指数法(OIF)和偏最小二乘法(PLS)构建OIF-PLS法提取含有Cu2+污染信息的特征波段。首先依据苗期、拔节期和穗期叶片叶绿素含量及穗期叶片Cu2+含量与相应叶片光谱的相关系数初步筛选特征波段;然后,从中选取三个波段计算最佳指数因子,并以该三个波段为自变量,对玉米叶片Cu2+含量进行偏最小二乘回归分析,计算均方根误差;最后根据最佳指数因子最大、均方根误差最小的原则选取最佳特征波段。基于OIF-PLS法所选取的特征波段构造植被指数OIFPLSI监测重金属铜污染,并与常规的红边归一化植被指数(NDVI 705)、改进红边比值植被指数(mSR 705)、红边植被胁迫指数(RVSI)和光化学指数(PRI)监测结果做比较,验证OIFPLSI的有效性和优越性。另外利用在相同的实验方法下获取的不同年份的数据对OIFPLSI进行检验,验证OIFPLSI的适用性和稳定性。实验结果表明,基于OIF-PLS法提取的特征波段(542,701和712 nm)比基于OIF法提取的特征波段(602,711和712 nm)能更好地反映Cu2+污染信息;植被指数OIFPLSI与叶片Cu2+含量显著正相关,相关性优于NDVI 705,mSR 705,RVSI和PRI;OIFPLSI与叶片叶绿素含量显著负相关,与土壤中Cu2+含量显著正相关;不同生长时期OIFPLSI与土壤中Cu2+含量的相关性高低依次为拔节期、穗期、苗期。基于不同年份数据验证结果表明,OIFPLSI与叶片Cu2+含量显著正相关,OIFPLSI具有较强的稳定性。基于OIF-PLS法所提取的特征波段构建的OIFPLSI能够较好地诊断分析玉米叶片铜污染水平,可为作物重金属污染监测提供一定的技术参考。

关键词：重金属污染光谱分析特征波段植被指数农作物

基于特征波段偏振成像的差异增强伪装目标检测

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兵工学报 2024年第10期45卷 3488-3498页

作者：沈英黄伟达周则兵黄峰王舒福州大学机械工程及自动化学院福建福州350108

光谱偏振探测技术利用目标多维度信息,提高伪装目标检测的精度和可靠性。现有的光谱偏振成像系统产生的高维度数据难以实时解算,复杂场景下光谱偏振探测的性能不佳。为此,提出一种基于特征波段偏振成像系统的伪装目标检测算法。针对目... 详细信息

光谱偏振探测技术利用目标多维度信息,提高伪装目标检测的精度和可靠性。现有的光谱偏振成像系统产生的高维度数据难以实时解算,复杂场景下光谱偏振探测的性能不佳。为此,提出一种基于特征波段偏振成像系统的伪装目标检测算法。针对目标场景筛选特征波段,定制751 nm窄带滤光片结合快照式偏振阵列相机,构建特征波段偏振图像采集系统,实时获取目标图像。提出差异增强和交织序列融合检测算法,设计偏振参数图像,增强特征波段偏振图像的目标对比度;融合差异增强和交织序列映射结果,对目标图像背景噪声进行抑制,进一步突出目标特征;通过阈值分割提取伪装目标。实验结果表明:所提的伪装目标检测算法在不同场景下的综合评价指标F均在0.90以上,检测速度达到20帧/s,实现了复杂场景下伪装目标的快速精准探测。

关键词：伪装目标检测光谱偏振图像成像系统特征波段差异增强

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基于ATR的玉米种子活力太赫兹特征波段筛选方法

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农业机械学报 2020年第4期51卷 382-386,393页

作者：吴静珠李晓琪刘翠玲孙晓荣余乐孙丽娟北京工商大学食品安全大数据技术北京市重点实验室北京100048 中国农业科学院作物科学研究所北京100081

应用太赫兹时域光谱技术结合移动窗口相关系数法筛选与种子老化密切相关的太赫兹特征波段。选取3个不同品种的玉米种子,并制备人工老化0、1、2、3、4 d的实验样本,采用衰减全反射(Attenuated total reflection,ATR)附件采集从样本分离... 详细信息

应用太赫兹时域光谱技术结合移动窗口相关系数法筛选与种子老化密切相关的太赫兹特征波段。选取3个不同品种的玉米种子,并制备人工老化0、1、2、3、4 d的实验样本,采用衰减全反射(Attenuated total reflection,ATR)附件采集从样本分离得到的种胚和胚乳粉末的太赫兹吸光度谱(0.2~80 cm^-1),应用移动窗口相关系数法(窗口宽度为10,阈值为0.3)筛选样本种胚和胚乳特征谱区。结果表明,不同品种样本筛选得到的老化特征谱区差异显著,说明种子老化进程受品种影响较大;在相同的老化阶段,不同品种样本的特征谱区也存在部分共同区间,且主要集中在60~80 cm^-1,说明老化进程中有些成分的变化相近;种胚和胚乳在相同老化阶段筛选的特征谱区不同,说明两者在老化进程中生理变化存在差异。本研究表明太赫兹时域光谱结合化学计量学方法可用于快速表征并探测玉米种子老化的动态变化过程。

关键词：种子活力太赫兹时域光谱特征波段衰减全反射移动窗口相关系数法