基于可见-近红外光谱分析的植株叶片病害光谱识别研究

利用光谱反射率差异区分健康植株与患病植株,通过基于光谱特性研究提前获知病情,在最关键的潜伏未表征早期进行防治。试验选用万寿菊幼苗作为研究对象,采用人工接种一定数量的黑斑病孢子在其叶片上,并对不同染病对照组开展黑斑病侵染的监测试验。首先利用SG卷积求导法与多元散射校正法的不同组合对原始光谱数据进行预处理,然后利用主成分分析法(PCA)对各对照组万寿菊进行聚类分析,并根据主成分分析结果中各个最佳主成分对应的载荷图,提取对各对照组万寿菊识别敏感的特征波长,最后以特征波长为输入变量,用簇类的独立软模式(SIMCA)分类法对各对照组万寿菊黑斑病害进行识别,精确度达到98%以上。     

基于可见-近红外光谱分析的圆白菜与杂草识别研究

杂草的自动识别是实现作物草害精准施药的基础。利用ASD光谱仪采集两个品种的圆白菜及稗草、狗尾草、马唐、牛筋草和小藜等五种杂草在350～2 500nm波段内的冠层光谱反射率。根据光谱曲线特征,在不同波段内对数据进行不同程度的压缩,以提高运算效率;利用不同参数设置的Savitzky-Golay(SG)卷积平滑求导和多元散射校正方法(MSC)的不同顺序组合对光谱去噪,然后结合主成分分析法(PCA)提取主成分,建立模型,最后利用簇类的独立软模式(SIMCA)分类法对各种植物进行分类,并比较分类结果。试验结果显示利用MSC与3阶5次21点SG相结合的方法对光谱数据预处理后,运用PCA提取前10个主成分作为分类模型的输入变量,取得了100%的分类正确率,能够快速无损地识别圆白菜与几种常见杂草。     

高光谱图像和叶绿素含量的水稻纹枯病早期检测识别

基于高光谱成像技术和化学计量方法,实现了对水稻纹枯病病害的早期检测识别。以幼苗时期的水稻植株为研究对象,对其进行纹枯病病菌侵染,获得染病植株,采集358～1 021 nm波段范围的高光谱图像,三次实验共240个样本,包括染病植株120个样本和健康植株120个样本。根据高光谱图像的光谱维,对染病水稻叶片和健康水稻叶片提取感兴趣区域（ROI）,利用感兴趣区域的光谱数据,对其进行Savitzky-Golay（SG）平滑、Savitzky-Golay（SG）一阶求导、Savitzky-Golay（SG）二阶求导、变量标准化（SNV）和多元散射校正（MSC）预处理,建立线性判别分析（LDA）和支持向量机（SVM）分类模型,结果表明：采用SG二阶求导预处理后的线性判别分析（LDA）模型取得了较好的性能,正确识别率在建模集达98.3%,在预测集达95%;利用载荷系数法（x-loading weights, x-LW）对原始光谱和5种预处理的光谱数据进行特征波长提取,然后根据选取的特征波长建立线性判别分析（LDA）和支持向量机（SVM）分类模型,其中采用SG二阶求导预处理后提取的12个特征波长的线性判别分析（LDA）模型取得了较好的性能,其正确识别率在建模集达97.8%,在预测集达95%,而且基于载荷系数法建立的模型性能与全波段相当,可以通过载荷系数法减少数据量对水稻纹枯病病害进行识别;根据高光谱图像的图像维,研究了基于图像主成分分析、基于概率滤波和基于二阶概率滤波的图像特征提取方法,利用提取的特征变量建立反向传播神经网络(BPNN)和支持向量机（SVM）分类模型,其中基于图像主成分分析的反向传播神经网络（BPNN）模型取得了较好的性能,建模集准确识别率达90.6%,预测集的准确识别率达83.3%;根据高光谱图像光谱维和图像维的最优模型,特将叶绿素含量作为建模的另一个特征,分别与光谱特征、图像特征组合,建立反向传播神经网络（BPNN）和线性判别分析（LDA）模型,提出基于光谱特征加叶绿素含量、图像特征加叶绿素含量和光谱、图像特征加叶绿素含量三种组合方式,其中,光谱特征和图像特征分别与叶绿素组合的方式比之前单独的光谱和图像特征建模性能都有所提升,而且三种组合方式中光谱特征加叶绿素含量的反向传播神经网络（BPNN）建模方式取得本研究所有建模方式中较优的性能,其准确识别率在建模集达100%,在预测集达96.7%。以上研究表明,基于高光谱图像和叶绿素含量对水稻纹枯病病害进行早期识别是可行的,为水稻病害的早期识别提供了一种新方法。     

