基于高光谱技术的土壤水分无损检测

利用高光谱成像仪(光谱范围400～1 000 nm)对土壤含水率进行了无损检测。比较了208个土样不同天数下土壤含水率与光谱变化、不同质量含水量光谱的差异;对比分析了不同光谱预处理方法、不同方法提取特征波长、采用多元线性回归(multiple linear regression,MLR)、主成分回归(principal component regression,PCR)与偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)建模,优选出最佳模型。结果表明：光谱曲线的反射率随着土壤含水率的增加而减小。当超过田间持水率时,光谱曲线的反射率会随着土壤含水率的增加而增大。对比分析了不同预处理方法,近红外波段优选出单位向量归一化预处理方法。采用无信息变量消除法(UVE)、竞争自适应加权采样(CARS)、β系数法、连续投影算法(SPA)方法提取特征波长为49,30,5和7。为了减少数据冗余,对UVE与CARS提取的特征波长进一步采用SPA方法进行特征提取,UVE+SPA,CARS+SPA提取特征波长数分别为5和8个。在此基础上,利用MLR,PCR和PLSR方法对400～1 000 nm范围的特征波长建立模型,对比分析不同建模效果,优选出β系数提取的特征波长的MLR模型。最优的特征波长为411,440,622,713和790 nm,最优模型的预测相关系数R_p=0.979,预测均方根误差RMSEP为0.763。因此,今后可采用不同波段对土壤含水率进行定量分析。     

基于优选波长的多光谱检测系统快速检测猪肉中挥发性盐基氮的含量

挥发性盐基氮(TVB-N)含量是评价猪肉新鲜度的重要理化指标。为了实现快速、无损检测猪肉的新鲜度,优选出与猪肉中TVB-N含量相关的特征波长,将包含特征波长的发光二极管(LED)光源用于多光谱检测系统,测定了猪肉中TVB-N的含量。首先利用可见-近红外(VIS-NIR)高光谱系统对猪肉进行检测,获取高光谱反射率数据,并采用一阶导数(FD)法、标准正态变量变换(SNV)以及其他预处理方法建立猪肉中TVB-N含量的偏最小二乘回归(PLSR)模型;然后分别利用逐步回归算法(SWA)、连续投影算法(SPA)、基因遗传算法(GA)筛选出与TVB-N含量相关的特征波长,利用筛选出的特征波长分别建立PLSR模型与多元线性回归(MLR)模型,比较模型结果后进一步优选特征波长;最后,将含有特征波长的LED光源用于多光谱检测系统,并建立PLSR模型与MLR模型,从而完成对猪肉中TVB-N含量的测定。实验结果表明:利用SWA、SPA、GA这3种算法筛选出的特征波长能够很好地反映全光谱的信息,建立的模型效果较好,变量数大大减少;包含优选特征波长的LED光源在多光谱检测系统中能很好地检测猪肉中的TVB-N含量;MLR模型结果好于PLSR模型结果,MLR模型的校正集相关系数和校正集均方根误差分别为0.9050和3.63×10-5,预测集相关系数和预测集均方根误差分别为0.9040和3.81×10-5。     

不同贮藏温度下滩羊肉pH值的近红外高光谱动力学模型建立

为了比较4℃、15℃两种贮藏温度下滩羊肉pH值的变化,优选出滩羊肉贮藏期间的最优模型,采用pH酸度计测量样本pH值,建立两种贮藏温度下传统动力学的零级和一级模型;应用近红外(900～1 700 nm)高光谱成像采集两种贮藏温度下滩羊肉的光谱数据,剔除异常值后进行光谱预处理;使用连续投影算法(SPA)提取特征波长,建立全波段和特征波长的偏最小二乘(PLSR)预测模型;对比分析得到的最优光谱模型与动力学模型相结合,确定滩羊肉光谱动力学模型。结果表明,4℃和15℃的传统动力学模型的相关系数分别为0.502和0.912;4℃下原始光谱经PLSR建模后效果最优,相关系数R_c为0.821,R_p为0.863,15℃经SG-S(3,7)+De-trending(4)预处理后经PLSR建模效果最优,相关系数R_c为0.876,R_p为0.819。因此,高光谱结合传统动力学的模型检测羊肉pH值的方法是可行的,该模型可以预测15℃下滩羊肉的贮藏期。     

