近红外光谱结合随机森林算法：一种快速有效的附子产地溯源策略

可靠的原产地认证方法对于保护指定产地的高价值中药材（例如道地药材、地理标志产品等）至关重要。附子作为著名的传统中药和川产道地药材，疗效显著，临床应用广泛，在国内外市场需求量很大。不同产地的附子疗效和价格有所不同，大众很难通过传统经验进行准确鉴别，基于植物代谢组学模式下的质谱检测技术，测试样本制备过程繁琐冗长、操作复杂、检测时间长，且重现性偏低。近红外光谱作为一种成熟、快速、无损的检测技术，被机器学习集成后为中药材在线质量监管和控制带来新途径。基于近红外光谱技术结合随机森林算法建立了一种不同产地附子无损鉴别模型。在四川、陕西和云南等主要栽培区域共采集了255份附子样本，采用傅里叶变换近红外光谱获得所有样本的漫反射光谱信息。采用单一和组合光谱预处理方式以消除光谱中的多种干扰，并筛选出最佳预处理方式，以此为输入指标建立随机森林模型。采用灵敏度、特异度和平衡精度等指标评价了模型的综合性能。结果表明：Savitzky-Golay平滑+多元散射校正为最佳预处理方式；仅采用全波长数据，RF模型对3组省级的样本的预测准确率超过了90%，预处理后预测准确率达98.39%；对于市/县一级样本，RF模型同样具有优秀的判别能力，准确率大于75%。模型对道地产区周边栽培区域的样本，识别率达100%。过滤出前100个特征波数，重新优化模型，模型对各市/县级区域的识别精度超过85%，尤其是对一些产自高原样本的识别能力得到了明显提升。研究中采用了环境友好型溯源策略，分析速度更快，样品损失更少，精度更高，为不同产地附子快速、高效的鉴别提供了新模式，为后续附子及其相关炮制品的鉴别和溯源提供了参考。     

基于近红外光谱和化学计量学的党参定性模型的建立

采用近红外光谱结合化学计量学,对来源于不同产地的81个党参样本进行快速、无损的定性研究.将党参样本粉碎后,采用光纤漫反射采集近红外光谱,并结合随机森林建立党参的定性模型,同时对比分析了不同光谱预处理方法(未处理、变量标准化十一阶导数、偏移校正十一阶导数)对鉴别结果的影响.结果显示,样本可按产地区分开;光谱经偏移校正十一阶导数处理后,训练集准确率达100％,测试集准确率为94％.研究表明,近红外光谱结合随机森林原理简单,易操作,准确率高,为作为快速鉴别党参的参考方法.     

地黄药材的红外指纹图谱及多元统计分析

中药产地是影响药材质量的重要因素,不同产地生长环境对中药的生长及代谢产物的累积具有直接影响,中药材素有道地产区分为非道地产区,在我国具有悠远历史,由于其产地的变迁以及现代主产地的增加,导致当今药材主产地与历史记录略有出入。傅里叶变换红外光谱技术具有快速无损的优点,红外光谱可完整地将不同产地地黄的信息表达,结合化学计量学将红外光谱所体现的信息数字化。该工作运用傅里叶变换红外光谱仪采集不同产地地黄红外光谱,对原始光谱进行基线校正、平滑点数6个、选取900~1 200 cm-1波段进行最高峰归一化等预处理,对每个产地红外光谱各主要特征峰的相对峰强度进行计算,采用正态分布、聚类(CA)和主成分分析(PCA)比较其质量差异,地黄的产地鉴别对中药的合理应用具有科学意义。结果表明采用傅里叶变换红外光谱法采集73批不同产地生地黄的红外图谱,73批不同产地地黄红外光谱指纹图谱峰形、峰位、峰高基本相似,不同产地地黄中含有相同的化学成分,其特征峰、形状基本一致,其中河南产地的地黄有个别特征峰的高度突出,指纹区存在一定差异,差异主要贡献波段为：1 639,1 424,1 354和1 260 cm-1,共标定13个共有峰。聚类分析可将73批地黄样品分为河南产的怀地黄和其他地黄两类,表明不同产地地黄存在内部质量差异;正态分布与聚类分析结果一致,在1 639 cm-1处,河南产的怀地黄与其他省份的正态分布曲线交叉依次为：山东省＞山西省＞河北省,此方法能有效将道地药材与非道地药材区分开;对所得的共有峰相对峰强度进行降维处理,并计算不同产地地黄的主成分综合得分,结果显示河南产怀地黄得到综合得分均高于其他产地的地黄,表明河南产的怀地黄质量最佳。傅里叶变换红外光谱结合多元统计分析方法可以无损、有效、快速的鉴别不同产地地黄。     

