植物叶片可见与近红外光谱反射率数据库的建立与主成分分析

可见与近红外波段光谱反射率数据库是颜色科学与技术和遥感目标地物分类识别领域等研究与应用的基础数据。主成分分析(PCA)在光谱数据分析、光谱重建、高光谱数据降维以及遥感图像分类等方面有广泛应用。测量并建立了云南公园常见绿化植物柳树、樟、红花檵木、蓝花楹等48种植物150条叶片从可见光到近红外波段光谱反射率数据库,波长范围400～1 000 nm、间隔4 nm。并且分别对可见与可见到近红外两种波段范围进行PCA研究。结果表明：不同植物叶片按照红、绿、黄相同色相的光谱反射率曲线基本相似;但对于同一种植物,在可见光波段400～700 nm,因为体内叶绿素、叶黄素、叶红素和花青苷含量的不同,光谱反射率曲线有较大的差异;在近红外波段700～1 000 nm,所有植物叶片光谱反射率仅仅是大小不同,而同一植物光谱反射率基本不随波长变化。PCA分析表明：在可见光和可见与近红外波段前三个主成分的累积贡献率分别达到98.62%和94.97%。数据库及其PCA分析结果将为自然物体光谱重建、多光谱成像技术和遥感目标地物分类识别等领域应用提供支撑。     

半干旱采煤塌陷不同应力区典型植物高光谱特征分析

利用高光谱反演、监测植被生长状况的基础是光谱特征识别。以半干旱采煤塌陷区为样地，利用Field Spec 3地物光谱仪与SPAD-502叶绿素仪同步采集采煤地表塌陷形成的不同应力区(非采区、中性区、拉伸区、压缩区)典型植物叶片光谱反射率与叶绿素含量(SPAD值)，分析典型植物相同应力区SPAD值升高其光谱特征的变化，对比不同应力区典型植物SPAD值较高与较低时光谱特征的差异，并借助Matlab软件深入研究不同应力区典型植物SPAD值与差值指数、归一化指数的相关关系。结果表明：(1)不同应力区同种植物光谱曲线随着SPAD值不同变化规律相异，可见光波段区分明显，其余波段受应力影响的区域样本SPAD值不同，反射率比非采区波动更为剧烈与无序。可见光波段，糙隐子草、柠条、杨树、油蒿SPAD值低的样本光谱曲线绿峰缺失，SPAD值升高，绿峰出现但位置红移，SPAD值高于30时，为典型植被光谱曲线，油松样本SPAD值越高反射峰值越小；受应力影响的区域SPAD值低的样本谷、峰、边特征参数缺失更多，光谱变化规律不强。(2)400～700 nm波段，不同应力区糙隐子草、油蒿、油松、柠条样本SPAD值较低组反射率显著高于较高组，杨树样本相反；780～1 350 nm波段，拉伸区的糙隐子草、非采区的油蒿和柠条、压缩区的油松和杨树样本SPAD值较高组与较低组的反射率差异小；相较于非采区，受应力影响的糙隐子草、油蒿、柠条样本在所测波段SPAD值较高组与较低组的同波段反射率差值显著减小。(3)受应力影响的区域样本SPAD值与光谱指数相关性较之非采区在某些波段大面积增强。与非采区相比，中性区的油蒿、油松、柠条、杨树样本SPAD值与光谱指数的最大相关系数值均增大，糙隐子草相反；非采区植物SPAD值与NDVI最大相关系数均高于DI，波段组合多位于近红外，受应力影响区域的样本最大相关系数多数位于可见光波段。本研究为矿区不同应力区典型植物高光谱波段识别与植物健康状态监测、矿区生态环境精准治理提供了理论支撑。     

