基于LS-SVM建模方法近红外光谱检测土壤速效N和速效K的研究

应用可见/短波近红外光谱(Vis/SW-NIRS)测量土壤速效氮(N)和速效钾(K)含量。光谱预处理包括标准正态变换(SNV),多元散射校正(MSC)和Savitzky Golay平滑结合一阶导数,以消除系统噪声和外部干扰,分别应用偏最小二乘(PLS)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)方法建立校正模型。最小二乘支持向量机(LS-SVM)输入分别包括主成分分析得到的主成分(PCs)和PLSR建模得到的潜在变量(LVs)和由PLSR模型回归系数得到有效波长(EWs)。结果表明,三种输入的LS-SVM模型都优于PLS模型, 其中EWs-LS-SVM模型最佳,速效氮(N)的相关系数(R2)和预测均方误差RMSEP分别0.82和17.2,速效钾(K)为0.72和15.0。结果表明,利用可见光和短波近红外光谱(Vis/ SW-近红外光谱)(325～1 075 nm)的LS-SVM的结合,可以作为一个精确的土壤理化性质的测定方法。     

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。     

应用遗传算法结合连续投影算法近红外光谱检测土壤有机质研究

应用遗传算法结合连续投影算法近红外光谱检测土壤有机质研究。采集浙江省文城地区农田土壤样品近红外光谱数据,土壤样品数为394个。为简化模型,采用遗传算法结合连续投影算法挑选出18个特征波长建模,应用偏最小二乘回归建立有机质预测模型,建模集的决定系数为0.81,均方根预测误差为0.22, 剩余预测偏差为2.31,预测集的决定系数为0.83,均方根预测误差为0.20,剩余预测偏差为2.45。研究发现,遗传算法结合连续投影算法在简化模型同时,模型的预测评价指标同采用全谱波长建模并没有明显降低。因此,遗传算法结合连续投影算法挑选的特征波长可以应用于近红外光谱检测土壤有机质含量。     

应用近红外高光谱成像技术预测甘蔗可溶性固形物含量

为了探究应用近红外高光谱成像技术对甘蔗内部可溶性固形物（SSC）预测的可行性,试验样本选择三种不同品种中的240个甘蔗节作为研究对象。通过高光谱成像系统获取甘蔗节的近红外光谱信息和图像信息,并分别探讨了光谱信息和图像纹理信息对甘蔗可溶性固形物预测的可行性。采用最小二乘回归（PLSR）,最小二乘支持向量机（LS-SVM）及主成分回归（PCR）建模方法构建甘蔗可溶性固形物的预测模型。比较了连续投影算法（SPA）、无信息变量消除算法（UVE）及区间偏最小二乘（iPLS）特征提取方法对预测结果的影响。实验结果表明：基于甘蔗的光谱信息能实现可溶性固形物的预测,其中偏最小二乘回归模型的建模集和预测集的相关系数分别为0.879和0.843,均方根误差分别为0.644和0.742。通过UVE算法提取105个有效波长所建立的PLSR模型的建模集及预测集相关系数分别为0.860和0.813,均方根误差分别为0.693和0.810。     

黄酒糖度预测的可见-近红外光谱方法研究

提出了用可见近红外光谱结合不同化学计量学方法预测黄酒糖度的新方法。用240个黄酒样本建模,60个样本进行预测。通过对光谱数据进行平滑、变量标准化及一阶导数等预处理,建立并比较了偏最小二乘法,小波变换与偏最小二乘法相结合,主成分分析与人工神经网络相结合以及主成分分析与最小二乘支持向量机相结合四种不同建模方法的预测精度,以相关系数r、预测标准差、偏差等为评判标准,得到黄酒糖度预测的最优模型为最小二乘支持向量机模型。该模型对黄酒糖度预测的相关系数为0.962、预测标准差为0.021、偏差为-0.001,获得了理想的预测精度。结果表明应用可见近红外光谱对黄酒糖度进行预测是可行的,且最小二乘支持向量机模型能得到最优的预测结果。     

