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基于iPLS的矿井突水激光诱导荧光光谱特征波段筛选

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光谱学与光谱分析 2019年第7期39卷 2196-2201页

作者：周孟然卞凯胡锋来文豪闫鹏程安徽理工大学电气与信息工程学院

矿井突水一直威胁着煤矿井下施工人员的生命安全,准确且快速识别矿井突水水源类型对于矿井的安全生产起到关键性作用。激光诱导荧光(LIF)光谱技术识别矿井突水水源,有效避免了常规的水化学法需要测定多种化学参数,水源识别时间过长的缺... 详细信息

矿井突水一直威胁着煤矿井下施工人员的生命安全,准确且快速识别矿井突水水源类型对于矿井的安全生产起到关键性作用。激光诱导荧光(LIF)光谱技术识别矿井突水水源,有效避免了常规的水化学法需要测定多种化学参数,水源识别时间过长的缺点。提出一种间隔偏最小二乘法(iPLS)与粒子群联合支持向量分类算法(PSO-SVC)相结合的方法,iPLS算法常应用于光谱波段优选和模型的回归分析,PSO-SVC则在机器学习领域有着重要的应用,激光诱导荧光技术具有快速的时间响应、测量精度高等特点,iPLS和PSO-SVC算法运用于光谱图和光谱数据的分析,进而可以对突水水源类型识别分类。首先,用淮南矿区采集到的7种(每种水样30组)共210组荧光光谱数据进行实验,对老空水、灰岩水、灰岩水和老空水不同体积比混合水样的激光诱导荧光光谱图的差异性进行分析。比较了留出法和Kennard-Stone样本划分方法所得到的PSO-SVC模型分类准确率,采用留出法得到的训练集水样(140组)和测试集水样(70组)作为实验样本。其次,用iPLS算法将全光谱波段依次按10~25波段区间进行等分,选取划分区间的RMSECV(交叉验证均方根误差)值小于全光谱波段RMSECV值(阈值)的波段作为特征波段,结合光谱图对比分析了划分10和14个子区间的建模结果,发现通过直接观察得到的特征波段与iPLS算法筛选出的特征波段存在误差。最后,在不进行去噪、降维等预处理条件下,根据iPLS划分不同区间数的评价指标统计数据,选取划分11个区间所筛选出具有561个波长点的410.078~478.424和545.078~674.104nm特征波段范围数据作为PSO-SVC模型的输入,以iPLS结合PSO-SVC算法筛选出的特征波段与全光谱波段、直接观察得到波段建模准确率相比,训练集与测试集的分类准确率高达100%,PSO寻优到的最佳惩罚系数c为1.3670,核函数参数g为0.5762。从实验结果可以看出,利用iPLS进行荧光光谱的特征波段筛选是切实可行的,提取出的特征波段能充分反映出全光谱波段的有效信息,为激光诱导荧光光谱技术用于矿井突水水源精准在线识别的研究提供了理论依据。

关键词：矿井突水激光诱导荧光间隔偏最小二乘法特征波段支持向量分类

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

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

基于组合偏最小二乘的特征波段优选方法在氨、碱化处理玉米秸秆粗蛋白检测中的研究

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分析测试学报 2020年第11期39卷 1334-1343页

作者：孔庆明谷俊涛高睿李泽东马铮苏中滨东北农业大学电气与信息学院黑龙江哈尔滨150030 黑龙江省网络空间研究中心黑龙江哈尔滨150090

该文构建了玉米秸秆粗蛋白定量分析模型,并对光谱特征波段选取方法进行探讨及验证。首先对107个样本进行预处理,剔除两个异常样本后采用DB2小波缺省阈值4层分解方式进行光谱重构,预处理后粗蛋白模型交互验证决定系数R2CV从0.7889提高至0... 详细信息

该文构建了玉米秸秆粗蛋白定量分析模型,并对光谱特征波段选取方法进行探讨及验证。首先对107个样本进行预处理,剔除两个异常样本后采用DB2小波缺省阈值4层分解方式进行光谱重构,预处理后粗蛋白模型交互验证决定系数R2CV从0.7889提高至0.9208,采用间隔偏最小二乘(IPLS)及其改进型方法后向区间间隔偏最小二乘(BIPLS)、组合间隔偏最小二乘(SIPLS)进行特征波段选取,并对比主成分分析、竞争性自适应重加权采样法、相关系数法、遗传算法、移动窗口最小二乘等结果,发现基于IPLS及其改进型BIPLS、SIPLS均可有效、准确定位特征波段区间,其中采用SIPLS 30波段间隔在10128~10398 cm^-1与11196~11462 cm^-1时具有最优模型,验证集相关系数(rp)为0.9784,验正集决定系数(R2P)为0.9572,验正集均方误差根(RMSEP)为0.2211,相比于其他波段选取方法表现出较好的实时准确性,该方法可为玉米秸秆氨碱化最优条件判定提供重要的数据支撑。

