近红外光谱结合一类支持向量机算法检测鸡蛋的新鲜度

研究利用近红外光谱技术结合模式识别方法识别鸡蛋的新鲜度,在识别模型建立过程中,引入一类支持向量机(OC-SVM)算法解决新鲜蛋和非新鲜蛋训练样本数量不平衡问题。首先获取鸡蛋在10 000～4 000 cm-1范围内的近红外漫反射光谱,通过主成分分析方法提取光谱数据中的特征信息,优选了3个主成分作为模型的输入向量,然后采用OC-SVM区分新鲜蛋和非新鲜蛋。在模型建立过程中,对相关参数进行了优化,试验结果显示在相同条件下,OC-SVM模型识别结果较传统的支持向量机模型好。最优OC-SVM模型对新鲜蛋和非新鲜蛋的识别率均为80%,传统的支持向量机对新鲜度的识别率为100%,对非新鲜度的识别率却为0%。研究结果表明利用近红外光谱快速识别鸡蛋新鲜度方法是可行的;OC-SVM算法为训练样本数量不平衡提供了一种有效的解决方法。     

两类红花和牛黄的太赫兹光谱法真伪鉴别分析

藏红花和天然牛黄是广泛应用于临床实践的中药材，由于产量较低、药用价值和价格高，市场需求量大等因素，掺伪和伪品较多，不仅严重损害患者健康，而且妨碍市场正常运转。传统的“一看、二闻、三泡”等经验鉴别方法已经越来越难以分辨高仿伪品；而通过化学提取和色谱、质谱等理化检测方法往往步骤繁琐、费时，且对检测环境、人员及设备的要求和依赖度较高，不能适应现场、快速、简便等实际需求，亟需探索新的有效检测方法和鉴别技术。太赫兹时域光谱(THz-TDS)不但具有单纯化合物的高度专属性和特异性，又具有混合体系的“宏观指纹特征”，可以鉴别混合物化学成分的多样性和复杂性。另外，主成分分析(PCA)作为一种常用的统计分析手段，主要是用少数几个且能最大解释原始数据方差的综合变量来取代原始变量，可以对不同种类的样本进行模式识别。采用粉末研磨压片技术分别压制了藏红花和草红花样品各18个、天然牛黄和人工牛黄各20个，并利用太赫兹时域光谱测试技术分别测量了两种名贵中药材及其伪品在0.3～2.5 THz范围的吸收光谱，最后利用主成分分析方法对获得的光谱数据进行分类识别。为了提高PCA对测试数据的鉴别能力，一方面将数据集映射到一组基(特征向量)进行简化，选用较大的特征值代替原来的主要光谱信息；另一方面，为了消除无关因素对分类处理的干扰，在进行PCA之前采取了Savitzky-Golay(S-G)平滑处理进行降噪，去除冗余、不相关的光谱特征；然后通过Fisher诊断线进行判别分析。对比未处理和经过S-G平滑处理的主成分得分图，可以看出平滑处理后的分类效果明显优于未做处理的，在未处理的得分图中，两类样品点重叠比较严重，而经过平滑后的得分图却只有相对较少的部分样品点重叠，由此可以看出SG平滑在光谱识别中的重要性；另外，前两个主成分(PC1和PC2)已经基本能反映光谱之间的差异性。分类结果显示，藏红花和草红花具有明显的聚类趋势，分类鉴别准确率均为100%；而人工牛黄和天然牛黄的类内样品基本聚在一起，但是类间略有重叠，分类鉴别准确率分别为100%和90%。除此之外，样本的主成分得分图还可以反映样本的内部特征和聚类信息。其中，藏红花样本由于藏红花素、藏红花酸等化合物成分含量较高，聚合度较好，分布范围相对集中；反之，天然牛黄为胆囊分泌物，成分较为复杂，聚类效果较差，分布范围较广。研究结果表明，太赫兹光谱技术结合主成分分析可以区分藏红花和草红花以及天然牛黄和人工牛黄，结果可靠。该研究结果为丰富中草药的质量标准提供检测手段和理论依据。     