基于拉曼光谱和模式识别算法的软玉产地鉴别

利用自行研制的便携式拉曼光谱仪,研究了甘肃、青海和新疆3个产地软玉的拉曼光谱特征,并对其光谱差异进行解析;基于马氏距离判别方法和随机森林判别方法实现了3个产地软玉的无损鉴别。结果表明:利用马氏距离判别方法和随机森林判别方法可以对具有相同拉曼峰的不同产地的软玉进行鉴别,鉴别准确率分别为87.5%和95.83%。     

近红外光谱和化学计量学对不同产地不同产期当归的定性研究

采用近红外光谱技术结合化学计量学,对来源于不同产地不同产期的136个当归样本进行快速、无损的定性研究.将当归样本粉碎后,采用光纤漫反射采集近红外光谱,并对光谱进行主成分分析(PCA)、结合随机森林建立当归的定性模型,同时对比分析了不同光谱预处理方法(未处理、变量标准化十一阶导数、变量标准化十二阶导数)对鉴别结果的影响....     

拉曼光谱结合LSTM长短期记忆网络的樱桃产地鉴别研究

现在樱桃市场上存在着大量以次充好的不良现象,严重损害了名牌樱桃的品牌经济效益,所以亟需一种能对不同产地樱桃实现快速无损鉴别的技术。拉曼光谱溯源技术作为光谱溯源技术的一种,由于具有快速、高效、无污染、无损分析等优点,逐渐得到相关研究者的重视。长短期记忆（LSTM）网络是一种具有记忆性的反馈神经网络,它是循环神经网络的一种变体。LSTM网络克服了循环神经网络中梯度消失的缺点,适合处理序列敏感的问题和任务,目前被广泛应用在语音识别、图像识别和手写识别等领域,但LSTM网络在产地溯源方面的应用还有待研究。基于此,提出了一种LSTM网络与拉曼光谱技术结合的能对不同产地樱桃实现快速无损鉴别的技术。将来自美国、山东和四川的369个樱桃作为研究样本,用拉曼光谱仪在785 nm激光下获得了不同产地樱桃的光谱数据。并且以每条经过基线校正后的拉曼光谱数据作为网络输入数据,基于LSTM网络构建了能对不同产地樱桃实现快速鉴别的判别模型,并且以样本判别准确率A、样本精确率P、样本召回率R和样本F值作为评价指标,探究了不同预处理方法对LSTM网络判别模型性能的影响。结果表明：当样本训练集和测试集的比例为85∶38时,直接采用原始拉曼光谱数据的LSTM网络模型的产地鉴别能力不高,鉴别准确率为79.87%。但当使用预处理过后的拉曼光谱数据,模型的鉴别准确率维持在92%以上。并且光谱经过SG+MSC预处理后模型的鉴别准确度最好,鉴别准确率达99.12%。同时在采用SG+MSC预处理的方法下,LSTM网络鉴别模型的精确率、召回率、F值均较高,表明了所提出的LSTM网络模型有较好的性能可实现对不同产地樱桃的鉴别,为樱桃的产地溯源提供了一种新的思路。     