高光谱成像的油菜和杂草分类方法

利用高光谱成像技术结合化学计量学方法对油菜中的杂草进行分类识别。采用近红外高光谱技术,通过正态变量变换(SNV)、去趋势化(De-trending)、多元散射校正(MSC)、移动平均平滑法(MA)、多项式卷积平滑法(SG)、基线校正(baseline)及归一化(normalize)算法对光谱数据进行预处理,采用主成分载荷(PCA loadings)、载荷系数法(x-LW)、回归系数法(RC)、连续投影算法(SPA)分别进行特征波长提取,采用偏最小二乘判别分析(PLS-DA)、极限学习机(ELM)和支持向量机(SVM)建立分类模型。结果表明,基于De-trending 预处理,通过PCA loadings,x-loading weights及SPA特征波长提取方法,基于极限学习机ELM算法建立的模型取得了最优的分类效果,建模集和预测集的分类精度均达到100%,另引入平均分类精度的指标,发现不同试验时间下,模型分类精度变化不大,表明应用近红外高光谱成像技术对油菜和杂草进行分类是可行的。     

PCA-BP模型在判别基于LIF技术煤矿突水水源的应用

防治煤矿突水时需迅速精准地判别突水水源,激光诱导荧光(LIF)光谱技术具有灵敏度高、快速准确监测特点,为检测突水水源提供了一种新的方法。该研究引入该技术以获取突水荧光光谱数据。采用卷积(SG)平滑和多元散射校正(MSC)方法对光谱图进行预处理,以消除光谱采集过程中噪声干扰。采用主成分分析(PCA)方法提取特征信息,针对SG预处理后的数据,当主成分个数为3时,累积贡献率可达到99.76%,已基本保留原数据的全信息。选择3层结构BP神经网络建立分类判别模型,通过不同方式构造训练集和测试集,SG预处理数据构建的分类模型可以达到精准判别,而对于MSC预处理和原始数据出现很少的误判。实验结果表明SG预处理结果要优于MSC预处理。研究结果表明,将PCA和BP神经网络结合建立分类模型,能有效判别煤矿突水水源,且具有较强的自组织、自学习能力。     

PCA-BP模型在判别基于LIF技术煤矿突水水源的应用（英文）

防治煤矿突水时需迅速精准地判别突水水源,激光诱导荧光(LIF)光谱技术具有灵敏度高、快速准确监测特点,为检测突水水源提供了一种新的方法。该研究引入该技术以获取突水荧光光谱数据。采用卷积(SG)平滑和多元散射校正(MSC)方法对光谱图进行预处理,以消除光谱采集过程中噪声干扰。采用主成分分析(PCA)方法提取特征信息,针对SG预处理后的数据,当主成分个数为3时,累积贡献率可达到99.76%,已基本保留原数据的全信息。选择3层结构BP神经网络建立分类判别模型,通过不同方式构造训练集和测试集,SG预处理数据构建的分类模型可以达到精准判别,而对于MSC预处理和原始数据出现很少的误判。实验结果表明SG预处理结果要优于MSC预处理。研究结果表明,将PCA和BP神经网络结合建立分类模型,能有效判别煤矿突水水源,且具有较强的自组织、自学习能力。     

