加权SPXYE(WSPXYE)算法及其在近红外光谱模型转移中的应用

样本选择是模型转移的重要组成部分,其目的是在主光谱和从光谱中选择合适的样本,建立二者的转移模型,使得从光谱的预测样本能通过转移模型校正成类似于主光谱的样本,进而用主光谱的模型直接预测其浓度。目前,常用的样本选择算法有：Kennard-Stone 法 (KS法), SPXY法和SPXYE法。根据上述算法的特点,提出了一种新的样本选择方法：加权SPXYE法(WSPXYE法),进而将其用于选择合适的转移集样本。WSPXYE同样先计算样本间的距离,其距离有三个部分组成：光谱(X)之间的归一化距离d_xs,浓度(y)之间的归一化距离d_ys,以及校正误差(e)之间的归一化距离d_es。其加权代数和d_wspxye=αd_xs+βd_ys+(1-α-β)d_es即为WSPXYE距离。计算了WSPXYE距离之后,可以根据其距离选择距离较大的样本作为转移集样本。WSPXYE是Kennard-Stone法(KS法), SPXY法和SPXYE法的推广,而KS法（α=1,β=0）、SPXY法（α=0.5,β=0.5）以及SPXYE法（α=0.333,β=0.333）则是WSPXYE法的特例。直接校正法（DS）、有信息成分提取-典型相关分析法(CCA-ICE)作为模型转移算法验证了WSPXYE方法的效果。结果显示,与KS法、SPXY法以及SPXYE法相比,WSPXYE法可以通过调节参数,选择合适的样本,获得较低的误差。     

基于太赫兹时域光谱的食用油过氧化值定量分析研究

针对目前太赫兹光谱技术在食用油品质检测方面存在定性多、定量难的问题,提出一种基于衰减全反射（ATR）式太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术的食用油过氧化值定量分析方法。首先采集不同种类、不同氧化程度食用油样本的太赫兹时域光谱图,筛选有效信号波段并提取得到光学常数,经预处理算法校正后的光学常数,结合多种化学计量学方法建立定量分析模型,实现快速、无损预测食用油的过氧化值。70个实验样本包括大豆油、菜籽油和玉米,过氧化值覆盖范围0.41~10.23 mmol·kg-1,且样本的过氧化值均匀分布。采用TeraView公司生产配有ATR检测模块的TeraPulse 4000太赫兹脉冲光谱系统采集样本THz-TDS信号,根据THz-TDS谱图信号特征筛选有效波段10~86.78 cm-1用于建模分析。通过快速傅里叶变换得到频域信号并从中提取光学常数：折射率和吸收系数,采用Savitzky-Golay7点卷积平滑分别对折射率和吸收系数进行预处理,去除干扰信号。运用SPXY算法按照3∶1比例划分校正集和预测集样本,结合主成分回归法、偏最小二乘法两种化学计量学分析方法,分别建立基于折射率和基于吸收系数的过氧化值分析模型。对模型评价指标均方根误差和相关系数进行分析,基于折射率的过氧化值分析模型采用偏最小二乘算法建模预测精度最理想,选取最优主成分数为6时,其校正集均方根误差RMSEC为0.168%、决定系数R2为0.981,预测集均方根误差RMSEP为0.231%、决定系数r2为0.977;基于吸收系数的过氧化值分析模型则采用主成分回归算法建模预测模型稳健度最好,选取最优主成分数为10时,其校正均方根误差RMSEC为0.192%、校正集决定系数R2为0.979,预测均方根误差RMSEP为0.262%、预测集决定系数r2为0.97。该研究结果的得出,验证了THz-TDS技术用于食用油过氧化值定量分析的可行性,为食用油的品质评价找到一种高精度、性能稳定、快速无损的检测方法。     

干贝水分检测的建模及分级方法

高光谱成像已被应用于建立干贝水分含量预测模型，其模型性能受样本划分方法及建模方法影响。样本划分方法决定着所选样本是否具有代表性，而建模方法决定着如何利用样本建立模型，但样本划分方法与建模方法的内在联系却鲜有研究报道。在方法优选上，将样本划分方法与建模方法进行组合，探究不同方法组合对干贝水分含量预测模型性能的影响，对干贝水分检测建模及分级方法的优选具有重要意义，同时也能为其他样本的光谱建模提供参考。采集380～1 030 nm波段下270个干贝样本的高光谱图像，提取干贝样本的光谱数据，通过RS，KS，SPXY和CG四种常用的方法划分样本，并以PLSR和LS-SVM两种常用的建模方法建立多个干贝水分含量预测模型，计算和比较各模型的性能指标。结果表明: PLSR模型使用RS法划分干贝水分含量样本最为适宜(其RPD为4.079 6)，LS-SVM模型使用SPXY划分法最为适宜(其RPD为4.175 6)，划分样本方法的优劣与建模方法有关，其优选需要结合特定的建模方法进行。在常用的四种样本划分方法和两种建模方法中，采用SPXY法划分干贝水分含量样本并结合LS-SVM法建模的效果和精度最好。     