基于LIBS的山药饮片产地溯源研究

山药为薯蓣科植物薯蓣的根茎,其中的多糖、多酚、皂苷、黏蛋白和维生素C等成分使山药具有抗肿瘤、抗氧化、抗炎症、降血糖和降血脂等作用。不同产地的山药由于生长条件存在差异,致使药用成分含量显著不同,结合独特的炮制工艺,进而导致市场价格差别大,所以山药饮片的产地识别至关重要。为对山药饮片进行产地溯源,本文基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术提出多元散射矫正-改进遗传算法-支持向量机(MSC-IGA-SVM)模型对山药产地进行精确识别。使用八个不同产地的山药饮片进行LIBS实验,八种产地的山药饮片磨粉过筛后制成粉末压片,通过采集山药饮片的LIBS光谱,分别使用单一分类器与使用光谱预处理、特征提取及模式识别算法的模型对光谱的识别结果进行对比。将光谱信号按2∶1的比例划分为训练集和测试集,使用5次交叉验证K-邻近算法(KNN)模型的测试集准确率作为预处理参数优化的评价指标。各类药材的平均光谱整体趋势一致,所含谱峰基本相同,但因产地不同导致峰值强度各不相同,道地山药对一些金属元素(K, Na, Ca, Mg, Al)的富集能力大于非道地产区山药,其中,K元素特征谱线(769.90 nm)的峰值最高,即...     

近红外高光谱图像的宁夏枸杞产地鉴别

宁夏产地的宁夏枸杞属于《中华人民共和国药典》收录的道地药材,药用价值较高、消费者青睐度更高,然而优质宁夏枸杞的种植面积较小、产量较低、枸杞子市场以乱充好、以其他产地冲抵道地产区产品的现象频发。因此,建立快速有效的宁夏枸杞产地鉴别模型对监督市场具有重要的意义。日常的市场交易枸杞子的鉴定一般凭借经验,但是该方法误差较大,可信度较低。传统的理化实验鉴别周期较长,非专业人员无法操作。近些年一些学者研究发现不同产地的宁夏枸杞成分含量具有差异性,然而枸杞子样本较小、形状不规则、成分分布不均匀,近红外光谱鉴别通常需要碾碎成粉末然后采集光谱信息,无法做到无损批量地采集枸杞子数据来鉴别枸杞子产地。近红外高光谱图像结合了近红外光谱和图像,包含丰富的空间信息和光谱信息,可以实现无损批量地采集非均匀样本光谱信息。利用近红外高光谱图像对甘肃、青海、新疆、宁夏和内蒙5个产地的宁夏枸杞进行产地鉴别。使用近红外高光谱图像系统采集了1 650个样本数据之后,通过阈值分割、图像去噪等方法提取出感兴趣区域(region-of-interest,ROI)。对比了ZCA白化(zero-phase component analysis whitening)预处理方法和常用的标准化(normalization)预处理方法,实验结果表明ZCA白化预处理是一种有效的高光谱数据预处理方法,可以去除特征之间的相关性,提升产地鉴别模型的准确率。对预处理后的数据采用偏最小二乘降维(partial least squares based dimension reduction,PLSDR)降低模型复杂度,结果表明经过ZCA白化预处理后的数据可以由288维特征降低到4个主成分,使得去除相关性后的特征可以被更少的隐藏特征来表示,这样可以极大程度上降低模型复杂性。最后,将降维后的特征输入到不同的分类器中进行训练,包括支持向量机(support vector machine,SVM)、 Fisher线性判别分析(linear discriminant analysis,LDA)和Softmax分类。其中,基于ZCA白化、 PLSDR和Softmax分类的模型表现最好,在测试集上的平均准确率为94.06%,可以有效的鉴别宁夏枸杞产地。     