基于可见近红外光谱分析技术的马铃薯品种鉴别方法

基于可见-近红外光谱分析技术,提出了一种快速鉴别马铃薯品种的方法。以三种不同品种共计352个样本的马铃薯作为主要研究对象,随机将其分为建模集(307个样本)和预测集(45个样本)。对其中的建模集样品进行可见-近红外光谱分析,将获取的光谱图像通过多元散射校正(MSC)和窗口大小为9的Savitzky-Golay(S-G)一阶卷积求导方法预处理,消除颗粒大小、表面散射及光程变化对漫反射光谱影响,降低原始光谱曲线的随机噪声影响。然后用偏最小二乘法(PLS)对数据进行降维、压缩,使用主成分分析方法(PCA)获得的前4个主成分累计贡献率达到96%以上,并从前4个主成分图谱中提取20个吸收峰作为输入变量,经过试验,得到一个20(输入)-12(隐含)-3(输出)结构的3层BP神经网络。最后利用该模型对预测集样本进行品种鉴别,识别正确率达到100%。此方法能较为快速、准确地鉴别马铃薯的品种,为马铃薯品质检测与鉴别提供了新思路。     

PCA和SPA的近红外光谱识别白菜种子品种研究

为了实现对不同品种白菜种子的快速无损鉴别,应用近红外光谱技术获取白菜种子的光谱反射率,首先采用变量标准化校正和多元散射校正对原始光谱进行预处理;其次,采用主成分分析法(PCA)对光谱数据进行聚类分析,从定性分析的角度得到三种不同白菜种子的特征差异,并采用连续投影算法(SPA)选取特征波长;最后,分别基于全波段光谱、PCA分析得到的前3个主成分变量以及SPA算法选取的特征波长,建立了最小二乘支持向量机(LS-SVM)和偏最小二乘判别(PLS-DA)模型进行白菜种子不同品种的鉴别。从主成分PC1、PC2得分图中可以看出,主成分1和2对不同种类白菜种子具有很好的聚类作用。基于特征波长建立的PLS-DA和LS-SVM模型的判别结果优于基于主成分变量建立的模型,其中基于特征波长建立的LS-SVM模型识别效果最优,建模集和预测集的品种识别率均达到100%。结果表明,通过SPA算法选取的6个特征波长变量能够很好的反映光谱信息,提出的SPA算法结合LS-SVM预测模型能获得满意的分类结果,为白菜种子品种的识别提供了一种新方法。     