近红外光谱法对甲醇柴油中甲醇含量测定

应用近红外光谱结合化学计量学方法实现了对甲醇柴油中的甲醇含量的定量分析。以实验室配制的32种不同浓度[浓度范围为2%～25.8%(φ)]的甲醇柴油溶液为研究对象,在4 500～7 000 cm-1光谱范围内,建立偏最小二乘(PLS)、支持向量机(SVM)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)三种定量分析模型。在建立SVM模型时,经过比较分析,径向基函数(radial basis function,RBF)作为SVM模型的核函数时可以获得更高的预测精度。最终获得甲醇含量的PLS, SVM和LS-SVM三种模型的预测相关系数R_P分别为0.985 9, 0.990 3, 0.998 9,预测均方根误差RMSEP分别为0.405 2, 0.356 3, 0.062 4,可以看出,三种预测模型都可以达到很好的效果,最优的预测模型是使用LS-SVM建模。研究结果表明,利用近红外光谱法结合化学计量学方法对甲醇柴油中甲醇含量的检测具有可行性,并可以达到很好的效果。采用近红外光谱技术结合化学计量方法对甲醇柴油中甲醇含量进行定量分析,也为近红外光谱技术快速无损检测甲醇柴油甲醇含量提供参考和应用价值。     

基于符号熵特征提取方法的特种品质鸡蛋近红外光谱鉴别分析

特种品质鸡蛋的快速、无损、准确鉴别是目前急需解决的问题。提出利用符号熵特征提取方法进行特种品质鸡蛋的近红外光谱鉴别。选择普通鸡蛋、柴鸡蛋、富硒蛋和富锌蛋作为研究对象,测得其在12 000～4 000cm-1范围内近红外漫反射光谱,基于符号聚合近似算法进行符号化表示,提取符号光谱序列的符号熵作为特征向量,然后设计纠错编码支持向量机多类分类器对光谱进行定性鉴别。算法参数变化时,符号熵特征表现出很好的鲁棒性,最高识别率达100%。研究结果表明利用近红外方法鉴定特种品质鸡蛋是可行的,同时符号熵可作为一种新的近红外光谱特征提取方法。     

DPLS和SVM的掺假花椒粉近红外光谱定性鉴别

花椒是我国的八大调味料之一。目前花椒市场掺假现象较为多见,为实现掺假花椒粉的快速定性鉴别,采用了近红外光谱结合化学计量学方法进行了探讨。将麦麸粉、稻糠粉、玉米粉和松香粉以1 Wt/Wt.%的递增梯度分别掺入红花椒粉和青花椒粉中,制备掺假浓度范围为1~54 Wt/Wt.%的掺假花椒粉样品,以掺假花椒粉和纯花椒粉共462份样品依次采集其800~2 500 nm范围的漫反射近红外光谱。采用主成分分析法(PCA)对光谱数据进行分析,前3个主成分累计贡献率达98.72%,做出的得分图表明PCA法对掺假的花椒粉具有较好的区域划分。347份样本作为校正集,以特征谱区2 000~2 200 nm范围的257个采样点的光谱信号作为输入,采用判别偏最小二乘法(DPLS)和支持向量机(SVM)建立定性鉴别模型,经不同光谱预处理,对115份验证集样本进行预测,总体鉴别正确率在97.39%~100%之间,表明该方法是快速定性鉴别掺假花椒粉的一个有效手段。     

基于近红外光谱与支持向量机的纸浆卡伯值在线测量

提出了用近红外光谱漫反射技术和支持向量机建模方法实现纸浆卡伯值在线测量的新方法。采集45份松木浆样品的近红外漫反射光谱,选择各样品15个振动吸收峰对应的吸收率,采用动态独立分量分析(DICA)对输入样本数据进行特征提取,建立基于支持向量机(SVM)的纸浆卡伯值预测模型。45份样品中选择35份组成校正集,另10份作为预测集对模型进行验证。基于支持向量机的纸浆卡伯值预测模型外部验证均方差和确定系数分别为0.26和0.93;基于线性回归的纸浆卡伯值预测模型外部验证均方差和确定系数分别为0.45和0.81。研究结果不仅表明纸浆卡伯值近红外测量方法的可行性和有效性,而且验证了基于支持向量机的纸浆卡伯值预测模型比线性回归模型具有更高的准确性和鲁棒性。     