高光谱反射率的滨海地区土壤全磷含量反演

反射光谱在近年来广泛应用于土壤属性的估算。作为一种有效估算土壤全磷含量的手段,反射光谱技术可以很大程度上减少传统化学测量方法所损耗的人力物力。以江苏滨海土壤为研究对象,在30个采样点采集了共147个土样,测量土壤样品光谱反射率及全磷含量。利用原始光谱反射率数据及6种不同的光谱变换结果,通过随机抽样（RS）、KS、SPXY三种样本集划分方法,基于偏最小二乘回归（PLSR）和支持向量机（SVM）方法分别建立土壤全磷含量的估算模型,对比分析了三种样本集划分方法对估算结果精度的影响。结果表明：（1）以原始光谱反射率为数据,PLSR模型,RS方法在多数情况下可以获得较为稳定的模型精度,明显优于KS和SPXY方法;在SVM模型中,采用SPXY方法获得的模型结果最优,KS次之,RS结果最差。（2）不同的样本集划分方法所合适的光谱变换方法不同,对于三种划分样本集方法,PLSR和SVM对应的最优光谱变换分别是对数的倒数和一阶导数（KS方法）,原始光谱和一阶导数（RS方法）,一阶导数和多元散射校正（SPXY方法）。其中采用KS方法划分样本集,PLSR和SVM均能获得最佳的预测结果。并非所有光谱变换方法都可以提高模型精度,部分光谱变换后PLSR模型预测精度显著降低;（3）在所有的样本集划分方法中,SVM的建模效果优于PLSR,采用RS方法划分样本集,PLSR的预测精度高于SVM,而采用KS和SPXY方法划分样本集,SVM的预测精度整体高于PLSR。综上所述,本研究区域估算土壤全磷含量的最佳模型是基于KS样本集划分方法和一阶导数光谱变换建立的SVM模型,此时拟合优度（R2_p）为0.82。结果表明反射光谱可以对滨海地区的土壤全磷含量进行有效预测,对土壤磷元素的高效快速反演具有一定的指导意义。     