基于可见/近红外透射光谱技术的红提糖度和含水率无损检测

本文研究基于可见/近红外透射光谱技术的红提糖度和含水率的无损检测方法。采集360个红提样本,并分别利用标准正态变量变换(Standard Normal Variable transformation,SNV)、SavitZky-Golay卷积平滑处理法(SavitZky-Golay,S_G)等光谱预处理方法处理后的数据建立PLSR模型,分别采用一次降维(GA、SPA、CARS、UVE)和二次降维组合(CARS-SPA、UVE-SPA、GA-SPA)7种数据降维方法对光谱进行特征变量提取,分别建立红提糖度和含水率的偏最小二乘回归算法(Partial Least Squares Regression,PLSR)和最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vector Machine,LSSVM)含量检测模型并对比分析模型的优劣。结果表明:红提糖度和含水率的最优PLSR模型波长提取方法为GA-SPAPLSR,最优模型的预测集相关系数分别为0.958、0.938;红提糖度和含水率的最优LSSVM模型波长提取方法分别为CARS-SPA-LSSVM、UVE-SPA-LSSVM,最优模型的预测集相关系数分别为0.969、0.942;LSSVM所建模型的效果好于PLSR所建模型,但模型的运算时间较长。研究结果表明:基于可见/近红外技术无损检测红提糖度和含水率的方法可行,两种最优检测模型的预测精度均较高,都能满足检测要求。在不同应用下,可酌情选择不同模型,PLSR所建最优模型的运算时间较短,适合在线快速检测;LSSVM的检测性能最佳,可更加准确地检测红提糖度和含水率。     

灵武长枣VC含量的高光谱快速检测研究

采用可见-近红外高光谱成像技术结合化学计量学方法检测灵武长枣维生素C(VC)含量，探究一种全新的水果内部成分的快速无损检测方法。采用高效液相色谱法(HPLC)测得长枣的VC含量化学值，可见-近红外高光谱成像系统采集164个灵武长枣400～1 000 nm的高光谱图像，利用ENVI4.8软件提取图像的感兴趣区域(region of interest，ROI)，计算其平均光谱，获得光谱值，将化学值与光谱值通过The UnsecramblerX 10.4软件建立模型。利用蒙特卡洛交叉验证法剔除异常值，采用光谱理化值共生距离法(sample set partitioning based on joint x-y distance，SPXY)进行样本划分以提高模型的预测性能；对光谱采用移动平滑(moving average)、中值滤波(median filter)、归一化(normalize)、基线校准(baseline)、多元散射校正(multiple scattering correction，MSC)、去趋势(detrending)和标准正态变量变换(standard normal variate，SNV)等7种方法进行预处理；为进一步减少数据量，降低维度，提高运算速度，使用竞争性自适应加权算法(competitive adaptive reweighted sampling，CARS)、无信息变量消除算法(uninformative variable elimination ，UVE)和连续投影算法(successive projections algorithm，SPA)提取特征波长，以期实现以少数波段代替全波段；将全波段光谱(full spectrum，FS)以及CARS, UVE和SPA三种方法提取的特征波长分别建立偏最小二乘(partial least squares wavelength regression，PLSR)和支持向量机(support vector machine，SVM)模型，从而确定最优的建模模型。利用蒙特卡洛交叉验证法共剔除7个异常样本，采用SPXY法将剔除异常样本后的157个数据区分为校正集和预测集，校正集中样本个数为117，预测集中样本个数为40。将未经光谱预处理的建模结果与分别经过七种光谱预处理的建模结果相比，选择未经光谱预处理的数据进行后续分析；将未经光谱预处理的光谱值采用CARS，UVE，SPA方法进行提取特征波长，CARS共优选出406，415，487，631，636，655，660，665，670，684，689，694，723，732，747和881 nm下的光谱变量16个，利用CARS提取出的特征波长占总波长的12.8%；UVE共优选出406，415，627，631，636，651，655，660，665，670，675，679，684，689，694，699，703，708，742，747，751，756，761，766，771，775，780，785，790，795，919和924 nm下的32个特征波长，利用UVE提取出的特征波长占总波长的25.6%；SPA共优选出401，665，684 nm三个特征波长，利用SPA提取出的特征波长占总波长的2.4%。将全波段光谱与提取出的特征波长建立PLSR模型和SVM模型，对比模型结果显示UVE-SVM模型最优，其R2_c为0.847 1，R2_p为0.714 9，说明UVE有效地对光谱进行降维，简化了数据处理过程。本研究对高光谱成像技术在水果领域的应用进行了有益探索，探究了一种全新的灵武长枣VC含量的无损检测方法，相应建立的可见-近红外高光谱模型为其他水果成分的快速检测提供了理论基础。     