基于可见光-近红外光谱的煤岩识别方法实验研究

以淮南矿区谢桥矿和潘二矿的煤和岩石样本为研究对象,通过地物光谱仪采集样本反射率光谱曲线,同时检测样本氧化物含量、水分、灰分及挥发分含量,将样本的反射率光谱曲线和样本成分含量分别作为自变量,样本类别“煤”和“岩石”两种矿物类型作为因变量,建立煤和岩石识别模型对煤和岩石进行二分类。该研究主要采用三种模型,分别为主成分分析结合支持向量机(PCA-SVM)、主成分分析结合BP神经网络(PCA-BP)模型和核主成分分析结合支持向量机(KPCA-SVM)模型。结果表明,基于可见光近红外光谱的三个模型中,核主成分分析结合支持向量机模型的识别精度最高,建模平均精度为95.5%,验证平均精度约为90.56%;基于样本成分的三个模型中,核主成分分析结合支持向量机模型的识别精度最高,建模平均精度为98.5%,验证平均精度约为95%。     

木材表面光泽度的近红外漫反射光谱技术快速测定研究

表面光泽度是天然高分子材料(如木材)及其制品的重要视觉参数之一,实现天然高分子材料及其制品表面光泽度的快速测定对其表面质量的在线控制与评价具有重要意义。为了实现近红外光谱技术对木材表面光泽度的快速测定以及拓宽近红外光谱技术在高分子材料表面质量控制领域的应用,本研究利用近红外光谱技术结合偏最小二乘法对天然高分子材料木材表面光泽度的模型预测值与实测值的相关性进行研究,探讨了近红外漫反射光谱技术快速测定天然高分子材料木材表面光泽度的可行性。结果表明:(1)木材表面光泽度与其近红外漫反射光谱密切相关,说明木材表面近红外光谱特征中包含表面光泽度的信息;(2)通过偏最小二乘法建立木材表面光泽度的近红外光谱预测模型,模型对木材表面光泽度的预测值与实测值的相关系数可达0.90;(3)通过改变采谱光纤与木材样品表面的夹角获得不同的漫反射光谱数据,分别建立不同的木材表面光泽度预测模型发现,采集光谱的光纤与样品表面的角度变化对结果影响不显著,光纤与样品表面夹角为90°时的结果相对较好。     

基于最小二乘支持向量机的国公酒中橙皮苷含量测定

应用近红外光谱技术结合最小二乘支持向量机建立了国公酒中橙皮苷含量的模型。利用Kernard-Stone法对训练集样本进行划分,对光谱数据预处理方法进行了选择,比较了平滑、范围标度化、自标度化、一阶微分、二阶微分以及这几种预处理相互结合的六种方法,确定了以平滑、一阶微分,范围标度化作为国公酒近红外光谱的数据预处理方法,采用组合的间隔偏最小二乘法筛选出有效波段8 211～8 312 cm-1及9 712～9 808 cm-1。应用最小二乘支持向量机建立模型,所建模型的交叉验证误差均方根为0.000 1,预测误差均方根为0.004,预测集的相对偏差小于5%。与组合的间隔偏最小二乘法、径向基-人工神经网络和支持向量机进行了比较。该方法快速、无损且可靠,可作为国公酒中橙皮苷含量快速测定的手段。     

高光谱技术的羊肉品种多波段识别研究

利用可见/近红外(400～1 000 nm)及近红外(900～1 700 nm)高光谱成像技术对宁夏地区滩寒杂交、盐池滩羊、小尾寒羊三个品种羊肉进行识别研究。针对不同波段光谱特点,分别优选出Baseline及SG卷积平滑光谱预处理方法,并运用连续投影算法(SPA)提取特征波长,结合线性判别分析(LDA)及径向基核函数支持向量机(RBFSVM)模型进行全波段及特征波长识别分析。结果表明不同波段高光谱对羊肉品种识别均获得较好效果,其中400～1 000 nm波段采用Baseline-Fullwave-RBFSVM及12个特征波长下准确率为100%与98.75%,900～1 700 nm波段采用Baseline-Fullwave-RBFSVM及7个特征波长下准确率为96.25%与87.80%;RBFSVM非线性分类准确率高于LDA线性判别结果,400～1 000 nm波段识别准确率优于900～1 700 nm波段,说明三种羊肉在色泽纹理上差异比成分含量显著,利用高光谱成像技术结合RBFSVM方法能够获得较优的羊肉品种识别效果。     