琅琊山景区不同指标浓度下水质光谱差异分析

高光谱技术已广泛运用于水质检测领域。探讨不同指标浓度下水质光谱变化规律及其光谱特征,能够为水质指标遥感光谱精准识别与定量提取提供理论基础。选取琅琊山景区不同水体景观共47个典型站位进行水质指标与光谱同步测量,提取每个检测点的7个水质指标及350~950 nm波段,探讨不同浓度水质指标光谱特征变化规律,分析水质指标与光谱反射率、反射率一阶微分、任意两波段反射率比值及差值之间的关系。结果表明： 各水质指标光谱曲线变化趋势一致,但各有差异,区分度最大的波段在可见光范围;不同盐度、溶解性总固体、电导率含量的水质光谱曲线变化较为接近,含量最高的样本光谱反射率最高,且变化最显著;浊度含量较高的水质样本光谱反射率变化较显著,700~950 nm波段不同浊度含量的水质样本光谱反射率区分不明显;溶解氧浓度为4~4.9 mg·L-1的水质光谱反射率在350~900 nm波段内明显低于其余样本;在350~380 nm波段范围,光谱反射率不随叶绿素含量变化而变化,叶绿素含量接近0的样本在400~950 nm波段低于其余样本;不同蓝绿藻藻蓝蛋白含量的样本光谱曲线相比其余水质指标在350~730 nm波段变化较大,交叉点较多。此外,水质指标与原始光谱反射率相关性较低,光谱一阶微分、差值指数、比值指数与各水质指标相关性整体有所提升。该研究可为水质高光谱遥感检测提供一定的理论基础。     

文物红色系颜料高光谱识别指数研究

红色系矿物颜料曾被艺术家们大量地使用在古画和古建筑上。正确地识别出不同种类的红色系颜料对于文物监测与修复具有重要意义。传统的颜料识别主要依靠化学分析,不仅识别速度慢、识别范围小,而且对文物进行取样操作会造成文物的永久损伤。高光谱技术对颜料进行无损识别可以很好地解决这些问题。选用辰砂、胭脂、银朱、朱膘、朱砂、赭石、赭粉、铁红、土红、西洋红10种红色系矿物颜料作为研究对象,使用地物光谱仪在暗室中获取这10种红色系颜料在350～2 500 nm波段内的高光谱数据原始数字（DN）影像,经反射率校正,得到可直接用于光谱分析的反射率数据及光谱曲线。基于10种红色系颜料不同的光谱曲线特性,分两步筛选获取被区分颜料即目标颜料的光谱特征波段。取目标颜料光谱曲线的极值点作为特征波段,可以筛选得到目标颜料的初选光谱特征波段。将其余9种颜料在初选光谱特征波段上对应的反射率与目标颜料在此波段上的反射率做差,对于差值,筛去离群值后求平方和,不同波段对应不同的差值平方和,选取差值平方和较大的前4个波段作为优选后的光谱特征波段。基于归一化光谱指数模型公式[NDSI=（R_a-R_b）/（R_a+R_b）,R_a和R_b分别为目标颜料在光谱特征波段a和b处的反射率值]对10种红色系颜料分别构建归一化光谱指数,将目标颜料与其余9种红色系颜料在同一光谱特征波段处计算得到的光谱指数进行对比分析,计算目标颜料光谱指数与其余颜料光谱指数的区分度,以此作为评价区分效果的指标。对于最终优选出的4个光谱特征波段,可构建6个归一化光谱指数,选择最小区分度最大的归一化光谱指数作为目标颜料的光谱特征指数。研究结果显示,在通过各自的光谱特征指数进行区分时,每种目标颜料与其他颜料的最小区分度都保持在0.7以上（大于0.5可认为区分明显）,说明上述方法可以对各红色系颜料进行准确区分,对于文物颜料的快速准确识别具有实践意义。     

有冰海区油膜光谱特征研究

近些年有冰海区石油的勘探、开发以及运输频度逐年上升,这增加了冰区溢油发生的风险。试验通过测量海水、碎冰、整冰等不同背景条件下轻柴油和原油油膜的可见光-近红外光谱反射率曲线,并与洁净的海水、碎冰和平整冰光谱曲线进行比较,得到能够有效识别冰区溢油的波段。测量结果表明：同一油种在不同背景下油膜的光谱反射率曲线有所差异,同一油种同一背景下由于分布形态不同光谱反射率曲线也有所差异。但同一油种的油膜仍呈现出许多区别于背景的共同特征：以海水、碎冰或整冰为背景的轻柴油油膜的光谱反射率曲线呈现“先低后高”、部分“相伴而行”的特点;海水、碎冰和整冰中原油油膜的光谱反射率曲线在750～770 nm区间出现楔状反射峰的典型特点。根据以上特点可以将溢油污染海水/海冰与洁净海水/海冰很好的区分开来,从而为遥感监测冰区溢油时的波段选择和溢油识别提供参考和依据。     