木材种类的近红外光谱和模式识别

木材的种类识别是木材加工和贸易的一个重要环节,传统的木材种类识别方法主要有显微检测法和木材纹理识别法,其操作繁琐,耗时长,成本高,不能满足当前需求。本研究利用木材的近红外光谱(NIRS)结合模式识别方法,以期实现木材种类的快速准确识别。采用近红外光谱结合主成分分析法(PCA)、偏最小二乘判别分析法(PLSDA)和簇类独立软模式法(SIMCA)三种模式识别对58种木材进行种类鉴别研究;5点平滑、标准正态变量变换(SNV)、多元散射校正(MSC)、Savitzky-Golay一阶导数(SG 1st-Der)和小波导数(WD)五种光谱预处理方法用于木材光谱的预处理;校正集和测试集样品的正确识别率(CRR)用于模型的评价。采用PCA方法,通过样品的前三个主成分空间分布图分辨木材种类的聚类情况。在建立PLSDA模型,原始光谱的正确识别率最高,分别为88.2%和88.2%;5点平滑处理的光谱校正集和测试集的CRR分别为88.1%和88.2%;SNV处理的光谱校正集和测试集的CRR分别为84.4%和84.5%;MSC处理的光谱校正集和测试集的CRR分别为83.1%和84.2%;SG 1st-Der处理的光谱校正集和测试集的CRR分别为81.8%和82.7%;WD(小波基为“Haar”,分解尺度为80)处理的光谱校正集和测试集的CRR分别为87.3%和87.2%。可知,在PLSDA模型中,木材光谱未经预处理种类识别效果最后好。在建立SIMCA模型过程中,原始光谱的校正集和测试集的CRR分别为99.7%和99.4%;5点平滑处理的光谱校正集和测试集的CRR分别为100%和100%;SNV处理的光谱校正集和测试集的CRR分别为99.5%和99.1%;MSC处理的光谱校正集和测试集的CRR分别为99.0%和98.4%;SG 1st-Der的光谱校正集和测试集的CRR分别为81.8%和82.7%;WD处理的光谱校正集和测试集的CRR分别为100%和100%。可知,在SIMCA模型中,木材光谱经平滑和小波导数处理后的识别效果最好,且光谱的校正集和测试集CRR都为100%。采用三种模式结合五种不同的预处理方法对木材近红外光谱进行定性建模识别时,由于木材样本属性复杂,主成分分布图相互交织,PCA无法识别出58种木材;原始光谱的PLSDA模型可以得到较好的判别模型,但校正集和测试集的CRR只有88.2%和88.2%;木材光谱经过5点平滑或WD预处理后的SIMCA模型可达到最好的识别效果,校正集和测试集的CRR均为100%,且WD-SIMCA模型因子数比5点平滑SIMCA模型小,模型更为简化,故WD-SIMCA为58种木材种类识别的最优模型。研究表明光谱预处理方法可以有效的提高木材种类识别精度,有监督模式识别方法SIMCA可以用来建立有效的木材识别模型,近红外光谱结合模式识别可以为木材种类的识别提供一种快速简便的分析方法。     

高光谱成像技术鉴别鱼新鲜度

采用高光谱成像技术对鱼新鲜度进行检测研究。首先,提取鱼样本感兴趣区域(region of interest, ROI)光谱,分别采用竞争性自适应重加权算法(CARS),连续投影算法(SPA)和遗传算法(GA)提取特征波长,三种算法分别得到57,31和66个特征变量,采用最小二乘支持向量机和SIMCA作为分类模型,将57,31和66个特征变量作为LS-SVM和SIMCA模型的输入变量建立分类模型,基于SPA-LS-SVM和CARS-LS-SVM模型预测集识别率分别达到了98%和96%,而采用SIMCA建立的模型取得了较差的预测结果,GA-SIMCA, SPA-SIMCA和CARS-SIMCA模型预测集识别率都只是达到了52%。结果表明,LS-SVM作为分类模型优于SIMCA模型,SPA和CARS选择的特征波长,不但可以简化模型,还可以提高模型的预测精度,采用高光谱成像技术可以有效检测鱼的新鲜度,并能准确检测出鱼不同冻融次数和冷冻时间。     

基于荧光光谱信息的绿色植物探测研究

针对农作物病、虫、草害化学防治时对靶变量施药以减少农药使用量、提高农药利用率的需求,本文研究了基于荧光光谱信息和主动光源方法在不同环境下探测绿色植物的方法.通过白色、蓝色和红色L ED主动光源照射样本,采集了白天室内自然光照、白天太阳直射、白天无太阳直射和夜晚黑暗环境四种场景下的绿色植物和非绿色植物样本光谱.首先基于多...     