基于显微聚焦拉曼光谱技术的丹参产地鉴别研究

产地是影响中药材质量的重要因素,产地差异导致中药材质量参差不齐,为维护市场秩序,有必要建立中药材产地鉴别方法,以便更加精准地判别和分析中药材品质。以多产地临床大宗药材丹参为研究对象,收集不同产地丹参样品150份,采用显微聚焦拉曼光谱技术在无损条件下对每份丹参样品的每根药材表面随机扫描1～n次,求每份样品扫描1～n次的平均光谱。分析原始光谱数据发现丹参表面光谱信号同时包含了丹参酮类成分的拉曼光谱和杂质的荧光光谱,主要表现在特定波长范围内不同产地丹参存在各自的聚集区和丹参表面光谱信号强度明显弱于或强于丹参酮类对照品的拉曼光谱信号强度。对扫描1～n次的平均光谱数据进行预处理后运用偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和随机森林分类算法[不筛选（RF）或筛选重要变量（RF-VS）]建立扫描1～n次的丹参产地分类模型。结果随机扫描1次所得最优模型训练集和测试集预测准确率分别为88%和87%,且对质量差和质量优的丹参样品区分准确率高达97%;随机扫描2次和3次所得最优模型训练集和测试集预测准确率均分别为89%和87%,结合模型运行效率和成本,选择随机扫描1次所得光谱,经一阶导数（1ST-D）预处理和RF-VS计算所得模型为丹参最终产地鉴别模型。综上,在无损伤条件下显微聚焦拉曼光谱技术能建立快速、准确的丹参产地鉴别预测模型,为该技术进一步用于贵细中药材的产地和真伪鉴别提供参考。     

核密度估计算法结合近红外光谱技术鉴别三叶青产地

三叶青是我国珍稀中药材，具有多种疗效，但不同产地的三叶青有效成分含量差异悬殊，为防止三叶青以次充好，其产地鉴别尤为重要。以浙江、云南、安徽、广西和湖北五个产地的三叶青为研究对象，利用傅里叶变换近红外光谱分析仪(Fourier transform near infrared spectroscopy, FT-NIR)收集4 000~10 000 cm-1范围内的近红外光谱，由于三叶青近红外光谱数据还未完善，因此在其产地鉴别上，应对鉴别算法提出更高的要求，即在实现三叶产地鉴别的同时，还要能够有效地识别出其他或未知新产地的三叶青。针对这一问题，本文结合三叶青近红外光谱数据的特点，对算法共做了三方面改进：①从距离的角度估计样本的概率密度；②以训练样本可信度的方式计算带宽参数；③在未知新产地的识别上，提出一种基于训练集样本的概率密度函数的识别方法。结果表明，该算法对训练集样本的识别精度达到了100%，且在140组预测集样本中，只有3组样本识别出错，并能够100%地识别出未知新产地的三叶青，说明基于核密度估计的改进算法在三叶青产地鉴别上，不仅鉴别精度高，且能够有效识别出其他或未知新产地的三叶青。     

激光诱导击穿光谱技术结合神经网络和支持向量机算法的人参产地快速识别研究

利用激光诱导击穿光谱技术结合机器学习算法,对东北5个产地(大兴安岭、集安、恒仁、石柱、抚松)的人参进行产地识别,建立了主成分分析算法分别结合反向传播(BP)神经网络和支持向量机算法的人参产地识别模型.实验采集了5个产地人参共657组在200-975 nm的激光诱导击穿光谱,经光谱数据预处理后,对C,Mg,Ca,Fe,H,N,O等元素的8条特征谱线进行主成分分析,原光谱数据的前3个主成分累积贡献率达到92.50%,且样品在主成分空间中呈现良好的聚集分类.降维后的前3个主成分以2∶1进行随机抽取,分别作为分类算法的训练集和测试集.实验结果表明主成分分析结合BP神经网络及支持向量机的平均识别率分别为99.08%和99.5%.发生误判的原因是集安和石柱两地地理环境的接近而导致的H,O两元素在Ca元素离子发射谱线下的归一化强度相似.本研究为激光诱导击穿光谱技术在人参产地的快速识别提供了方法和参考.     