基于光谱分析与角度斜率指数的植被含水量研究

植被含水量是植被生长状态的重要指示因子,是农业、生态和水文等研究中的重要参数,其诊断对于监测自然植被群落的干旱状况、预报森林火灾等都具有重要意义。通过对植被光谱反射率与植被含水量的相关性分析,发现植被波谱不同波段的光谱反射率与植被含水量的相关性差异很大,其中可见光红光波段(620～700 nm)、近红外波段(800～1 350, 1 600～1 950, 2 200～2 400 nm)的光谱反射率与植被含水量具有较好的相关性,选取了660,850,1 630和2 200 nm的光谱反射率作为RED,NIR,SWIR1和SWIR2的波段值来建立角度斜率指数;分析了植被含水量与角度斜率指数的关系,将角度斜率指数(SANI,SASI,ANIR)作为反演植被含水量的参量,建立植被含水量与角度斜率指数之间线性回归模型。通过对近红外角度指数ANIR改进,提出了近红外角度归一化指数NANI(near infrared angle normalized index)与近红外角度斜率指数NASI(near infrared angle slope index),建立植被含水量与NANI和NASI之间线性回归模型,结果显示：NANI与Palacios-Orueta等提出的角度斜率指数(SANI,SASI,ANIR)相比有一定的优势,模型可决系数R2从原最高0.791提高到0.853,RMSE也从原最小0.047降低到0.039。确定了NANI为反演植被含水量的最佳角度斜率指数,并建立了植被含水量反演模型。该研究主要创新点：在前人研究成果基础上,通过对原角度斜率指数的改进,提出了NANI和NASI角度斜率指数,使其在植被含水量反演上具有更高的精度。     

琅琊山景区不同叶绿素条件下树种叶片光谱差异分析

叶绿素含量高低反映植物健康状况,研究景区树种叶片叶绿素绝对值(SPAD)不同的光谱变化规律能为叶绿素高光谱监测波段识别与景区树种管理提供理论支撑。从琅琊山景区灌木和乔木类选取9个常见树种,探讨相同树种叶片SPAD值变化时的光谱差异,同时,横向对比相同SPAD值不同树种叶片的光谱特征,并深入分析不同树种叶片SPAD值与单波段原始光谱、光谱倒数、一阶微分、二阶微分及波段组合差值指数、归一化指数、比值指数、一阶微分归一化指数、一阶微分比值指数之间的关系。结果表明：9个所测树种叶片随着叶绿素SPAD值的升高,光谱变化规律各不相同,在可见光波段区分明显,总体上,光谱反射率最高的样本组SPAD值较低;叶绿素SPAD值相同时,在可见光波段,桂花较其余树种反射率整体较高; 在780~1 350 nm波段,广玉兰叶片反射率始终排前三,其余波段变化规律不明显;原始光谱反射率的二阶微分与海桐叶片SPAD值相关系数最大,一阶微分与其余8种相关性最高;与灌木、落叶乔木叶片SPAD值相关系数最大的光谱指数分别为差值指数、一阶微分归一化指数,与常绿乔木、不分树种相关系数最大的为一阶微分比值指数。     

玉米叶片的光谱响应及其氮素含量预测研究

以不同施肥水平下两年玉米田间试验为基础,利用高光谱技术探讨大喇叭口期不同层次玉米叶片光谱响应的敏感区域,并依据叶片氮素含量与原始光谱反射率及其一阶导数的相关性,最终构建了叶片氮素含量的预测模型。结果表明：不同施肥水平下叶片光谱反射率差别明显区域集中在550 nm附近波段、761～1 300 nm波段,不同层次间叶片光谱反射率差别明显区域集中在550 nm附近波段,叶片氮素含量与470～760 nm波段光谱反射率及其一阶导数呈极显著相关。经过对比筛选,以光谱指数DSI(564,681)和DSI(681,707)构建的指数预测模型效果最好,预测精度达93.43%和93.39%,能有效估测叶片氮素含量。     