基于高光谱成像技术的长枣不同保藏温度的可溶性固形物含量检测方法

应用高光谱成像技术对不同保藏温度的灵武长枣的可溶性固形物含量进行预测模型建立。提取图像中感兴趣区域的平均光谱数据,经过不同光谱预处理后,利用连续投影法(SPA)选择特征波长,对4℃冷藏光谱提取13个特征波段(421,426,512,598,641,670,675,723,814,906,944,978,982 nm),对常温保藏光谱提取12个特征波段(425,507,555,598,673,680,685,718,809,910,954,978 nm)。对于MSC处理、MSC+SPA处理、Savitzky-Golay平滑处理和SNV 4种预处理方法,筛选出的最优预处理方法是冷藏采用MSC处理、常温采用MSC+SPA处理。对应这两种最优预处理方法,分别建立偏最小二乘法(PLSR)、支持向量机(SVM)、主成分回归(PCR)3种预测模型。在以上获得的6个预测模型中,得出冷藏、常温保藏的最优模型分别为MSCPLSR模型(R2C:0.852,RMSEC:0.940;R2P:0.857,RMSEP:0.894)和MSC+SPA-PLSR模型(R2C:0.872,RMSEC:0.866;R2P:0.787,RMSEP:1.007)。结果表明:利用高光谱成像技术,结合多种预测模型建立,能够测定不同保藏温度下的灵武长枣可溶性固形物含量,实现对灵武长枣准确快速的无损检测。     

不同含水量黑土土壤光谱反射率半经验模型构建

土壤含水量的变化情况与时空分布对热量平衡、农业墒情等具有显著的影响。利用反射率光谱信息反演土壤含水量的研究,可为实现土壤含水量速测、揭示土壤含水量时空变异规律提供科学依据。构建不同含水量黑土土壤反射率光谱半经验模型,深入探究土壤重量含水量与反射率光谱的关系。 制备了12种不同湿度的土壤样品。 采用ASD Field Spec Pro 3地物波谱仪对制备的不同湿度梯度的黑土土壤进行反射率光谱测量。 利用菲涅耳反射率建立土壤表面反射模型;在以往的研究中,Kubelka-Munk (KM)模型中的漫反射率R_∞通常被视为对于给定材料和照明波长的常数或需要反演的参数。通过研究发现,漫反射率R_∞不仅与材料和波长有关,还与土壤含水量相关。利用与土壤含水量相关的吸收系数及散射系数描述了土壤含水量与漫反射率R_∞的关系,并基于KM理论对体散射分量进行建模;进而构建不同含水量黑土土壤反射率光谱半经验模型。 根据实际测量数据选用最小二乘算法对模型参数进行反演,并通过分析反演参数简化模型。最后,将未参与建模的不同含水量梯度的数据代入模型中,验证模型的有效性。结果表明：对比不同含水量土壤反射率光谱的模拟值与实测值在400～2 400 nm波段范围内的模拟精度发现,含水量为200 g·kg-1的土壤反射率光谱的均方根误差最大,为0.008,含水量为40 g·kg-1的土壤反射率光谱的均方根误差最小,为0.000 6,不同含水量下土壤样品反射率光谱的均方根误差的均值是0.005 1。在400～2 400 nm波段范围内,不同波长下黑土土壤反射率光谱的预测均方根误差基本低于0.008,1 920 nm波长处的预测均方根误差最小,为0.002 062。采集长春地区的土壤检验模型的可靠性,配制15个不同含水量样品并对其进行反射率光谱测量。选取9个样品数据用于建模,6个样品数据用于验证。结果表明：在400～2 400 nm波段范围内,不同波长下的长春土壤反射率光谱的预测均方根误差基本低于0.015,525 nm波长处的预测均方根误差最小,为0.000 922 5。综上所述,所建立的模型具有很高的预测精度,可很好地适用于不同含水量黑土土壤反射率光谱的模拟。     