近红外光谱的结球甘蓝可溶性糖含量测定

结球甘蓝是一种富含碳水化合物的常见蔬菜,可溶性糖含量是决定其品质的重要参数。可溶性糖易溶于水,是蔬菜和水果口味的有效调节剂。作为碳水化合物,可溶性糖由三种元素C,H和O组成,其分子吸收光谱主要由被检测材料的分子中C-H,O-H和CO等基团的组合频率吸收和倍频吸收组成,包含丰富的有机物信息。因此,采用近红外光谱和化学计量学方法,探索结球甘蓝可溶性糖含量的快速检测方法。用德国布鲁克公司的MATRIX-Ⅰ型傅里叶变换近红外光谱仪采集161份结球甘蓝样本光谱数据。波数范围：12 800～4 000 cm-1(780～2 500 nm)。蒽酮比色法测量样本的可溶性糖。综合应用马氏距离法(MD)和蒙特卡洛交叉验证法(MCCV)剔除异常样本,采用Kennard-Stone(K-S)法将样本按照给定比例划分为校正集和验证集。分别使用Savitzky-Golay卷积平滑(S-G),一阶导数(FD),二阶导数(SD),多元散射校正(MSC)和变量标准化(SNV)及它们的组合共12种方法对样本进行光谱预处理,获得最佳预处理方法,提高光谱数据的信噪比。采用竞争性自适应重加权采样法(CARS)筛选偏最小二乘回归(PLS)模型中回归系数绝对值大的波数点,去掉回归系数绝对值小的波数点,以有效选择与所测特性值相关的最优波数组合,获得具有良好鲁棒性和强预测能力的校正模型。使用模型决定系数R2、交互验证均方根误差(RMSECV)、预测均方根误差(RMSEP)作为模型精度评价指标。根据蒙特卡洛交叉验证法和马氏距离剔除异常样本的原理,共剔除10个光谱或者化学值异常的样本。最终参与建模分析的样本个数为151。异常样本剔除后,通过K-S法将样本按照3∶1被分成校正集(110个样本)和验证集(41个样本)。使用原始光谱数据,预处理后的光谱数据和对应于优选波数的光谱数据,建立PLS模型。结果表明,利用MSC+FD光谱预处理可以提高建模精度,校正集R2从处理前的0.68增长到0.93,MSC+FD是本研究中理想的光谱数据预处理方法。利用CARS法共优选了84个建模波数。在12 000~10 000 cm-1波数区域内,有O-H键2级和C-H键3级倍频伸缩振动吸收,此区域主要的背景信息为水和其他含氢基团,在此区域内共包含了36个选定的波数。在8 500~6 000 cm-1区域,存在糖类和水的O-H键的1级倍频伸缩振动吸收,葡萄糖的O-H键的1级倍频伸缩振动吸收,该区域是包含反映可溶性糖成分的主要光谱区间,背景影响较小,CARS方法在此区域共选择了15个建模波数。5 800~4 000 cm-1区域与12 000~10 000 cm-1区域相似,包含的选定波数多,CARS方法在此区域选择了33个建模波数。利用CARS对参与建模的波数进行优选,减少了无关信息,降低了模型的复杂度,选择的波数不但引入了表征待测组分的光谱,同时还引入了代表背景信息的光谱,使得校正模型适应性增强。建立了结球甘蓝可溶性糖的全谱PLS模型,根据CARS波数优选结果,建立了结球甘蓝可溶性糖的CARS-PLS模型。对于全谱PLS定量模型,校正集的决定系数R2为0.93,RMSECV为0.157 2%,RMSEP为0.132 8%。对于CARS-PLS模型,校正集的决定系数R2为0.96,RMSECV为0.076 8%,RMSEP为0.059 4%。数据表明,两种模型具有相当的R2,但CARS-PLS模型的RMSECV是全谱PLS模型的1/2。RMSEP也接近1/2,CARS-PLS模型比全谱PLS定量模型所用建模变量少,模型得到简化,精度更优。用CARS-PLS模型对验证集41个样本进行预测,预测集决定系数R2为0.86,预测标准误差为0.059 4%。提供了一种工作效率较高的结球甘蓝质量无损检测方法。     

优化光谱指数的露天煤矿区土壤重金属含量估算

光谱学提供了对土壤中许多元素进行定量分析和快速无损检测的方法。可见光和近红外反射光谱（Vis-NIR）为研究土壤重金属污染提供了一个有用的工具。于新疆准东露天煤矿区采集51个0～10 cm深度的土壤样品，在实验室中分别测定样品的有机质（SOM）含量、重金属砷（As）含量与高光谱；使用基于JAVA语言自主开发的两波段组合软件V1.0（No: 2018R11S177501）计算不同高光谱数据变换形式（原始反射率（R），倒数（1/R），对数（lgR）和平方根（）下Vis-NIR区域（400~2 400 nm）所有两波段组合得到的优化光谱指数（NPDI）与As的相关性，在最优光谱指数（|r|≥0.73和p=0.001）中通过变量重要性准则（VIP）进一步筛选VIP≥1的指数作为模型自变量，基于地理加权回归（GWR）模型估算As含量并使用四个交叉验证度量标准：相对分析误差（RPD），决定系数（R2），均方根误差（RMSE）和最小信息准则（ACI）评价模型精度，从而探讨优化光谱指数方法应用于高光谱检测露天煤矿区土壤重金属砷含量的可行性。结果表明：(1）研究区As含量离散度较高，所有样品中SOM含量均小于2％，且As含量与SOM含量在0.01的显著性水平上无显著相关性（|r|=0.113）。（2）As含量与单波段光谱反射率的相关性很低（|r|≤0.228），而通过R，1/R，lgR，计算的NPDIs与As含量的相关性在近红外（NIR，780~1 100 nm）和短波红外（SWIR，1 100~1 935 nm）光谱中发现最高的相关系数和最低的p值（|r|≥0.73和p=0.001），在长波近红外（LW-NIR）区域基于R形成的NPDIs与As含量相关性最高（|r|=0.74）。（3）VIP方法分别筛选NPDI_{R（1 417/1 246）}，NPDI_{1/R（799/953，825/947）}、NPDI_{sqrt-R（1 023/1 257，1 008/1 249，1 021/1 250，1 020/1 247）}和NPDI_{lgR（801/953，811/953，817/951，825/947，828/945）}为GWR模型自变量。(4）从4个预测模型的表现可以看出，Model-a（R）与其他三个模型（Model-b（1/R），Model-c（）和Model-d（lgR））相比，它具有最高的验证系数（R2=0.831，RMSE=4.912 μg·g-1，RPD=2.321）和最低的最小信息准则值（AIC=179.96）。优化光谱指数NPDI_{R(1 417/1 246)}有助于快速准确地估算As含量，为进一步获取地表土壤重金属污染分布信息提供理论支持和应用参考，促进露天煤矿区环境污染快速有效调查和生态可持续发展。     