基于PHI影像敏感波段组合的冬小麦条锈病遥感监测研究

利用ASD地面非成像光谱仪对不同严重度的冬小麦条锈病的冠层光谱反射率进行测定,同时调查病情指数。通过对地面实测的46组病情指数与相应的光谱反射率进行相关性分析,筛选出了小麦条锈病在350～1 500 nm的敏感波段。结合多时相的高光谱航空飞行遥感图像数据的特点和规律,最终选择红波段的620～718 nm与近红外波段的770～805 nm为条锈病在PHI影像上的敏感波段。并利用620～718 nm和770～805 nm的平均光谱反射率与相应的病情指数建立了多元线性回归模型:DI=19.241 R_1—2.207 R_2+12.274,验证结果表明,该模型的历史拟合度很好。并利用此模型最终在PHI影像上成功的实现了对冬小麦条锈病发生程度与发生范围的监测。     

叶片滞尘对大叶黄杨光谱特征的影响及其滞尘量预测研究

大气颗粒物污染在全球范围内已成为严重的城市环境问题之一。为探究滞尘对叶片光谱特征的影响,并建立以高光谱数据为基础的叶面滞尘预测模型。以北京市常见绿化树种(大叶黄杨)为研究对象,设置高、中、低滞尘污染梯度,采集720个叶片样本,利用ASD Fildsoec Handheld光谱仪获取高光谱数据。结果表明:光谱反射峰分别在560和900 nm处,吸收谷分别在400～500, 600～700和1 000～1 050 nm范围内;有无滞尘的叶片反射率在不同波段表现出不同的规律,在400～760和760～1 100 nm范围内的光谱反射率大小分别表现为滞尘叶片除尘叶片、滞尘叶片除尘叶片;滞尘与除尘叶片在植被光谱曲线上的差异性较明显, 350～700和1 900～2 500 nm波段,滞尘叶片的光谱反射率略高于除尘叶片,而在780～1 400 nm范围内,滞尘叶片光谱反射率则显著低于除尘叶片,差异性表现为:重度污染区中度污染区轻度污染区;反射率在可见光波段(350～780 nm)随叶面滞尘量的增加而增大,而近红外波段(780～1 100 nm)的变化趋势则相反;粉尘对叶片的红边斜率影响较大,表现为滞尘叶片无尘叶片,而对红边位置没有显著影响。叶面滞尘量预测模型中,以叶面水含量指数、简单比值指数建立的二次多项式预测模型效果最好,分别为y=-1.18x~2+0.542 4x+0.991 7,y=-7.67x~2+3.692 4x+0.371 4。模型验证表明,R~2分别达到0.987 7和0.887 3,拟合效果较好,说明预测模型可有效地估测大叶黄杨叶面滞尘量。     

基于可见-近红外和热红外光谱联合分析的煤和矸石分类方法研究

煤与矸石是矿山采煤过程中主要固体堆放物,对其进行遥感动态监测是矿山环境保护的重要需求。由于煤与部分矸石存在“异物同谱”现象,在使用传统的可见-近红外遥感分类时,往往将部分矸石划分为煤,导致遥感分类精度降低。首先对铁法矿区的12个煤样本和115个矸石样本进行可见-近红外光谱测试,发现绝大部分矸石样品的光谱与煤差异很大,二者易于区分,但有部分矸石与煤样本存在“异物同谱”现象。为进一步对矸石与煤区分,测试了混分样本的热红外光谱,发现二者存在明显的光谱差异,利用热红外光谱特征可以将其区分开来。在此基础上,提出了基于可见-近红外和热红外光谱联合分析的煤与矸石区分方法。该方法首先对所有样本进行可见-近红外光谱测试,利用Mao模型进行第一步分类识别;其次对煤与矸石混分的样品进行热红外光谱测试,利用光谱吸收比率SAR作为判别指标进行第二步分类,两步的分类结果为最终分类结果。该方法在铁法、兖州、神东和木里矿区的验证结果表明,其具有很高的分类准确率,效果远好于单独基于可见-近红外光谱特征的分类方法。研究结果表明,利用多种光谱联合分析的方法可以解决单波段存在的“异物同谱”现象,对于地物遥感分类具有重要的借鉴意义。     