基于可见-近红外光谱技术的润滑油含水量无损检测方法研究

研究了基于可见-近红外光谱技术的发动机润滑油含水量快速检测方法。在获取光谱信息的基础上,提出了采用不同的光谱建模方法以提高检测精度和简化分析计算。分别采用主成分分析(PCA)和连续投影算法(SPA)方法进行模型输入变量的提取。SPA最终选择了476,483,544,925,933,938,952,970和974nm共9个波长为最优变量。基于SPA选择的变量,分别应用偏最小二乘回归(PLSR)和多元线性回归(MLR)建模。效果均优于全波段PLSR模型和PCA-PLSR模型。说明SPA选择的有效变量能够包含最重要的全波段光谱信息,同时可以去除无用的信息变量。为了进一步提高检测效果,采用LS-SVM分别基于SPA选择后的有效变量和全波段光谱进行建模。两个模型的预测确定系数(Rp2)均在0.9以上。SPA-LS-SVM的效果要优于全波段LS-SVM模型的效果。SPA-LS-SVM模型的Rp2达到了0.983,剩余预测偏差(RPD)值为6.963。表明可见-近红外光谱可以用于发动机润滑油含水量的检测。     

近红外高光谱成像扫描速度对拟南芥冠层含水率预测的影响

高光谱成像技术可以无损检测植物不同尺度的理化信息,现有研究往往以分析高光谱图像的平均光谱为主,忽略了其空间维度的信息。以模式植物拟南芥为研究对象,探究高光谱成像不同扫描速度引起的图像空间分辨率差异对植物冠层含水率测量的影响,为高光谱成像在线快速检测植物冠层含水率提供优化方案。首先利用室内在线高光谱成像系统分别在20, 30和40 mm·s~(-1)三种扫描速度下采集了拟南芥冠层高光谱图像,并提取拟南芥冠层平均反射光谱。其次,利用偏最小二乘算法(PLSR)建立了拟南芥冠层含水率与平均反射光谱的定量分析模型,通过决定系数(R~2)、均方根误差(RMSE)、相对分析误差(RPD)对模型进行评估。比较基于原始光谱与多元散射校正算法(MSC)、 Savitsky-Golay平滑算法等预处理光谱建立的PLSR模型,选取最佳光谱预处理方法用于后续的数据处理。最后,利用连续投影算法(SPA)分析比较基于最优特征波长与全波长的模型预测准确度,探明高光谱图像扫描速度对拟南芥冠层含水率预测的影响规律。研究结果表明,当扫描速度从20 mm·s~(-1)提升到30 mm·s~(-1)时,基于MSC预处理的全波段PLSR模型预测拟南芥冠层含水率决定系数降低0.88%,小于1%;当扫描速度从20 mm·s~(-1)提升到40 mm·s~(-1)时,拟南芥冠层含水率决定系数降低2.3%。说明在适当提高扫描速度的同时,能够保证植物冠层的高含水率预测准确度。改变高光谱扫描速度可以更有效地利用高光谱图像空间维度有效信息,扫描速度适当增大后,高光谱图像的空间维度信息改变,提高实际生产应用环节的图像采集效率,减少数据处理时间。     