用中红外光谱法分析含微水绝缘油的粘度

配制不同微水含量的绝缘油样,对每组油样进行红外光谱扫描,得到油样中水分在特征波数处(1 640cm-1、3 400cm-1、3 450cm-1、3 615cm-1)的吸光度值;定义油液中水分均匀系数,构建含微水绝缘油的粘度计算模型;实验测试含微水绝缘油40℃的运动粘度值,并与粘度计算模型的计算值进行比较.结果表明:本文所构造的计算模型能够有效地反映微量水分对油液运动粘度的影响;运动粘度实测值与计算值的相关系数为0.9449,误差范围为-4.458×10-4~5.175×10-4.     

高光谱成像的马铃薯叶片含水率分布可视化

为了快速检测马铃薯叶片的水分含量,并探究受到干旱胁迫时叶片含水率变化情况,利用高光谱成像对马铃薯叶片含水率进行检测和可视化研究。采集71个叶片,用烘干法对叶片水分梯度进行控制,共得到355个样本。使用高光谱分选仪器采集叶片862.9~1 704.2 nm(256个波长)的光谱成像数据,采用称重法测量含水率。利用Sample set partitioning based on joint X-Y distance(SPXY)算法将总样本按照2∶1的比例划分为建模集(240个样本)和验证集(115个样本)。对采集的数据进行光谱特征分析,本文分别用CA和RF两种算法,各筛选得到15个特征波长。基于CA筛选出相关系数高于0.96的15个波长分别为1 406.82,1 410.12,1 403.62,1 413.32,1 416.62,1 419.82,1 400.32,1 423.12,1 426.32,1 429.62,1 432.82,1 436.12,1 439.32,1 442.52和1 445.8 nm。基于RF算法筛选被选概率高于0.3的15个特征波长,按照被选择概率值从大到小排列,分别为1 071.62,1 041.12,1 222.52,1 465.22,1 397.02,1 449.02,1 034.32,1 523.22,976.42,1 172.52,979.82,1 165.82,1 037.72,1 426.32和869.8 nm。用CA和RF算法筛选到的特征波长建立PLSR模型,分别记为CA-PLSR模型和RF-PLSR模型。利用高精度模型检测结果,对马铃薯叶片含水率进行可视化分析,首先计算马铃薯叶片图像每个像素点的含水率,得到灰度图像,然后对灰度图像进行伪彩色变换,绘制出叶片含水率可视化彩色图像。为了体现马铃薯叶片烘干处理中含水率变化进程,用HSV彩色模型对样本叶片的伪彩色图像进行分割,获得分割图像结果,显示出在某含水率区间的叶片面积比例。结果显示,CA算法选取的15个波长均在1 400.3~1 450.0 nm范围内,CA-PLSR模型的建模精度(R2_c)为0.975 5、建模集均方根误差(RMSEC)为2.81%,验证集精度(R2_v)为0.933 2、验证集均方根误差(RMSEV)为2.31%。RF算法选取的特征波长分布范围较CA法选取范围广,具有局部“峰谷”特性,且RF-PLSR模型的建模集精度(R2_c)为0.983 2、RMSEC为2.32%,验证集精度(R2_v)为0.947 1、RMSEV为2.15%。选取RF-PLS模型计算马铃薯每个像素点的含水率,得到伪彩色变换图像,观察可知随着烘干时间的增加含水率逐渐下降;并能够从叶片结构角度看到,随着水分胁迫的加强,叶片从边缘开始失水,逐渐向叶片中间蔓延,其中叶茎和叶脉的含水率较其他部位高。计算得到叶片伪彩色图像中含水率大于90%,80%和70%的像素点占整个叶片图像的比例。利用高光谱成像技术可以实现马铃薯叶片的含水率检测与分布可视化表达,为监测马铃薯生长状况以及叶片含水率分析提供新的理论根据。     

