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基于改进K均值聚类的光谱重建训练样本选择研究

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光谱学与光谱分析 2024年第1期44卷 29-35页

作者：刘振刘莉樊硕赵安然刘思鲁曲阜师范大学传媒学院山东日照276800 曲阜师范大学工学院山东日照276800

光谱反射率重建过程中,训练样本的选择方法及样本容量与重建精度密切相关,寻找一种高效的训练样本选择方法是光谱重建的目标之一。K均值聚类计算复杂度小,计算效率高,但因聚类初始值选择的随机性,以及离群点的影响致使聚类结果不稳定,... 详细信息

光谱反射率重建过程中,训练样本的选择方法及样本容量与重建精度密切相关,寻找一种高效的训练样本选择方法是光谱重建的目标之一。K均值聚类计算复杂度小,计算效率高,但因聚类初始值选择的随机性,以及离群点的影响致使聚类结果不稳定,进而影响光谱重建的精度。基于此,提出了一种改进K均值聚类的训练样本选择方法。首先,将训练样本集的几何中心作为聚类中心的初始值;其次,基于高斯函数构建样本空间分布概率密度函数,并以欧几里德(欧式)距离作为其他聚类中心的度量依据;最后,在训练样本集中,基于簇内平方差度量光谱反射率样本间的相似度,将每个聚类子集中与中心距离最近的样本作为训练样本。为验证该方法的有效性,通过主成分分析法进行光谱重建。实验结果表明,所提的方法相较于传统的方法,光谱重建精度有一定的提高,重建光谱的平均均方根误差小于4%, CIE DE2000色差小于3.756 7。提出的改进的K均值聚类的训练样本选择方法,能够一定程度上提高了光谱重建精度,基本满足复制再现图像的要求。

关键词：光谱重建训练样本聚类算法改进K均值聚类

黄河山东段沿岸县市表层土壤重金属污染特征及源解析

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环境科学 2024年第9期45卷 5485-5493页

作者：侯聪王绍凯王琦侯晨晓李维翠王聪马振华山东省生态环境监测中心济南250000 山东省科学技术情报研究院济南250000 曲阜师范大学地理与旅游学院日照276826

黄河干流山东段流经的25县市区是山东省推动黄河流域生态保护和高质量发展的核心区,研究该区域表层土壤重金属污染现状、来源及潜在风险具有重要的意义.以黄河干流流经山东的25县市区为研究区,采集并测定了103个表层土壤样品中8种(As、C... 详细信息

黄河干流山东段流经的25县市区是山东省推动黄河流域生态保护和高质量发展的核心区,研究该区域表层土壤重金属污染现状、来源及潜在风险具有重要的意义.以黄河干流流经山东的25县市区为研究区,采集并测定了103个表层土壤样品中8种(As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni、Cd和Hg)重金属的含量,采用地累积指数法与潜在生态风险指数法对重金属污染特征进行分析和评价,利用相关性分析和正定矩阵因子分解(PMF)模型对土壤重金属进行来源解析.结果表明,Cu和Cr含量平均值低于山东省土壤背景值,As、Pb、Zn、Ni、Cd和Hg含量平均值分别是背景值的1.16、1.42、1.05、1.14、2.29和1.85倍,8种重金属元素含量平均值均远低于农用地土壤污染风险筛选值;从不同重金属变异情况看,As、Pb、Cr、Zn、Ni和Hg为中度变异,Cd和Cu为高度变异;研究区Cd和Hg呈轻度污染,其余6种元素无污染;Cd和Hg属于中等潜在生态风险水平,其余重金属处于低风险;联合受体模型表明研究区表层土壤重金属来源受农业活动、自然来源、工业排放和大气降尘等4种因素影响,综合贡献率分别为32.4%、34.9%、16.5%和16.2%.