基于可见光谱的古代壁画颜料无损鉴别方法

矿物颜料是古代壁画显色的物质基础,其可见光谱反映自身物质和物理属性。不同颜料对可见光吸收特性的差异导致光谱曲线形状不同,同一种颜料因粒径等级差异引起光谱曲线幅值的规律性变化。依据矿物颜料上述特性,提出一种基于可见光谱的古代壁画颜料无损鉴别方法,通过光谱归一化方法实现不同粒径等级的同一颜料光谱曲线叠合,去除颜料粒径等级对光谱曲线幅值变化的影响,然后提取表征光谱曲线在各波段增减性和凹凸性的一阶与二阶导数特征,与光谱曲线组合得到颜料物质属性鉴别的光谱组合特征空间,以光谱角和欧式距离为基础构建评价指标,计算待鉴别颜料与数据库参考样本在光谱特征空间中的匹配误差(ME),实现颜料物质属性的鉴别。通过构建矿物颜料平均粒径大小和光谱反射率均值之间关系函数,实现颜料平均粒径大小的鉴别。基于构建的古代壁画常用颜料光谱数据库,以莫高窟壁画为对象,通过非接触式原位无损测量方法测量获得壁画颜料的可见光谱数据,对本文方法进行了验证,并以石绿和青金石颜料的鉴别结果为例,对古代壁画颜料使用技法、不同朝代颜料使用的差异性及原因进行了探讨。该方法将为更加全面深入研究和保护古代壁画提供有效的理论与方法支撑。     

透射和反射高光谱成像的马铃薯损伤检测比较研究

针对马铃薯损伤部位随机放置会影响检测精度的问题,提出从正对相机、背对相机及侧对相机三个方向,应用透射和反射高光谱成像技术采集马铃薯图像,进行透射和反射高光谱成像的马铃薯损伤检测比较研究。对透射和反射高光谱图像进行独立成分(IC)分析和特征提取,利用所得特征对反射图像进行二次IC分析,对透射和反射光谱进行变量选择,最终分别建立基于反射图像、反射光谱、透射光谱的马铃薯损伤定性识别模型;对识别准确率高的模型做进一步优化,采用子窗口排列分析(SPA)算法对透射光谱的特征做二次选择得到3个光谱变量,并建立任意放置的马铃薯损伤识别最优模型。试验结果表明,基于反射图像、反射光谱建立的模型识别准确率较低,其中基于反射图像的马铃薯碰伤,侧对相机识别准确率最低为43.10%;基于透射光谱信息建立的模型识别准确率较高,损伤部位正对、背对相机的识别准确率均为100%,侧对相机为99.53%;马铃薯损伤识别最优模型对任意放置的损伤识别准确率为97.39%。应用透射高光谱成像技术可以检测任意放置方向下的马铃薯损伤,该研究可为马铃薯综合品质的在线检测提供技术支持。     

高光谱探测绿色涂料伪装的光谱成像研究

基于现有伪装涂料与植被反射光谱的本质差异,提出一种可有效识别当前所有绿色伪装涂料的高光谱成像方法.通过分析绿色伪装涂料与被子植物叶片的反射光谱及其一阶微分谱的差异,确定了星载和机载高光谱遥感探测中,可见光波段的绿色反射峰和780～1 300 nm的“近红外高原”波段反射率的波动性是识别绿色伪装涂料的有效光谱特征.对“近红外高原”波段的反射光谱进行成像是高光谱探测实现伪装目标可视识别的可行方法,尤其是对反射光谱一阶微分处理后进行成像可更加有效地识别植被环境中的绿色伪装涂料.     