基于向前和向后间隔偏最小二乘的特征光谱选择方法

在近红外光谱分析中,向前间隔偏最小二乘法（FiPLS）和向后间隔偏最小二乘法（BiPLS）是常用的基于波长变量选择的建模方法,其模型精度较高,但贪婪搜索特性较强,导致选出的波段并不能较好地反映待测成分的信息。针对该问题,提出一种基于两者组合策略的光谱特征波段选择方法（FB-iPLS）。在光谱分段的基础上,既利用FiPLS选取有用波段,同时利用BiPLS删除无用波段,来交互执行特征变量的选择与删除,对目标特征波段进行双向选择,用于提高模型的稳健性。用该方法建立水中乙醇含量的定量预测模型,并与FiPLS和BiPLS算法对比。由于光谱分段大小会对模型的结果有影响,该实验还考查这三种方法在不同光谱分段处的结果。在光谱划分60段时,提出的FB-iPLS方法取得最佳预测性能,其校正集与验证集相关系数r分别为0.967 7,0.967 0,交互验证均方根误差RMSECV分别为0.088 8,0.057 1。与FiPLS和BiPLS相比,该方法无论在不同光谱分段区间还是在各自最优与最差分段处,模型的整体预测性能都有所提高。实验结果表明,提出的方法能改善BiPLS与FiPLS贪婪搜索的特性,对特征波段的选取更高效、更具代表性,能进一步提高模型的预测性能。     

二维相关光谱技术在含能材料快速分析中的应用研究

以单基发射药为研究对象,制备了二苯胺(DPA)含量范围为0.8%~6%的40个发射药样品,获得其在不同二苯胺含量下的动态近红外光谱,并以二苯胺为外扰,采用二维相关光谱技术对吸收峰进行准确归属,提取了二苯胺的特征波段(4 575~4 960,5 330~5 835,6 050~6 650和6 735~7 080cm-1)。以二维相关谱提取的特征波段和间隔偏最小二乘(iPLS)及反向间隔偏最小二乘(BiPLS)筛选的特征波段分别建立二苯胺偏最小二乘模型,模型的相关系数Rc和Rp均大于0.98,均方根误差RMSEC、RMSECV和RMSEP均较小,说明二维相关光谱技术提取的特征波段建立的二苯胺定量模型与iPLS和BiPLS模型的预测性能均较优,这提高了建模波段选择的化学解释性。该技术为快速分析含能材料提供了一种途径。     

四种黑檀心材的红外光谱差异化与聚类分析

利用红外光谱结合模式识别和二维相关光谱对乌木、东非黑黄檀、风车木和成对古夷苏木四种黑檀硬木心材进行鉴别和聚类分析。红外光谱显示四种木材中的主体成分为纤维素（特征吸收峰位置在~1 370, ~1 158, ~1 034和~895 cm-1附近）、木质素（特征吸收峰位置~2 935, ~1 510, ~1 462和~1 426 cm-1附近）和草酸钙（特征吸收峰位置~1 615, ~1 318和~781 cm-1附近）。三种主体成分在四种木材红外光谱之间的相对峰强度H表明：乌木和东非黑黄檀中木质素含量较高,风车木中草酸钙含量较高,成对古夷苏木中含有一定量的脂类成分。根据红外光谱的差异性选取不同的波段,优选计算参数,分别对四种硬木心材进行相关系数判别分类和SIMCA聚类分析。相关系数判别分类模式识别中,成对古夷苏木中有一个样本未得到有效的验证,但是其余三个木材样品均得到了有效验证。SIMCA聚类模式识别中,四种木材心材之间的识别率、拒绝率和验证率都达到100%,说明不同木材之间没有重叠区域,可以完全的区分识别。二维相关红外光谱中,乌木与东非黑黄檀在升温过程中纤维素的C—O和C—C基团对温度敏感性较高,风车木中草酸钙热敏性较高,成对古夷苏木中木质素的热敏性高于纤维素。红外光谱结合聚类分析和二维相关红外光谱,不仅可以对木材主体成分进行的定性和相对含量的分析,在完善聚类模型基础上还可以对木材种类进行快速、有效的分类模式识别。     

水分对土壤有机质检测影响的光谱特性分析及抗水分干扰模型建立

土壤水分对光谱表现出很强的吸收性,且土壤水分与土壤有机质的吸收波段有重叠,因此土壤水分对土壤有机质的检测造成一定的干扰。为此做了以下工作：(1)采用可见近红外光谱仪在室内获取相同含水率下不同土壤动态光谱图;(2)通过对相同含水率下不同有机质含量的二维同步相关光谱图分析得出：当土壤为烘干土样时,600和1 660 nm左右表征土壤有机质的波段出现强的自相关峰,但随着含水率的增加,这两个波段逐渐消失,由于受水分的影响,1 931,2 200和1 480 nm均形成了强的自相关峰。说明水分会掩盖表征土壤有机质信息的波段,对土壤有机质检测造成干扰。(3)为了消除水分影响,提高模型对不同含水率下土壤有机质的预测精度,将田间近似最大含水率样本参与建模,采用偏最小二乘定量分析方法在550～650和1 610～1 710 nm波段内建立了抗水分干扰土壤有机质预测模型,并对不同含水率的土壤有机质进行预测,结果表明：预测样本的相关系数为0.954,标准偏差为0.744%,标准差为0.844%,预测效果明显提高,说明此方法可减少水分对土壤有机质检测的影响。     