高光谱成像的豆腐形成过程中组分含量变化检测

豆腐作为我国传统食品,其生产已有两千多年的生产历史,但目前市场上的豆腐还是以经验式小作坊生产为主,难以保证豆腐质量和品质的均一性。水分和蛋白质含量是影响豆腐品质的重要因素,然而,水分与蛋白质的传统检测方法过程繁琐,耗时、费力,无法及时指导生产。因此,探索豆腐制备过程中水分和蛋白质分布的快速、无损、定量描述方法,可为精确调控豆腐制备工艺提供科学依据。应用高光谱成像技术结合化学计量学方法检测豆腐形成过程中豆浆、热浆、凝胶、豆腐四种不同状态下水分与蛋白质含量变化并实现其含量分布可视化。采集每种状态下120个样品在432～963 nm波段范围内的高光谱图像,利用ENVI软件选取感兴趣区域并计算样品的平均光谱数据。采用卷积平滑(savitzky-golay, SG)结合多元散射校正(multiplicative scatter correction, MSC)对原始光谱进行预处理,消除光谱噪声影响。用预处理后的光谱数据建立偏最小二乘回归(PLSR)和主成分回归(PCR)定量模型,比较发现豆浆、热浆、凝胶、豆腐样品的PCR模型对与水分和蛋白质的预测结果均低于PLSR模型。选用PLSR模型作为最优模型,采用连续投影算法(SPA)筛选豆浆、热浆、凝胶、豆腐样品的特征波长,分别选取13, 9, 8和9个特征波长建立基于特征波长下的PLSR模型。结果表明:与全波段下的PLSR模型相比基于特征波长建立的SPA+PLSR模型的预测效果更好,对水分的预测模型R_P达到0.84～0.96,蛋白质的预测模型达到0.92～0.97。基于预测效果更好的SPA+PLSR模型计算豆浆、热浆、凝胶、豆腐图像中每个像素点的水分与蛋白质含量,将样品中的水分与蛋白质分布用不同的颜色直观显示,实现水分与蛋白质在不同状态下的分布。验证了高光谱技术对豆腐形成中水分与蛋白质含量检测的可行性,解决传统检测方法的缺陷,为豆腐生产的工业化和智能化提供理论依据。     

大豆水分含量的高光谱无损检测及可视化研究

采用近红外高光谱成像技术对大豆水分含量进行快速无损检测,实现大豆水分含量可视化。采集了96个不同品种大豆样本在900～2 500 nm的高光谱图像,采用直接干燥法测量每个大豆样品的水分含量。利用系统自带的HSI Analyzer软件提取图像感兴趣区域（ROI）的平均光谱信息,代表样品的光谱信息。利用SPXY算法划分样品校正集和预测集,并保留938～2 215 nm波段范围内的光谱数据。采用移动平滑（moving average）、S-G平滑、基线校正（baseline）、归一化（normalize）、标准正态变量变换（standard normal variate,SNV）、多元散射校正（multiple scattering correction,MSC）、去趋势（detrending）共7种光谱预处理方法,发现Normalize方法处理后的PLSR模型效果较好。为了去除光谱冗余信息,简化预测模型,采用连续投影算法（SPA）、竞争性自适应加权算法（CARS）、无信息消除变量法（UVE）提取特征波长,其中SPA,CARS和UVE三种算法优选出14,16和29个波长,分别占总波长的6.5%,7.4%和13.4%。分别对938～2 215 nm波段光谱和特征波长建立预测模型,并将效果较优的模型与Normalize方法结合。建立的14种预测模型效果相比较,发现SPA算法筛选的特征波长建模预测效果较好,并优选出Normalize-SPA-PCR模型,模型的R２_C和Ｒ２_P值较高,分别为0.974 6和0.977 8,RMSEP和RMSECV值较低,分别为0.238和0.313,模型的稳定性和预测性较好,可以对大豆水分含量进行准确预测。将Normalize-SPA-PCR模型作为大豆水分含量可视化预测模型,计算高光谱图像每个像素点的水分含量,得到灰度图像,对灰度图像进行伪彩色变换,得到大豆水分含量可视化彩色图像。对预测集的24个大豆品种进行可视化处理,发现不同水分含量大豆的可视化图像颜色不同,水分含量变化对应的颜色变化较为明显。结果表明,高光谱成像技术结合化学计量学可以准确快速无损预测大豆水分含量,实现大豆水分含量可视化,为大豆收获、贮藏加工过程中水分含量检测提供了技术支持。     