近地高光谱成像技术对黑豆品种无损鉴别

基于近地高光谱成像技术结合化学计量学方法,实现了黑豆品种的鉴别。实验以三种不同颜色豆芯的黑豆为研究对象,采用高光谱成像系统采集380～1 030 nm波段范围的高光谱图像,提取高光谱图像中的样本感兴趣区域平均光谱信息作为样本的光谱进行分析,建立黑豆品种的判别分析模型。共采集180个黑豆样本的180条平均光谱曲线。剔除明显噪声部分之后以440～943 nm范围光谱为黑豆样本的光谱,采用多元散射校正(multiplicative scatter correction,MSC)对光谱曲线进行预处理。分别以全部光谱数据、主成分分析(principal component analysis,PCA)提取的光谱特征信息、小波分析(wavelet transform,WT)提取的光谱特征信息建立了偏最小二乘判别分析法(partial least squares discriminant analysis,PLS-DA),簇类独立模式识别法(soft independent modeling of class analogy,SIMCA),最邻近节点算法(K-nearest neighbor algorithm,KNN),支持向量机(support vector machine,SVM), 极限学习机(extreme learning machine,ELM)等判别分析模型。以全谱的判别分析模型中,ELM模型效果最优;以PCA提取的光谱特征信息建立的模型中,ELM模型也取得了最优的效果;以WT提取的光谱特征信息建立的模型中,ELM模型结识别效果最好,建模集和预测集识别正确率达到100%。在所有的判别分析模型中,WT-ELM模型取得了最优的识别效果。实验结果表明以高光谱成像技术对黑豆品种进行无损鉴别是可行的,且WT用于提取光谱特征信息以及ELM模型用于判别黑豆品种能取得较好的效果。     

基于光谱技术的双孢蘑菇新鲜度量化检测技术研究

双孢蘑菇质地柔嫩、营养丰富,具有很好的降血压、降血脂、消炎护肝等多种保健价值,其新鲜度是反映内外部品质的重要指标之一。目前双孢蘑菇新鲜度鉴别大多依据其外观品质变化（褐变）,缺乏精准的量化评价指标与方法,因此提出了以贮藏天数为新鲜度检测的量化指标,并利用近红外光谱技术对双孢蘑菇新鲜度进行检测分析。依据存储天数不同,将双孢蘑菇样本分为1~5组,每组40个样本,依次采集每组双孢蘑菇的近红外光谱数据。针对采集的原始光谱数据,首先选用卷积平滑滤波（SG）与多元散射校正（MSC）消除原始光谱噪声、基线平移以及光散射的影响,并选取399.81~999.81 nm的光谱波段作为数据处理范围;然后分别使用主成分分析（PCA）和连续投影算法（SPA）进行光谱降维和特征波长选择,继而建立极限学习机（ELM）分类模型;同时考虑到ELM模型中初始值对分类准确率影响较大,分别选用粒子群优化算法（PSO）、海鸥优化算法（SOA）对ELM中初始权值及阈值进行寻优,形成PSO-ELM,SOA-ELM优化组合分类模型;最后分别将全光谱、提取主成分以及所选的特征波长｛556.87,445.51,481.15,885.10,802.25,720.90,861.34,909.79,924.44,873.17 nm｝输入到分类模型中,建立不同输入、不同分类模型的双孢菇新鲜度检测模型。最终试验结果表明,当ELM为分类模型,以全光谱、主成分以及特征波长为输入时的预测精度分别为75%,95%,88%;以SPA优选特征波长作为输入的PSO-ELM、SOA-ELM分类模型训练集精度为96.25%,93.25%,预测集精度为92.5%,94%。可知,SPA波长选择算法可以有效降低光谱信息中存在的冗余信息,加快建模效率,同时海鸥优化算法能较好的优化ELM分类模型的初始参数,分类精度较ELM模型提高了6.8%,同时不产生过拟合现象。因此,利用光谱特征可以快速、准确无损的识别双孢蘑菇的新鲜度,研究结果为便携式双孢蘑菇新鲜度快速无损检测设备的开发提供了理论依据。     