基于光谱技术和连续投影算法的润滑油品牌快速鉴别研究

为了实现润滑油品牌的快速无损检测,提出了一种基于可见/近红外光谱透射技术与连续投影算法相结合的润滑油品牌快速鉴别新方法。采用连续投影算法对6种润滑油的可见/近红外光谱数据进行波长变量的筛选,再结合偏最小二乘法建立润滑油品牌的鉴别模型。结果表明,鉴别模型的相关系数r为0.9721,预测均方根误差RMSEP为0.4055,鉴别正确率为91.7%。说明提出的连续投影算法结合偏最小二乘算法具有很好的预测效果。     

苹果可溶性固形物近红外光谱检测的偏最小二乘回归变量筛选研究

为了提高苹果可溶性固形物含量近红外光谱校正模型的预测能力和稳健性,分别采用反向区间偏最小二乘法、遗传算法和连续投影算法,筛选苹果可溶性固形物的近红外光谱变量,并建立了偏最小二乘回归模型。利用遗传算法筛选的141个变量建立的校正模型,预测效果最好,与全谱建立的校正模型比较,预测相关系数,从0.93提高到0.96,预测均方根误差,从0.30°Brix降低到0.23°Brix。实验结果表明遗传算法结合偏最小二乘回归方法,有效地提高了苹果可溶性固形物近红外光谱检测模型的预测精度。     

基于近红外光谱技术检测除草剂胁迫下油菜叶片中脯氨酸含量的方法

应用近红外光谱技术实现除草剂胁迫下油菜叶片中脯氨酸含量的检测。对248个经过除草剂丙酯草醚处理后的油菜叶片,经过烘干、磨碎后进行光谱扫描。经过Savitzky-Golay平滑、变量标准化(SNV)、二阶求导预处理后,应用偏最小二乘法(PLS)建立脯氨酸含量的预测模型,同时提取有效特征变量作为神经网络(BPNN)和最小二乘-支持向量机(LS-SVM)的输入值,并建立相应的模型。用186个样本建模,62个样本预测。结果表明,最小二乘-支持向量机能够获得最优的预测效果,预测的相关系数(r)、预测标准差(RMSEP)和偏差分别为0.995,0.041和0.000。说明应用近红外光谱技术结合最小二乘-支持向量机能够定量获得油菜叶片中脯氨酸的含量。     

变压器油中颗粒污染物的中红外光谱检测

配制了含不同颗粒污染等级的变压器油样,利用中红外光谱扫描获得油样的红外光谱数据,再采用连续投影算法提取油样红外光谱的有效波长变量,分别应用偏最小二乘法和支持向量机法方法建立了颗粒污染等级与中红外光谱有效波长的模型.所配置的油样红外光谱经过连续投影算法提取的有效波长具有特定颗粒污染物特征波长的特点,所建两种模型的预测效果均优于全谱的偏最小二乘法和支持向量机法模型,对验证集样本数据预测的决定系数分别为0.892 9、0.934 3,均方根误差为6.372×10-3、3.07×10-3,获得了较好的预测效果,为变压器油中颗粒物的检测提供了借鉴.     

基于高光谱技术的厌氧发酵液固形物含量检测的研究

实时监测发酵液中固形物含量的变化,对控制厌氧发酵过程的稳定性具有重要作用。研究中采用近红外高光谱技术结合化学计量学方法,对水葫芦和稻草秸秆混合厌氧发酵过程中的固形物含量进行定量检测研究。与传统2540G(APHA,1990)标准方法相比,近红外高光谱技术具有无损、快速的优点。实验过程中,首先获取发酵液样本的高光谱信息,应用移动平均平滑法(MAS)进行光谱预处理,并采用竞争自适应重加权采样算法(CARS)、连续投影算法(SPA)和Random frog算法提取光谱特征信息,然后基于全谱和所选特征波长下的光谱信息分别建立总固形物含量(TS)和挥发性固形物含量(VS)的校正模型,建模方法包括偏最小二乘回归(PLSR)和最小二乘-支持向量机(LS-SVM)。研究表明,SPA-LS-SVM模型的预测结果最好,其中TS的预测均方根误差(RMSEP)及相关系数(R_p)分别为0.005 8和0.841;而VS的RMSEP和R_p分别为0.004 1和0.874。结果表明,利用近红外高光谱结合化学计量学方法可以实现厌氧发酵液中的固形物含量的检测,为布置光谱传感器以便定量检测厌氧发酵过程中的固形物含量奠定了理论依据。     