可见-近红外光谱的滨海土壤“除水”盐分估测

滨海盐碱区土壤盐分的快速、准确监测对土地合理利用和保护具有重要意义。可见光近红外（Vis-NIR）光谱技术已广泛用于土壤属性的高效估测。然而,水分对含盐土壤光谱的干扰导致传统土壤盐分估测模型的精度降低。旨在探究分段直接标准化（PDS）和正交信号校正（OSC）在含水条件下土壤盐分估测中的应用,从而建立面向滨海盐碱区的“除水”Vis-NIR定量模型。为此,将获取的144份黄河三角洲滨海盐碱区表层（0~20 cm）土壤盐分数据划分为建模集（17个样本）和验证集（127个样本）。通过严格加水控制实验,测量10个含水率梯度（0%,1%,5%,10%,15%,20%,25%,30%,40%和50%）的建模集土壤光谱数据,验证集的土壤光谱则是根据生成的1~50随机整数,通过随机加水实验测量获取。采用PDS和OSC与偏最小二乘回归（PLSR）结合的建模策略,构建土壤盐分估测模型,并进行性能验证和比较。结果表明,OSC比PDS更能有效减轻水分在土壤盐分估测中的建模干扰。具体来说,光谱校正前后生成的所有PLSR模型均取得一定的成功（R2_P=0.79~0.91,RMSE_P=2.6~3.98 g·kg-1,RPD=1.98~2.37）。OSC-PLSR模型的土壤盐分估测精度提高,R2_P,RMSE_P和RPD分别为0.91和2.6 g·kg-1和2.37。而PDS-PLSR模型效果不理想,R2_P,RMSE_P和RPD分别为0.79,3.98 g·kg-1和1.98。模型整体表现出了OSC-PLSR>PLSR>PDS-PLSR的土壤盐分估测性能。此外,提出了变量投影重要性（VIP）和Spearman相关系数（r）结合的分析策略,进一步探究了模型的估测机理。模型的重要波长（VIP>1）与土壤盐分敏感波长（|r|>0.4）吻合,对估测模型有重要意义。比较而言,OSC-PLSR精确提炼了位于830,1 940和2 050 nm附近的模型估测的关键波长,而常规的PLSR和PDS-PLSR包含了大量的冗余信息。综合来看,OSC-PLSR模型在Vis-NIR土壤盐分估测中具有较好的除水效果,为土壤含水状态下的土壤盐分研究提供可靠方法。     

利用外接CO_2激光源的中红外ATR光谱仪原位无创探测人体血糖浓度

糖尿病是一种严重威胁人类健康的疾病,取血检测人体血糖浓度造成病患痛苦甚至感染。因此人体血糖浓度的无创检测技术在糖尿病的临床诊断、监测和治疗上具有重要的意义,也是一个具有挑战性的热点研究课题。在目前报道的各种测试方法中,中红外光谱测试技术受到了广泛重视。利用常规光源的中红外ATR光谱仪进行无创血糖检测时,由于探测光在人体组织中穿透深度低,难以到达含有体液的间质层乃至含有血液信息的真皮层,结果导致测试数据与人体实际血糖浓度的相关性差,限制了临床应用。考虑到高强、高纯的中红外激光在人体组织中具有较深的穿透深度,且CO2激光器的1 035cm-1的发射光非常接近葡萄糖在1 029cm-1处的基频特征吸收峰,因此本文使用外接CO2激光器作为中红外ATR光谱仪的自定义外接光源,组装了新型中红外测试系统。利用此设备,测试了人手指在1 035cm-1激光辐照下的吸光度,同时利用普通光源扫描了人手指的中红外吸收光谱,记录其在1 492cm-1的吸光度。利用常规医学方法测定了人体实际血糖值。结果显示,人手指处受1 035cm-1激光辐照的吸光度与常规光源的红外光谱中1 492cm-1处吸光度的相对强度与人体血糖浓度同步改变,两波数处吸光度的比值与人体实际血糖浓度具有一定的正相关性(R=0.812 5)。测量结果可作为人体血糖值的一个新型指标,显示了外接CO2激光源的中红外ATR光谱仪在无创探测人体血糖浓度方面的临床诊断潜力。     