基于高光谱技术融合图像信息的脱绒棉种品种分类检测研究

开展种子品种的识别研究是保证种子质量的重要手段。利用高光谱图像技术融合图像特征信息对脱绒棉种的品种进行判别分析。采集4个品种共240粒脱绒棉种样本的高光谱图像数据(400～1 000 nm),提取样本的光谱信息及长、宽、面积、圆形度、等12个形态特征。采用连续投影算法(SPA)选出11个特征波段作为输入结合偏最小二乘判别分析法(PLS-DA)、软独立模式识别法(SIMCA)、最邻近节点算法(KNN)、主成分分析结合线性判别(PCA-LDA)及二次判别(PCA-QDA)进行建模分析,得出PLS-DA建模集和预测集的总体识别率分别为93%和90%。利用图像信息进行建模分析,模型整体的识别率均不高,说明单独使用高光谱图像的形态特征进行分类效果不佳。将特征波段的光谱和形态特征信息进行融合作为输入,建立基于PLS-DA,SIMCA,KNN,PCA-LDA及PCA-QDA的信息融合模型,其精度均比基于光谱或形态信息模型高,其中PLS-DA模型识别效果最好,建模集和预测集总体识别率分别为98%和97%。表明融合高光谱图像的光谱与图像信息可以在少量波段情况下有效的提高脱绒棉种品种的分类检测精度。     

基于偏最小二乘法判别分析与随机森林算法的牛肝菌种类鉴别

牛肝菌作为一种著名的野生食用菌,具有较高的食用价值和经济价值。牛肝菌种类繁多,不易区分,建立一种有效、快速、可信的种类鉴别技术,可为牛肝菌提高品质提供一种方法。本研究采集云南不同地区7种野生牛肝菌共计683株,获取样品中红外光谱和紫外光谱,分析不同种类牛肝菌平均光谱图特征。基于多种预处理组合（SNV+SG,2D+MSC+SNV,1D+MSC+SNV+SG,MSC+2D）的单一光谱数据结合两种特征值提取法（PCA,LVs）构建了偏最小二乘法判别分析与随机森林算法并结合数据融合策略对牛肝菌进行种类鉴别,有一定的创新性。结果表明：（1）中红外光谱和紫外光谱的不同种类牛肝菌平均光谱吸收峰差异较小,吸光度具有细微差异。（2）合适的预处理可提高光谱数据信息,偏最小二乘法判别分析和随机森林算法模型的中红外光谱数据和紫外光谱数据最佳预处理组合为2D+MSC+SNV,SNV+SG,2D+MSC+SNV,1D+MSC+SNV+SG。（3）单一光谱模型中,中红外光谱模型优于紫外光谱模型,中红外光谱最佳预处理组合2D+MSC+SNV的偏最小二乘法判别分析模型正确率训练集99.78%,验证集99.12%;随机森林模型正确率训练集93.20%,验证集99%。（4）数据融合策略提高了分类正确率,低级融合的偏最小二乘法判别分析模型训练集和验证集正确率为100%,99.12%。随机森林模型训练集和验证集正确率为92.32%,99.14%。（5）随机森林算法中级数据融合Latent variable（LVs）正确率为训练集92.76%,验证集96.04%;中级数据融合Principal components analysis（CPA）正确率为训练集97.15%,验证集100%。（6）偏最小二乘法判别分析中级数据融合（LVs）正确率为训练集100%,验证集99.56%;中级数据融合（CPA）训练集和验证集正确率均能达到100%。基于偏最小二乘法判别分析和随机森林算法结合数据融合策略对牛肝菌进行种类鉴别,鉴别效果理想。偏最小二乘法判别分析中级数据融合（CPA）可作为一种低成本高效率的牛肝菌种类鉴别技术。     

近红外光谱主成分分析与模糊聚类的典型地面目标物识别

近红外光谱技术在遥感监测领域中应用广泛,针对典型地面目标物遥感监测识别需要,提出了光谱主成分分析(PCA)与模糊聚类结合的分类识别方法,提高了识别算法效率及准确性。以四类典型地面目标物作为研究对象,分别测量其在1 100～2 500 nm范围内漫反射光谱,首先对漫反射光谱进行主成分分析,得到代表光谱特征的主成分分量,然后将其作为模糊聚类分析模型输入参数,计算样品主成分集合之间贴合度,最后利用择近原则对样品进行匹配分类。结果表明,主成分分析可以有效提取光谱特征并且降低数据维度,结合基于择近原则的模糊分类方法,可有效提高算法准确性与效率,为遥感光谱在地面目标物识别应用提供了有益的参考。