C-Fe谱线干扰修正对飞灰含碳量LIBS测量的影响

在燃煤电厂,飞灰含碳量是直接反映锅炉燃烧效率的重要指标,控制含碳量水平和低氮燃烧之间的平衡要求实现含碳量的在线(或快速)检测。将激光诱导击穿光谱技术应用于飞灰含碳量的快速测量,针对测量中248 nm附近的C和Fe谱线干扰问题,提出了利用Fe谱线修正的方法以提取重叠峰中C谱线的积分强度,对比分析了Fe 248.33 nm, Fe 254.60 nm和 Fe 272.36 nm谱线分别作为Fe 247.98 nm的修正谱线时提取的C修正积分强度对飞灰含碳量定标曲线和未知样品重复测量精确度的影响。研究结果表明,对C和Fe谱线干扰进行强度修正可以提高含碳量定标曲线的拟合度,并且可以显著改善低含碳量样品重复测量的精确度。但同时需要注意用于修正的Fe谱线的合理选取,防止在对低含碳量样品中C谱线强度的过度修正。从定标曲线和重复测量精确度总体评价而言,Fe 254.60 nm谱线最适用于LIBS测量飞灰含碳量时的C和Fe谱线干扰的修正。     

高光谱成像的煤与矸石分类

煤与矸石分选是煤矿生产的必要工序,现有的人工分选与机械分选,存在效率低,易造成资源浪费以及环境污染等问题。鉴于可见/近红外高光谱成像具有分析速度快、样品无需预处理、无污染等诸多优势,旨在探讨基于可见/近红外高光谱成像对黑色背景下块状煤与矸石准确分类的可行性,并基于特征波长筛选算法简化模型,为构建多光谱煤与矸石分选系统提供理论参考。首先,搭建高光谱成像系统并采集山西西铭矿的85个煤样本与83个矸石样本在400～1 000 nm（Vis/NIR）与1 000～2 500 nm（NIR）两个范围内的高光谱图像,基于图像处理方法去除背景信息,选取Vis/NIR范围内100×100像素和NIR范围内50×50像素区域内的平均光谱作为该样本在对应波段范围的一条光谱,重复10次,最终在两个波段各获得煤与矸石光谱850条和830条。其次,对光谱先后进行Savitzky-Golay卷积平滑和标准正态变量变换,以减少噪音和误差对光谱的影响。基于全波段光谱建立支持向量机（SVM）,k近邻法（KNN）,偏最小二乘判别分析（PLS-DA）三种模型,每个模型针对预测集的分类准确度均大于0.95,结果表明,基于煤和矸石的光谱信息可将二者区分。随后根据竞争性自适应重加权算法（CARS）和连续投影算法（SPA）选择的特征波长建立简化模型,综合考虑精度与成本等因素,在Vis/NIR范围内基于SPA筛选的3个特征波长所建立的SVM模型效果最好,不仅能有效减少波长数量,还能提高模型的分类效果,对应的灵敏度,特异度,准确度分别为1,0.965 2,0.983 3。基于判别模型与样本的平均光谱还可实现煤和矸石的分类可视化。研究结果对开发基于特征波长的低成本煤和矸石多光谱分选系统,实现煤矸快速、准确的无损检测具有借鉴意义。     

Characterization of Synthetic-Coal Char Particles using fractal dimension analysis

The development and change of surface ruggedness in chars was studied at conditions typical in a pulverized coal furnace. The fractal dimension, a measure of surface ruggedness, of chars was measured using physisorption techniques. By adjusting the temperature encountered (1173 to 1773 K) and residence time (0.1 to 1.5 s) of the synthetic coal (sized to 46–106 μm diameter), chars at different stages of combustion were prepared in a laminar flow (drop-tube) furnace. The particles were quickly cooled and quenched in an inert atmosphere. The samples were examined using a scanning electron microprobe, and their fractal dimensions were determined using gas physisorption. The adsorption data were used to test if the char surface was fractal on a molecular scale, to determine the fractal dimension, and to quantify changes in the fractal dimension during combustion. The fractal dimension of the unburned synthetic coal was approximately 2. The fractal dimension increased as high as 2.85 as the carbon matrix burned away and exposed mineral moieties. However, as combustion continued the carbon burned completely away leaving a mineral fly ash particle with a fractal dimension as low as 2.47.     