土壤碱解氮含量可见/近红外光谱预测模型优化

可见/近红外光谱技术是土壤成分检测的有效工具。波长筛选对可见/近红外模型土壤属性的预测精度有重要影响。以宁夏吴忠地区75个水稻土样为研究对象,利用可见/近红外光谱技术采集土壤样品光谱,采用SPXY （Sample set partitioning based on joint X-Y distance）方法选取了校正集和预测集样本,比较了分别采用Savitzky Golay平滑（SG smoothing）、多元散射校正（Multiple scatter correction,MSC）、标准正态变量变换（Standard normal variate,SNV）3种预处理方法对光谱数据处理后建立土壤碱解氮偏最小二乘法模型和原始光谱数据建模的效果。在此基础上,分别采用遗传算法（Genetic gorithms,GA）、连续投影算法（Successive projections algorithm,SPA）、竞争性自适应重加权算法（Competitive adaptive reweighted Sampling,CARS）、随机蛙跳（Random frog,RF）进行波长筛选,最后应用偏最小二乘法建立基于不同波长筛选方法的土壤碱解氮含量预测模型。研究表明,由于仪器性能稳定,样品的颗粒度比较小和均匀,本次实验原始光谱数据建模效果最好;各种波长筛选方法均可有效减少参与建模的波长数,且连续投影算法优于全谱建模,所选波长数仅为全谱波长数的1%,其预测决定系数（R²）、预测均方根误差和相对分析误差值分别为0.726,3.616,1.906。这表明连续投影算法可以有效筛选水稻土碱解氮敏感波段,为土壤碱解氮传感器开发提供技术支持。     

便携式短波近红外光谱仪器检测土壤总氮含量研究

基于便携式短波近红外光谱技术检测了土壤总氮含量。采集浙江省文城地区农田土壤样本243个,将土壤样本分为三组,一组未经过粉碎、过筛等处理,一组做过2 mm筛处理,一组过0.5 mm筛过处理,采用usb4000便携式光谱获取土壤光谱数据,结合(savitzky-golay, SG)平滑算法,波长压缩算法和小波变换对原始数据进行预处理,然后采用竞争性自适应重加权、随机青蛙和连续投影算法进行特征波长选择。基于全光谱建立了偏最小二乘回归和基于特征波长建立了极限学习机和LS-SVM模型。结果表明过筛处理后的样本模型结果优于未过筛的样本模型结果,过0.5 mm筛处理的土壤样本模型预测结果略优于过2 mm筛处理的土壤样本模型预测结果,最优预测集的决定系数为0.63,预测均方根误差为0.007 9,剩余预测偏差为1.58。表明便携式仪器检测土壤总氮含量,经过过筛处理的土壤样品检测结果优于未过筛土壤样品检测结果,建议土壤样品检测总氮含量时需经过过筛处理,这样得到的结果较为理想,在此基础上采用性能较好的光谱仪器采集数据,以减小原始光谱噪声。     

一种用于可见-近红外光谱特征波长选择的新方法

提出了一种基于模拟退火(SA)算法和最小二乘法支持向量机(LS-SVM)选择可见一近红外光谱特征波长的新方法(SA-LS-SVM).该方法用LS-SVM作为识别器,用识别率作为SA的目标函数,提取合适的特征波长数以及对应的特征波长.3种不同品牌的润滑油可见-近红外光谱的特征波长分别用SA_LS-SVM,主成分回归分析(PCA)和偏最小二乘法(PLS)进行处理,提取特征波长或主成分,然后结合反向传播人工神经网络(BP-ANN)对各种处理方法进行识别预测.结果发现,SA-LS-SVM只需从751个数据光谱中提取4个特征波长,就可以使三种品牌润滑油的识别率达到了100%,而其他所有的方法发现预测率都达不到100%,由此验证了SA_LS-SVM的优越性.实验结果表明,SA-LS-SVM不仅能有效地减少建模的变量数,而且可以提高预测精度.     