关键词：玉米秸秆粗蛋白间隔偏最小二乘近红外光谱特征波段

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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

河北坝上地区草地退化指示种的高光谱特征波段识别

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生态与农村环境学报 2016年第6期32卷 1024-1029页

作者：郝芳芳陈艳梅高吉喜吕国旭田美荣河北师范大学资源与环境科学学院/河北省环境演变与生态建设实验室河北石家庄050016 河北师范大学旅游系河北石家庄050016 环境保护部南京环境科学研究所江苏南京210042

草地生态系统对发展畜牧业、保持水土和维持生态平衡有重要作用,实时、准确地监测草地的退化具有重要意义.高光谱遥感能够大幅度提高草地退化进程中植被结构退化的识别精度,为草原退化研究开辟新领域.利用高光谱遥感技术进行植被结构退... 详细信息

草地生态系统对发展畜牧业、保持水土和维持生态平衡有重要作用,实时、准确地监测草地的退化具有重要意义.高光谱遥感能够大幅度提高草地退化进程中植被结构退化的识别精度,为草原退化研究开辟新领域.利用高光谱遥感技术进行植被结构退化鉴别时,特征波段的选择和提取至关重要.根据地面实测高光谱数据,对河北坝上地区3种退化指示种和2种优势物种光谱反射曲线进行对数变换处理,采用均值置信区间对原始光谱和变换处理后的对数光谱进行波段选择,提取了退化指示种的光谱特性,并利用Manhattan距离对所选择的波段进行识别检验.结果表明：（1）与2种优势物种苔草（Carexpediormis）和羊草（Leymusc Ainensis）相比,退化指示种狼毒（Stellerac Aamaeiasme）的特征波段为402-412nm,冷嵩（Artemis iairigid）的特征波段为627？689、715-929和929-1033nm,星毛委陵菜（Potentilla acaulis）的特征波段为705？721nm;（2）在上述特征波段内,同种植被的Manhattan距离值显著小于异种植被的Manhattan距离值,狼毒、冷蒿和星毛委陵菜的Manhattan距离值分别为0.0066、0.3101和0.3855;（3）在可见光范围内,退化植被与主要优势植被的光谱差异不明显,经对数变换后,其差异被放大,易于提取特征波段,且基于均值置信区间的植被原始光谱曲线与对数光谱曲线相结合方法的特征提取结果更精细,最终确定狼毒的特征波段为402-412nm,冷蒿的特征波段为627-689、758-924和940-1033nm,星毛委陵菜的特征波段为705-721nm.

关键词：高光谱遥感特征波段退化指示植物置信区间河北坝上

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基于LCTF成像选取萝卜叶片的特征波段

光学技术 2013年第4期39卷 381-384页

作者：曹鹏飞李宏宁温元斌罗艳琳秦锋许海滨刘屹超冯洁云南师范大学物理与电子信息学院云南昆明650500

从大量的成像光谱数据中选择出有效的特征波段,用于对园艺作物的特征进行快速识别和分类。基于LCTF(liquid crystal tunable filter)成像的优点在于能够连续改变光谱透过中心波长。首先实验选取园艺作物———萝卜叶片为研究对象,获取... 详细信息

从大量的成像光谱数据中选择出有效的特征波段,用于对园艺作物的特征进行快速识别和分类。基于LCTF(liquid crystal tunable filter)成像的优点在于能够连续改变光谱透过中心波长。首先实验选取园艺作物———萝卜叶片为研究对象,获取萝卜叶片表面每隔5nm各波段图像的灰度信息;然后求出各波段的灰度值标准差和相关系数;最后通过波段指数排序选取萝卜叶片的有效特征波段。实验结果表明,在530nm、550nm、535nm、555nm和715nm波段具有较理想的波段指数值,这些波段离散度大,信息量丰富且波段间相关系数小,因此这些波段是识别萝卜叶片的有效特征波段。

关键词：光谱学 LCTF CCD 萝卜叶片特征波段波段指数

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