典型块状煤的可见-近红外光谱特征研究

因可见-近红外波段反射光谱测试方便,仪器成本较低,适用于在线分析,为此针对煤在可见-近红外波段的反射光谱曲线特征规律及其产生机理进行了研究分析。从晋、鲁、宁、吉地区煤矿收集了无烟煤、烟煤、褐煤三大类型中的12种典型煤样,按煤阶从高到低具体包括无烟煤一号、无烟煤二号、贫煤、贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、气肥煤、气煤、褐煤一号、褐煤二号,在实验室利用地物光谱仪采集了块状煤样在可见-近红外波段的反射光谱曲线。通过对光谱曲线特征分析,发现无烟煤的反射光谱曲线整体上趋于水平方向,吸收谷特征不明显,随煤阶的降低,光谱反射率、近红外波段光谱斜率整体上呈增加趋势,较明显的吸收谷特征增多且吸收强度增加,有13个较明显的吸收谷特征波段。通过X射线衍射分析（XRD）测定了煤样的碳材料结构和矿物成分,煤非晶质性分子结构的芳构化趋势对煤阶升高时光谱反射率降低、反射曲线趋于平缓起到主要作用。当煤阶降低时,以脂肪侧链为主的有机吸收基团的中红外波段基频在近红外波段的倍频和合频产生众多吸收叠加,绝大多数吸收谷特征不明显,相对较为明显的吸收谷产生在1 700和2 300 nm附近。同时含Fe等过渡金属的矿物、H₂O、粘土矿物等无机物成分也是煤反射光谱曲线吸收谷特征增多的因素。通过对实验煤样X射线荧光分析（XRF）和工业分析测定了煤样中Fe和Al等矿物元素成分含量和空气干燥基水分、灰分、挥发分、固定碳含量,得出煤反射光谱曲线的近红外波段光谱斜率与挥发分产率、固定碳含量分别呈正、负相关性。H₂O谱带吸收深度之和与内在水分含量线性相关性较好,Fe和Al含量与相关波段吸收谷深度之和基本呈线性关系,而主要由有机基团倍频和合频所产生的1 700和2 300 nm附近两处吸收谷深度之和与挥发分产率线性相关性较差。获得典型块状煤种的可见-近红外波段反射光谱特征,为煤矿区高光谱遥感以及煤光谱数据库的建立提供依据,也为直接利用可见-近红外波段的反射光谱曲线波形特征快速、低成本、定性地识别煤种类提供参考;同时对煤矿用煤炭探测光谱传感器的研制具有重要意义。     

In-cylinder temperature field measurement with laser shearing interferometry for spark ignition engines

The temperature field in combustion chamber of spark ignition engine is measured using laser shearing interferometry and high-speed photography in this paper. A set of experimental facility is set up. The relationship equation between the interference fringe image and temperature distribution is deduced. Changing the shearing interferometry quantity, the two-dimensional temperature field of engine combustion chamber and flame propagation can be measured quantitatively by image processing. The test results indicate that the shearing interferometric method has a strong vibration resistance, and a simple and reliable optical path. The temperature distribution and the temperature gradient are different in different zones. The temperature is highest in the burning zone and the temperature gradient is large. The temperature is lower in the burned zone and the temperature gradient is smaller. The temperature is lowest in the unburned zone but the temperature gradient is large. At the initial period of combustion, the flame propagation velocity is low. In the combustion process, the flame front in the approximate spherical shape pushes toward the unburned zone, and the flame propagation velocity starts to decrease. It rapidly increases until it reaches the maximum value as the combustion process going on, and then it gradually decreases until it has burned in the entire combustion chamber.     

The role of porosity in char combustion

A detailed study has been conducted on the nature of porosity developed during the combustion of chars prepared from different coals, and how this relates to the apparent reactivity of the char towards oxygen. An Illinois No. 6 coal char and a Wyodak coal char have been examined in both Zone I and Zone II conditions (intrinsic rate control and diffusional mass transfer zones, respectively). These results strongly suggest that there exists some amount of free volume in a char that has not been burned off. Such an unburned char does not reveal much porosity when standard nitrogen adsorption is applied, but rapidly develops such porosity upon burnoff. The free volume opens, but is not truly accessible to reactant gases. It appears likely, based upon the present results, that the only truly available surface for reaction exists in pores larger than 10–15 Å.     