中红外光谱对甲醇汽油甲醇含量检测研究

甲醇汽油是一种清洁能源,甲醇汽油中甲醇的含量决定了汽油的性能。通过中红外光谱对甲醇汽油中甲醇含量进行定量检测和分析。首先,对采集的甲醇汽油原始中红外光谱进行平滑处理（smoothing）、多元散射校正（MSC）、基线校正（baseline）、归一化（normalization）等预处理,再建立PLS模型,对比选择最佳预处理方法,结果表明：在多元散射校正（MSC）处理后建立的PLS模型效果最好,模型的预测集相关系数r为0.918,预测均方根误差RMSEP为2.107。为进一步简化模型,提高预测精度,采用无信息变量消除(uninformative variable elimination, UVE)方法对波长进行筛选,将UVE波段筛选之后的作为模型的输入变量,采用偏最小二乘法（partial least squares, PLS）、主成分回归(principal components regression, PCR)和最小二乘支持向量机（least square support vector machine, LSSVM）三种方法分别建立甲醇汽油中甲醇含量的定量预测模型,并比较不同模型的预测效果和结果。结果表明,使用无信息变量消除可以较好提高数据的运算速度,其中,UVE-PLS模型建模效果最好,r和RMSEP分别为0.923和2.075。该实验表明中红外光谱检测甲醇汽油中甲醇含量是可行的并可以得到较好的效果;UVE是一种对甲醇汽油的中红外光谱非常有效的波段筛选方法,该模型的建立对石油化工领域具有较为重要的意义。     

多光谱图像的玉米叶片含水量检测

水是植物正常生长发育必不可缺的元素之一,能够快速检测并获取植物叶片水分,对田间作物灌溉生产管理和作物的生理需水特性研究等具有重要的意义。利用RedEdge-M型号多光谱相机,以不同生育期的55组玉米叶片作为试验对象,在光线充足且无阴影遮挡的环境下对试验玉米叶片样本进行拍摄,拍摄过程中通过直连下行光传感器来消除太阳高度角对光谱反射的影响,每组玉米叶片样本经过拍摄可得到蓝、绿、红、近红外和红边等5个波段的TIFF图像。借助图像处理软件ENVI5.3构建玉米叶片样本兴趣区域(ROI),以ROI范围内玉米叶片样本的平均反射光谱作为该样本的反射光谱来减小镜头边缘减光现象带来的误差。参照标准白板出厂时提供的专属标定反射率、白板ROI范围内的平均反射光谱和玉米叶片样本白板ROI范围内的平均反射光谱,比值换算得到各组玉米叶片5个波段处的光谱反射率。同时利用YLS-D型号植物营养测定仪,采用五点取样法选择玉米叶片的5个区域测取玉米叶片样本的水厚度平均值作为叶片含水量的测量指标。随机选取43组玉米叶片样本得出的光谱反射率作为训练样本,采用BP神经网络建立基于多光谱图像的玉米叶片含水量反演模型,并融合莱文贝格-马夸特理论(Levenberg-Marquardt,L-M)进行经典神经网络现有缺点的改进。输入神经元数目为5个,即蓝、绿、红、近红外和红边等5个波段图像对应的反射率,输出神经元为1个,即玉米叶片含水量。剩余12组玉米叶片作为验证样本用于模型反演数据的相关性分析,结果表明,利用多光谱图像光谱信息并结合基于Levenberg-Marquardt方法改进后BP神经网络玉米叶片含水量反演模型,模型反演的拟合相关系数能达到0.896 37, 12组验证集中玉米叶片含水量参考值和反演值的相关系数r达到0.894 8,反演结果比较理想。可以实现对玉米叶片含水量的快速准确检测,对精准农业的推广和应用提供了方法和参考依据。     