关键词：黄河流域山东段表层土壤重金属污染特性来源解析正定矩阵因子分解(PMF)

基于深度学习、小波变换和可见光谱的茶树冻害程度评估

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光谱学与光谱分析 2024年第1期44卷 234-240页

作者：李赫王玉范凯毛艺霖丁仕波宋大鹏王梦琪丁兆堂山东省农业科学院茶叶研究所山东济南250108 青岛农业大学茶叶研究所山东青岛266109 日照市农业科学研究院茶叶研究所山东日照276827

茶树冻害鉴定是评价茶树抗逆性、指导茶园越冬管理的基础。茶树冻害鉴定的传统方法主要通过人工观察茶树叶片的冻害数量和冻害程度,存在准确率低,效率低,主观性强等缺点。提出一种基于深度学习、小波变换和可见光谱的茶树冻害程度评估... 详细信息

茶树冻害鉴定是评价茶树抗逆性、指导茶园越冬管理的基础。茶树冻害鉴定的传统方法主要通过人工观察茶树叶片的冻害数量和冻害程度,存在准确率低,效率低,主观性强等缺点。提出一种基于深度学习、小波变换和可见光谱的茶树冻害程度评估框架。首先,采集了1 000张茶树受冻后的树冠图像,并且按照4∶1分为训练集和测试集,并对训练集图像的冻害叶片进行标注。其次,采用Faster R-CNN网络对茶树的冻害叶片进行识别提取,并且分别选择了AlexNet、 VGG19和ResNet50三种特征提取器,选择鲁棒性最高的特征提取器作为主干网络。然后,将提取到的茶树冻害叶片图像进行小波变换增强处理,从而得到了一张低频率和三张高频率的图像。将小波变换处理后的图像和未经小波变换处理的图像分别输入到VGG16、 SVM、 AlexNet、 ResNet50等网络对冻害叶片进行分级,比较四种网络的分类性能。根据冻害叶片的数量、冻害叶片的程度,不同冻害程度叶片的权重系数,对茶树受冻程度打分,从而对茶树整体的冻害程度进行评估。结果表明:(1)基于ResNet50的Faster R-CNN模型提取茶树冻害叶片的性能最好,其查准率为93.33%,查全率为92.57%,高于VGG19和AlexNet作为主干网络的识别性能,可以确保大多数的冻害叶片都能被提取出来,并为叶片的冻害程度进一步分级提供基础。(2)VGG16模型分类不同冻害程度的叶片的整体准确率为89%,高于其他模型(SVM、 AlexNet、 ResNet50)的整体分类准确率,表明VGG16模型具有较高的鲁棒性。(3)小波变换处理后的冻害叶片图像与未经小波变换处理后的冻害叶片相比较,能提升模型的整体分类准确率2%~6%。说明小波变换增强技术可以提高网络的准确率。因此,本实验框架可以准确和高效地将茶树冻害叶片进行分级,对于茶园冻害程度的评估具有重要价值,为北方茶园的越冬防护提供技术支撑。

关键词：茶树冻害叶片 Faster R-CNN VGG16 小波变换

认知功能损伤对双任务站立影响的中枢机制:功能性近红外脑成像系统分析

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中国组织工程研究 2025年第17期29卷 3579-3587页

作者：董志文于聪陈岩丁建军山东体育学院运动与健康学院山东省济南市250102 山东体育学院国家足球学院国家篮球学院山东省日照市275900

背景:轻度认知障碍老年人由于认知功能下降,姿势控制能力下降,易发生跌倒。双任务范式由于更贴近日常生活,常被用于评估姿势控制能力,但以往对于轻度认知障碍老年人的认知与姿势控制双任务研究主要探讨姿势控制的外在表现特征,中枢神经... 详细信息