基于拉曼光谱和机器学习的百合分类识别

百合鳞茎,百合科百合属多年生草本球根植物生长的肥厚鳞片构成的地下变态茎,是一种典型的药食同源作物,含有丰富营养成分的同时还具有抗肿瘤、抗抑郁、降血糖、提高免疫力等保健作用。不同产地百合鳞茎的市场价格差异较大,依赖于人工经验感官的传统评测方法主观性强、确定性差,难以广泛推广在现代生产环节。以化学检验法为主的先进检测方法耗时长、费用高,而且难以满足产地鉴别这一要求。针对百合鳞茎现场快速地产地判断和品质评价的需求,提出了一种使用拉曼光谱和机器学习的百合鳞茎检测方法。拉曼光谱是一种基于非弹性散射的振动光谱,能够做到快速准确的无损检测,将拉曼光谱与机器学习算法相结合,建立了我国分布最为广泛的三种百合鳞茎(兰州百合、宜兴百合和龙牙百合)的产地分类模型,着眼于基质光谱上479, 870, 942和1 606cm^-1等特征峰,提出了一种基于拉曼光谱的成分含量判断产地和评价百合鳞茎品质的无损检测方法。首先采集百合鳞茎样本的光谱,经过光谱数据预处理后,使用人工先验法提取百合鳞茎代表物质并确定特征峰,再使用主成分分析和t-分布随机邻域嵌入方法降维提取光谱数据特征。并将获得的数据特征分别...     

近红外光谱技术鉴别花椒产地

采集四川、重庆、云南、贵州、陕西五省市8个不同产地205个花椒样品的近红外光谱,使用主成分分析(principal component analysis, PCA)、判别偏最小二乘法(discriminant partial least squares, DPLS)分析了花椒产地的分类鉴别。结果表明：在12 500～3 800 cm-1波数范围内,采用不同的光谱预处理方法可以建立较为稳健的DPLS模式识别模型,对不同产地的花椒有较好的分类鉴别。其校正集交叉验证除了经一阶微分预处理的模型识别率为99.39%外,其他预处理方法识别率均为100%,独立验证集总体识别正确率在85.37%~97.56%之间,其中经标准正态变量变换(standard normal variate, SNV)、多元散射校正(multiplicative scatter correction, MSC)预处理后的DPLS判别模型效果最好,误判数仅分别为1个,表示该方法在花椒产地识别中具有可行性。     

半透射高光谱成像技术与支持向量机的马铃薯空心病无损检测研究

针对马铃薯空心病的难以检测问题,提出了一种基于半透射高光谱成像技术结合支持向量机(support vector machine,SVM)的马铃薯空心病无损检测方法。选取224个马铃薯样本(合格149个,空心75个)作为研究对象,搭建了马铃薯半透射高光谱图像采集系统,采集了马铃薯样本半透射高光谱图像(390~1 040 nm),对感兴趣区域内的光谱进行平均和光谱特征分析。采用变量标准化(normalize)对原始光谱进行光谱预处理,建立了全波段的SVM判别模型,模型对测试集样本的识别准确率仅为87.5%。为了提高模型性能,采用竞争性自适应重加权算法(competitive adaptive reweighed sampling algorithm, CARS)结合连续投影算法(successive projection algorithm, SPA)对光谱全波段520个变量进行变量选择,最终确定了8个光谱特征变量(454,601,639,664,748,827,874和936 nm),所选8个光谱变量建立的SVM模型对马铃薯测试集的识别率为94.64%。分别采用人工鱼群算法(artificial fish swarm algorithm,AFSA)、遗传算法(genetic algorithm,GA)和网格搜索法(grid search algorithm)对SVM模型的惩罚参数c和核参数g进行优化。经过建模比较分析,确定AFSA为最优优化算法,最优模型参数为c=10.659 1,g=0.349 7,确定AFSA-SVM模型为马铃薯空心病的最优识别模型,该模型总体识别率达到100%。试验结果表明：基于半透射高光谱成像技术结合CARS-SPA与AFSA-SVM方法能够对马铃薯空心病进行准确的检测,也为马铃薯空心病的快速无损检测提供技术支持。