冬枣光谱数据的灰色关联分析及叶片氮素含量预测

采用灰色理论对冬枣叶片氮素含量和光谱反射率之间进行了灰度关联分析,分析结果显示波长560,678以及786 nm处的光谱反射率(G560,R678,NIR786)与冬枣叶片氮素含量之间的灰色关联度最高。利用上述三个特征波段光谱反射率计算得到的植被指数共计9个。进一步运用灰色系统理论分析了九种植被指数与叶片氮素含量的灰色关联度,结果显示：归一化植被指数(NDVI)、绿色比值植被指数(GRVI)、归一化差异绿度植被指数(NDGI)、绿色归一化植被指数(GNDVI)和组合归一化植被指数(CNDVI)等5个指数与叶片氮素含量的灰色关联度较高。利用3个特征波段的光谱反射率和5个关联度较高的植被指数,分别采用最小二乘支持向量机(LS-SVM)以及GM(1,N)模型建立了冬枣叶片氮素含量预测模型。结果表明,采用特征波段光谱反射率(G560,R678,NIR786)建立的冬枣叶片氮素含量GM(1,N)模型的精度最高,预测R2达0.928,验证R2达0.896。     

基于XGBoost与可见-近红外光谱的煤矸识别方法

煤矸智能识别是实现综放开采智能化亟待研发的新技术;可见-近红外光谱技术具有环保、实时等优势,满足煤矸智能分选的要求。为解决基于可见-近红外光谱的煤矸识别问题,引入在数据科学竞赛中表现出色的极端梯度提升树（XGBoost）算法。搭建可见-近红外光谱实验平台采集来自山西西铭、陕西神木、内蒙古巴隆图煤矿的块状煤与矸石样品在370～1 049 nm波段的反射光谱;利用黑白校正、始末波段去除、SG卷积平滑和标准正态变量变换（SNV）对采集的原始光谱进行预处理,以减少光照不均、噪声以及光程差的影响。依据三个煤矿煤与矸石样品反射光谱的差异划分实验组和测试组,实验组差异微小,用于对比不同模型的性能,挑选最佳算法;测试组差异较明显,用于测试最佳算法在其他煤矿下的表现,检验算法对不同煤矿的适用性。在实验组的实验中,首先基于XGBoost算法建立煤与矸石分类模型,并引入常用的机器学习分类算法k近邻法（KNN）、随机森林（RF）、支持向量机（SVM）做对比,结果表明XGBoost的表现最佳,十折交叉验证的平均准确度（ACC₁₀）、分类准确度（ACC）与AUC值分别达到0.957 2,0.970 5与0.971 6,体现出较强的稳定性与分类能力。其次为降低数据维度减少模型运算量,使用递归特征选择（RFE）、连续投影算法（SPA）与竞争性自适应重加权算法（CARS）分别进行特征波长的选择并与上述四种分类算法结合构建简化分类模型,经测试RFE与XGBoost组合的简化模型表现最佳,ACC₁₀,ACC与AUC值分别为0.965 7,0.980 3与0.980 3且数据维度降至9,在降低数据维度的同时提高了模型的稳定性与分类能力。在测试组的实验中,基于优选出的XGBoost与RFE-XGB算法建立的模型,同样可以实现对其他矿区煤与矸石稳定精确地识别,且简化模型表现更好,与实验组结果一致。     

Numerical simulation of premixed combustion using an enriched finite element method

In this paper we present a novel discretization technique for the simulation of premixed combustion based on a locally enriched finite element method (FEM). Use is made of the G-function approach to premixed combustion in which the domain is divided into two parts, one part containing the burned and another containing the unburned gases. A level-set or G-function is used to define the flame interface separating burned from unburned gases. The eXtended finite element method (X-FEM) is employed, which allows for velocity and pressure fields that are discontinuous across the flame interface. Lagrange multipliers are used to enforce the correct essential interface conditions in the form of jump conditions across the embedded flame interface. A persisting problem with the use of Lagrange multipliers in X-FEM has been the discretization of the Lagrange multipliers. In this paper the distributed Lagrange multiplier technique is adopted. We will provide results from a spatial convergence analysis showing good convergence. However, a small modification of the interface is required to ensure a unique solution. Finally, results are presented from the application of the method to the problems of moving flame fronts, the Darrieus–Landau instability and a piloted Bunsen burner flame.