可见-近红外光谱分析技术对鱼油掺假定量快速无损检测方法研究

对掺入不同含量大豆油和菜籽油的鱼油进行鱼油掺假含量的可见-近红外光谱(Vis-NIR)研究。向3个不同品牌鱼油中分别掺入不同比例的大豆油,另外3个不同品牌中分别掺入不同比例的菜籽油,共获得300个样本。对所采集样本的光谱数据分别采用原始光谱,以及平滑,变量标准化(SNV),多元散射校正(MSC),一阶求导和二阶求导等预处理算法进行处理后,建立偏最小二乘回归(PLSR)模型。基于全波段光谱的鱼油中大豆油和菜籽油掺假含量预测的最优模型分别为全波段PLSR模型和MSC-PLSR模型,其预测相关系数(R_p)分别达到0.938 6和0.959 3。进一步采用连续投影算法(SPA)分析鱼油中大豆油和菜籽油掺假样品的光谱,并分别获得了11个和15个光谱特征波长变量。基于特征变量的PLSR模型的R_p分别为0.941 2和0.932 6。试验研究表明, 可以采用Vis-NIR技术实现对鱼油掺假物含量的检测。     

高光谱图谱融合检测羊肉中饱和脂肪酸含量

为探究高光谱成像(400~1000 nm)对羊肉中饱和脂肪酸(SFA)含量检测的可行性,提出一种基于特征光谱信息和图像纹理特征融合的SFA含量预测模型,实现对羊肉中SFA含量的快速检测及分布可视化。利用分段阈值法构建掩膜图像,获取羊肉样本感兴趣区域(ROI),结合SPXY法对样本集进行划分并对相关光谱信息进行预处理,分别采用连续投影算法(SPA)、变量组合集群分析法(VCPA)和β权重系数法提取特征光谱;通过获取羊肉样本主成分图像,结合灰度共生矩阵(GLCM)算法提取图像纹理信息;分别对特征光谱、图像信息及图谱融合信息建立的偏最小二乘回归(PLSR)与最小二乘支持向量机(LS-SVM)预测模型进行对比分析。利用5种不同对原始光谱数据进行预处理,经SNV法预处理后的光谱其校正集与预测集相关系数分别为0.921和0.875,较原始光谱分别增加了0.001和0.04,均方根误差模型分别为0.244和0.268,较原始光谱模型分别减少了0.003和0.06;对SNV法预处理后的光谱数据进行特征波长提取,SPA法、VCPA法及β权重系数法分别提取出12,10和9个特征波长;获取羊肉样本的前5个主成分图像,选择所含信息量最多的第一主成分图像进行纹理特征提取,依次提取0,45°,90°和135°方向下的能量、熵、同质性和相关性共4个主要纹理特征。利用SPA法提取的特征波长建立的PLSR与LS-SVM模型性能较好,PLSR模型校正集与预测集相关系数分别为0.8849和0.8807,均方根误差分别为0.3001和0.2606;LS-SVM模型校正集与预测集相关系数分别为0.8987和0.8926,均方根误差分别为0.2767和0.2476;图谱信息融合模型中,PLSR模型校正集与预测集相关系数分别为0.9071和0.9078,较特征光谱模型分别增加了0.02和0.03,均方根误差分别为0.3269和0.2992,较特征光谱模型分别增加了0.03和0.04;LS-SVM模型校正集与预测集相关系数分别为0.9206和0.8946,较特征光谱模型分别增加了0.02和0.002,均方根误差分别为0.2519和0.2458,较特征光谱模型分别减少了0.02和0.002。光谱预处理中经SNV法处理后的光谱所建模型性能优于其他预处理方法;采用SPA法提取的12个特征波长简化了光谱模型,提高了模型性能,特征光谱建模的最优方法为SPA-LS-SVM;图谱信息融合模型较特征光谱模型,模型相关系数增加较少,表明图像纹理信息虽携带了部分有效信息,但这些信息与羊肉中SFA含量之间的相关性有待进一步研究。基于图谱信息融合模型的预测性能最优,其次为光谱信息模型。择优选取SPA-PLSR模型计算羊肉样本中每个像素点的SFA含量,利用伪彩色图直观表示了羊肉样本中SFA的含量分布。实现对羊肉样本SFA含量的无损检测及分布可视化表达。     