背景:轻度认知障碍老年人由于认知功能下降,姿势控制能力下降,易发生跌倒。双任务范式由于更贴近日常生活,常被用于评估姿势控制能力,但以往对于轻度认知障碍老年人的认知与姿势控制双任务研究主要探讨姿势控制的外在表现特征,中枢神经机制的直接证据依然缺乏。目的:探讨轻度认知障碍老年人在执行站立姿势控制-空间工作记忆双任务时大脑躯体感觉运动皮质激活特征。方法:采用蒙特利尔认知量表(MoCA-B)筛选受试者,共纳入轻度认知障碍老年人16人、认知功能正常老年人17人,进行5种任务测试,分别为空间工作记忆(SIT)、双足平衡站立(SD)、Romberg站立(SR)、双足平衡站立-空间工作记忆双任务(DD)、Romberg站立-空间工作记忆双任务(DR);同时使用功能性近红外脑成像系统和三维测力台收集躯体感觉运动皮质(20个通道)的血液动力学、足底压力中心(COP)摆动轨迹数据。结果与结论:①在Romberg站立、双足平衡站立-空间工作记忆双任务、Romberg站立-空间工作记忆双任务下,轻度认知障碍老年人前后、内外方向足底压力中心位移均显著大于认知功能正常老年人(P<0.05);②在双足平衡站立-空间工作记忆双任务下,轻度认知障碍老年人15通道(右侧前运动皮质/辅助运动区)的氧合血红蛋白变化量值显著大于认知功能正常老年人(P<0.05);在Romberg站立-空间工作记忆双任务下,轻度认知障碍老年人15,17通道(右侧前运动皮质/辅助运动区)的氧合血红蛋白变化量值均显著大于认知功能正常老年人(P<0.05);③在Romberg站立-空间工作记忆双任务下,轻度认知障碍老年人内外方向足底压力中心位移与15通道的氧合血红蛋白变化量存在显著正相关(r=0.659,P<0.05),认知功能正常老年人内外方向足底压力中心位移与15通道的氧合血红蛋白变化量存在高度正相关(r=0.840,P<0.05)。结果表明,与认知功能正常老年人相比,轻度认知障碍老年人在站立姿势控制-空间工作记忆双任务中站立姿势控制能力较弱,右侧前运动皮质与辅助运动区激活水平更高,更多的脑资源用于侧向姿势控制,可能是轻度认知障碍老年人认知衰退导致站立姿势控制能力变弱的大脑补偿机制。

关键词：轻度认知障碍姿势控制空间工作记忆前运动皮质辅助运动区功能性近红外光谱

基于极端梯度提升算法的山洪灾害临界雨量计算模型

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济南大学学报（自然科学版） 2024年第4期38卷 391-398页

作者：李福晨桑国庆孙元森济南大学水利与环境学院山东济南250022 山东省日照市东港区河湖管理保护中心山东日照276800

针对无资料区域山洪灾害临界雨量计算的难题,以山东省五莲县45个山丘区小流域沿河村落为研究对象,开展基于机器学习的山洪灾害临界雨量计算模型研究;基于水文水力学法结合现场调研确定各村落成灾水位及临界流量,通过水文模型计算产汇流... 详细信息

针对无资料区域山洪灾害临界雨量计算的难题,以山东省五莲县45个山丘区小流域沿河村落为研究对象,开展基于机器学习的山洪灾害临界雨量计算模型研究;基于水文水力学法结合现场调研确定各村落成灾水位及临界流量,通过水文模型计算产汇流得到洪水过程,采用试算法计算临界雨量;选取水文、下垫面、沿河村落等相关特征参数及临界雨量计算结果作为训练参数,构建基于极端梯度提升算法的不同预警时段临界雨量预估模型,并采用平均绝对误差和决定系数进行模型精度评估。结果表明:该模型计算的各预警时段临界雨量的平均绝对误差分别为4.56、 6.68、 7.11,决定系数分别为0.955、 0.967、 0.973,预测精度较高,能够满足无资料地区山洪预警工作的应用需求。

关键词：山洪灾害临界雨量极端梯度提升算法预警指标五莲县

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