干贝水分含量可视化检测方法的研究

水分含量影响干贝的口感、质地等品质特征,而且与其贮存期密切相关。应用高光谱成像与检测技术结合化学计量学方法,实现干贝水分含量的快速检测。实验采用高光谱成像系统采集380～1 030 nm波段范围内的高光谱图像,采集得到6个不同干燥时期共90个干贝样本高光谱图像。提取所有样本感兴趣区域的平均光谱数据,采用连续投影算法(SPA)和权重回归系数法(B_w)分别提取了7个和4个特征波长。基于所提取的特征波长和全波长分别建立光谱数据与水分含量的偏最小二乘回归(PLSR)模型,三种模型分别是SPA-PLSR,B_w-PLSR和PLSR。建模集和预测集相关系数都高于0.95,预测均方根误差都低于10%,三种模型均获得了较好的预测效果,都能很好地预测干贝的水分含量。在所有模型中,SPA-PLSR模型具有较少的波长变量和较高的预测能力(97.28%),因此本文基于SPA-PLSR模型,采用伪彩色图像编程技术实现了干贝图像上每个像素点的水分含量的可视化预测。结果表明,高光谱成像技术结合特征波长提取算法可用于干贝水分含量分布的可视化检测。     

高光谱成像技术结合特征提取方法的草莓可溶性固形物检测研究

采用高光谱成像技术结合不同的特征提取方法,实现了对草莓可溶性固形物含量的检测。通过提取154颗成熟无损伤草莓的高光谱图像的874～1 734 nm范围光谱信息,对941～1 612 nm光谱采用移动平均法(moving average,MA)进行预处理。基于残差法剔除19个异常样本后将剩余135个样本分为建模集(n=90)和预测集(n=45)。采用连续投影算法(successive projections algorithm, SPA),遗传偏最小二乘算法(genetic algorithm-partial least squares, GAPLS)结合连续投影算法(GAPLS-SPA),加权回归系数(weighted regression coefficient, Bw)以及CARS法(competitive adaptive reweighted sampling)选择特征波长分别提取14,17,24与25个特征波长,并采用主成分分析(principal component analysis, PCA)与小波变换(wavelet transform, WT)分别提取20与58个特征信息。分别基于全波段光谱、特征波长与特征信息建立PLS模型。所有模型都取得了较好的效果,基于全波段光谱的PLS模型与基于WT提取的特征信息的PLS模型的效果最优,建模集相关系数(r_c)与预测集相关系数(r_p)均高于0.9。结果表明高光谱成像技术结合特征提取方法可用于草莓可溶性固形物含量的检测。     

高光谱图像信息检测玉米籽粒胚水分含量

通过波段比和阈值相结合的方法,分别提取了玉米籽粒全表面结构和胚结构区域的1 000～2 500 nm近红外高光谱信息,研究了玉米籽粒水分含量与胚结构区域光谱关系,同时采用竞争性自适应重加权变量选择算法(CARS)、遗传算法(GA) 、连续投影算法(SPA)筛选特征波段,建立并比较偏最小二乘回归(PLS)模型对水分含量的预测效果。结果显示,玉米籽粒水分含量与胚结构区域光谱关系显著,随着水分含量的增加,光谱反射值逐渐降低。预测模型结果表明,基于玉米籽粒胚结构区域光谱信息所建立的CARS-PLS,GA-PLS和SPA-PLS回归模型预测相关系数Rp分别为0.931 2,0.917 6和0.922 7,预测均方根误差(RMSEP)分别为0.315 3,0.336 9和0.336 6,所选取的特征波段数量分别为9,14和6,较基于全表面光谱信息所建模型的特征波段数量分别少了49,12和24个,且预测效果与采用全表面光谱信息无显著差别,SPA-PLS算法为基于玉米籽粒胚结构光谱信息的水分含量预测最高效模型。提取胚结构区域所用光谱波段为1 197,1 322和1 495 nm,建立SPA-PLS回归模型所用特征波段为1 322,1 342,1 367,1 949,2 070和2 496 nm。研究结果表明,采用近红外高光谱技术进行玉米籽粒水分含量无损检测时,提取玉米籽粒胚结构的图谱信息较全表面光谱信息更高效。     