矿区复垦农田土壤重金属含量的高光谱反演分析

以矿区复垦农田土壤为研究对象,利用实验室获取的土壤重金属元素砷(As)、锌(Zn)、铜(Cu)、铬(Cr)和铅(Pb)的含量与土壤可见近红外高光谱数据建立重金属元素含量的定量估算模型。为了保证模型预测的精度和稳定性,首先,对原始光谱数据进行平滑处理,并进行光谱变换,即：一阶导数,标准正态变量变换及连续统去除变换;然后,通过相关性分析提取不同变换光谱的特征波段;最后,将最小二乘支持向量机与传统的多元线性回归和偏最小二乘回归方法的结果相比较。研究表明：(1)以不同变换光谱数据建立反演模型均有较好的稳定性并达到一定精度,其中以最小二乘支持向量机方法优于偏最小二乘回归优于多元线性回归模型(除少数几个情况外);(2)从不同光谱变换数据中提取的光谱特征对反演模型结果有一定影响,其中以连续统去除和标准正态变量变换建模结果较好,一阶导数变换稍差。因此,利用高光谱遥感技术来定量估算土壤重金属含量是可行的,而且,必要的光谱预处理对提高估算模型的精度很有帮助。     

基于中红外光谱技术检测茶叶中非法添加滑石粉的研究

研究傅里叶变化红外透射光谱(FTIR)结合化学计量学方法检测茶叶中非法添加滑石粉的可行性。首先获取掺杂量不同的滑石粉(0.00, 0.15, 0.25, 0.35, 0.50, 0.65, 0.75, 0.85, 1.00, 1.10, 1.25, 1.50 mg·g-1)210个茶叶样本光谱。为了突显出光谱中的细微变化,采用Savitzky-Golay(SG) 平滑、标准化和标准正态变量(SNV)三种方法对原始光谱进行预处理。其中,处理效果最好的是SNV方法。随后探究光谱与掺杂量之间的定量关系,采用反向间隔偏最小二乘法(biPLS)和连续投影算法(SPA)的结合进行特征波数的选择,最终选出来5个特征波数。并利用偏最小二乘回归算法(PLS)和最小二乘支持向量机算法(LS-SVM)建立基于这5个特征波数的回归模型。其中LS-SVM模型具有更高的相关系数(R_P=0.921)和更小的均方根误差(RMSEP=0.131),所以该模型具有更好的稳定性及更高的预测能力。综上所述,红外光谱技术可以定量地检测出茶叶中非法添加的滑石粉。     

砂壤潮土有机质含量可见-近红外光谱预测

土壤有机质（SOM）是影响播量的土壤关键参数,根据SOM信息对播量进行实时调控,投入最优化的种子量,充分利用地力资源挖掘产量潜力,节约良种,实现种植收益最大化,是目前播种领域最前沿的研究方向。以玉米主产区之一的华北平原为研究区域,对该区域砂壤潮土进行了可见-近红外（300～2 500 nm）光谱采集。采用蒙特卡罗交叉验证剔除了异常样本,结合Savitzky-Golay卷积平滑法对光谱数据进行平滑去噪处理。分别通过竞争性自适应重加权算法（CARS）、连续投影算法（SPA）、竞争性自适应重加权-连续投影（CARS-SPA）、无信息变量消除（UVE）及变量组合集群分析法（VCPA）等波长筛选方法提取有效变量,并结合偏最小二乘回归（PLSR）分别建立了全波长和特征波长的SOM含量预测模型。结果表明,不同方法筛选的波长数目及波长位置存在显著差异,CARS和SPA算法选择的光谱特征在整个光谱范围都有分布,UVE和VCPA筛选的波段较为集中,且基于CARS-SPA方法可以进一步优选特征变量,其特征波长仅为全波长数量的15%。通过对比不同模型的建模及预测效果,除UVE和VCPA算法外,其余算法构建的模型均能实现SOM含量的有效预测,其RPD值均大于2.0。基于CARS-SPA构建的PLSR模型效果最好,其R2_P和RPD分别0.901和3.188,均高于其他方法,不仅降低了无效信息对预测效果的干扰,且模型的运算效率得到了明显的提高,可以很好地实现该地区SOM含量的可靠预测。该研究可以为SOM含量快速预测及仪器设计提供方法参考。