基于表面增强拉曼的鸡尾酒中苯甲酸钠和山梨酸钾的同时快速检测

基于实验室自行搭建的拉曼点扫描系统,以市售鸡尾酒为研究对象柠檬酸钠还原硝酸银配制的银溶胶作为表面增强剂,探讨了鸡尾酒中苯甲酸钠和山梨酸钾两种防腐剂的同时快速检测方法。首先确定鸡尾酒中苯甲酸钠拉曼特征峰为846.1,1 007和1 605 cm-1,山梨酸钾拉曼特征峰为1 164,1 389和1 651 cm-1,进而对它们拉曼特征位移强度稳定性及鸡尾酒中两种防腐剂对拉曼特征位移强度的相互影响进行了分析。结果表明,利用该方法采集的鸡尾酒中苯甲酸钠和山梨酸钾表面增强拉曼特征位移强度具有较高的稳定性,而且鸡尾酒中苯甲酸钠和山梨酸钾的拉曼特征位移强度相互影响并不大,具有较高的稳定性。分别制备苯甲酸钠浓度范围为0.154 3~1.5 g·kg-1的42个鸡尾酒样品及山梨酸钾浓度范围为0.062~1.5 g·kg-1的45个鸡尾酒样品,分别建立了苯甲酸钠和山梨酸钾的线性回归模型。选用最佳的苯甲酸钠1 007和1 605 cm-1二元线性回归预测模型与山梨酸钾的1 164和1 651 cm-1二元线性回归预测模型,对不同浓度苯甲酸钠和山梨酸钾43个鸡尾酒样品进行了苯甲酸钠和山梨酸钾同时预测验证。结果显示,鸡尾酒中苯甲酸钠和山梨酸钾预测值与实际值相关系数(r)分别为0.949 3和0.921 8,均方根误差(RMSE)分别为0.088 2和0.142 9 g·kg-1。基于银溶胶表面增强拉曼完全可以实现鸡尾酒中苯甲酸钠和山梨酸钾两种防腐剂的快速同时检测,为液态食品中防腐剂的同时快速监测提供了技术支撑。     

可见和近红外透射光谱结合区间偏最小二乘法(iPLS)用于橄榄油中掺杂煎炸老油的定量分析

为探寻一种快速可靠的分析方法用于橄榄油中掺杂煎炸老油含量的测定,实验采用可见和近红外透射光谱分析技术结合区间偏最小二乘法(interval partial least squares, iPLS)、联合区间偏最小二乘法(synergy interval partial least squares, SiPLS)和反向区间偏最小二乘法(backward interval partial least squares, BiPLS),对掺杂不同含量煎炸老油的橄榄油建模分析,并对不同模型比较优选。采集样品400~2500 nm范围内的光谱,对光谱数据进行Savitzky-Golay(SG)平滑去噪。剔除奇异样本后,采用sample set partitioning based on joint X-Y distance(SPXY)法划分样本集,以不同的iPLS优选建模区域,建立煎炸老油含量预测模型。结果表明：对掺杂不同含量煎炸大豆油的橄榄油,采用划分20个区间,选择2个子区间[4, 16]建立的SiPLS模型预测效果最好,相关系数(R_p)达0.998 9,预测均方根误差(RMSEP)为0.019 2。对掺杂不同含量煎炸花生油的橄榄油,采用划分20个区间,选择2个子区间[2, 16]组合建立的SiPLS和BiPLS模型具有相同的预测效果,预测均方根误差(RMSEP)为0.0120,均优于iPLS模型。此外,与SiPLS模型相比,BiPLS模型运算量少,速度快。由此可见,基于掺杂油样品的可见和近红外透射光谱,分别采用组合区间偏最小二乘法(SiPLS)和反向区间偏最小二乘法(BiPLS)优选建模光谱区域,可以对橄榄油中掺杂煎炸大豆油和煎炸花生油含量进行准确测定。而且,实验过程无需对掺杂油样品进行预处理,无环境污染,操作简单,快速无损。     

基于近红外光谱法的多组分复杂溢油源定量建模分析

研究利用近红外光谱分析方法进行模拟复杂混合溢油源的定量分析问题。选取汽油、柴油、煤油三种轻质石油类产品,按照不同浓度比例配置成40个模拟混合溢油样本,利用傅里叶变换近红外光谱仪采集其在4 000～12 000 cm-1谱区范围内的近红外光谱;采用不同预处理方法,利用偏最小二乘算法建立混合溢油样本三组分各自的浓度定量模型。汽油、柴油和煤油的最优预处理方法均为二阶导数方法,分别在8 501.3～7 999.8 cm-1,6 102.1～4 597.8 cm-1,6 549.5～4 597.8 cm-1,7 999.8～7 498.4 cm-1和6 102.1～4 597.8 cm-1谱区范围内,预测模型的决定系数R2分别为0.998 2,0.990 2和0.993 6;RMSEP值分别为0.474 7,0.936 1和1.013 1;RPD值分别为25.126 9,10.517 3和13.072 0。实验结果表明：利用近红外光谱分析技术结合化学计量学方法能够定量确定模拟混合溢油样本中各组分的浓度,为海洋复杂溢油源的定量检测与分析提供有效手段。