以高光谱数据有效预测苹果可溶性固形物含量

从高光谱数据中选取能够有效进行内部品质检测的特征波长,是利用高光谱成像技术进行水果品质定量分析的关键。本文采用遗传算法(GA)、连续投影算法(SPA)和GA-SPA算法分别从400～1 000 nm的苹果高光谱图像中提取特征波长,利用偏最小二乘法(PLS)、最小二乘支撑向量机(LS-SVM)和多元线性回归(MLR)建模进行苹果可溶性固形物含量(SSC)的定量分析并进行了综合比较。160个样品中,120个用于建模,40个用于预测。比较发现SPA-MLR模型获得了最好的结果,R2_p,RMSEP和RPD分别为0.950 1,0.308 7和4.476 6。结果表明：SPA能够有效地用于高光谱数据的变量选择,利用SPA-MLR可建立稳健的苹果SSC预测模型,较少的有效变量和MLR模型的易解释性表明该模型在在线检测和便携式仪器开发中具有较大的应用潜力。     

近红外光谱技术结合RCA和SPA方法检测土壤总氮研究

基于近红外光谱技术结合连续投影算法和回归系数分析对检测土壤总氮含量进行研究。采集农田土壤样本近红外光谱数据,土壤样本数量共394个。由于原始光谱数据量大,在500～2 500 nm光谱波长范围基础上,为简化模型,在原始光谱基础上采用连续投影算法和回归系数分析提取特征变量,以两种变量选择方法提取的特征变量作为输入,分别采用偏最小二乘回归(PLS)、 多元线性回归(MLR)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)建模方法建立总氮预测模型,共建立了9个预测模型,最优预测集的决定系数为0.81,剩余预测偏差RPD为2.26。研究表明,基于连续投影算法和回归系数分析选择的特征波长可以应用于近红外光谱检测土壤总氮含量,同时可以大大简化模型,适合开发便携式土壤养分检测仪。     

基于PCA-MLR和PCA-BPN的莱州湾南岸滨海平原土壤有机质高光谱预测研究

土壤有机质(SOM)含量是衡量土壤质量高低的重要指标,可以用高光谱快速测定。在以往研究中,估算模型多以特征波段与线性经验模型为基础进行构建,较少考虑波段间信息冗余和共线性,预测效果不很理想并难以进行推广。为最大化消除波段信息噪声,提高模型预测精度,选取莱州湾南岸滨海平原为研究区,系统采集了111个土壤样本和实测高光谱数据(325～1 075 nm),并测试了土壤样本的有机质含量作为因变量;通过主成分分析(PCA)将实测光谱信息降维为6个主成分,并提取水分、植被光谱特征指数(DI),以此作为自变量;最后建立多元逐步线性回归(MLR)和BP神经网络(BPN)预测模型,分析不同模型对土壤有机质预测的效果。结果表明：①经过主成分的波段信息分析判别提取出6个主成分,可以表征叶绿素残留物、盐分、腐殖酸、物化矿渣和微地貌的光谱特征。②基于6个主成分作为自变量所建立的BPN模型预测精度优于MLR模型,他们的R2分别为0.704和0.643。将水分和植被光谱特征指数作为自变量增加到预测模型后,MLR和BPN的预测精度分别提高了6.1%和5.2%,R2达到0.712和0.764;③将光谱主成分和光谱特征指数作为自变量的BPN模型进行土壤有机质预测可得到精度较高的预测结果,在土壤有机质的预测与制图中具有一定的应用潜力。     

高光谱成像砖红壤中石油烃含量的可视化研究

高光谱成像具有快速无损和图谱合一的特点,每个波段都会呈现一幅图像,每个像素点都显示一条光谱曲线,不仅可以获取样本的光谱信息,还可以表征物体的空间信息,目前在诸多领域展现出极大的应用价值。采用高光谱成像实现土壤中石油烃含量分布的可视化。制备不同石油烃含量的砖红壤样本,分为建模样本和预测样本。采集高光谱图像,为避免图像背景的干扰,采用掩膜的方法进行背景剔除。之后提取建模样本中感兴趣区域的平均光谱,采用连续投影算法筛选特征变量,基于提取的特征变量,一方面建立MLR预测模型,另一方面从预测样本中提取特征波段的高光谱图像。最后,将特征图像上像素点的数据代入模型,得到石油烃的含量分布情况。通过图像处理的方法,不同的含量赋予不同的颜色,实现砖红壤中石油烃含量分布的可视化。研究结果表明,采用高光谱成像与图像处理方法能够初步实现砖红壤中石油烃含量分布的可视化,为以后大范围地识别和反演土壤中石油烃含量提供了基础。