基于支持向量机算法的红外光谱技术在奶粉蛋白质含量快速检测中的应用

蛋白质是奶粉中重要的营养成分,实现对奶粉中蛋白质含量的快速、无损检测十分重要。文章采用近红外及中红外光谱技术检测了不同品种奶粉的蛋白质含量。采用最小二乘支持向量机对光谱透射率值和蛋白质值建模。模型在全波段对样本蛋白质含量预测得到了较好的结果,绝对系数(R2_p)达到0.9517,预测误差均方根(RMSEP)为0.520 201。预测结果要优于传统的偏最小二乘回归(PLS)的预测结果,说明红外光谱技术能够实现奶粉蛋白质含量的无损检测,且检测过程比传统化学检测方法简单,操作性强。文章同时还研究了分别基于中红外光谱范围和近红外光谱范围的建模。模型预测结果显示中红外光谱区域的建模效果要优于近红外光谱区域。该研究为今后奶粉蛋白质含量快速无损检测提供了新的方法。     

基于近红外自相关谱检测奶粉中的三聚氰胺

发展了一种基于近红外自相关谱定性定量分析掺三聚氰胺奶粉的检测方法。分别配置40个纯奶粉样品和40个不同质量百分比浓度的掺三聚氰胺奶粉(10-4%～40%, w/w)样品,采集了所有样品的一维近红外漫反射光谱,以奶粉中掺入的三聚氰胺浓度为外扰进行相关计算,选择随浓度变化敏感的7 000～4 200 cm-1为建模区间。在提取自相关谱信息的基础上,建立了定性定量分析掺三聚氰胺奶粉的偏最小二乘模型,并与常规一维近红外谱模型的预测结果进行了比较。所建立的方法对未知样品的识别正确率为100%,预测均方根误差(RMSEP)为0.63%;而一维近红外谱的识别正确率为96.2%,RMSEP为0.84%。研究结果表明：相对于常规一维近红外谱,所建立的方法能提供更好的预测结果,其原因可能是自相关谱能提取更多的特征信息。     

基于近红外的奶粉品质检测技术研究

奶粉种类繁多且检测的理化指标较多,为了进一步简化近红外光谱检测技术在奶粉生产过程中的应用步骤,文章首次提出了建立包含不同种类奶粉样品集的6个指标：酸度、脂肪、乳糖、蔗糖、蛋白和灰分的近红外模型,用于奶粉质量控制。该文采用全谱分析结合模型优化方法研究,分别建立了该混合奶粉样品集的6个指标的近红外模型。实验表明：除酸度外,该研究所建立混合奶粉的其他理化指标的近红外定标模型具有较好的稳定性和预测能力(RSD<10%,RPD>3)。因此该方法的提出可以简化近红外技术在奶粉定量分析中的步骤。     

近红外和电子鼻数据融合识别不同香型风格

分别基于近红外和电子鼻融合数据、近红外数据以及电子鼻数据建立判别烟叶清香型、中间香型和浓香型三种香型风格的定性判别模型,结果表明虽然三种模型的建模准确率差异不大,都超过了89.00%,但基于融合数据建立的模型对中间香型和浓香型的预报准确率分别为82.67%和80.00%,比仅仅利用近红外数据建立模型的72.41%和73.33,也比仅仅基于电子鼻数据建立模型的68.97%和53.33%都有明显的提高。融合后预报准确率提高的可能原因是：电子鼻风味分析仪对于影响中间香型和浓香型的烟叶致香成分感应更加灵敏,捕获的信息也更多,这些新的信息可以作为NIR数据信息的有利补充,可用于建立烟叶香型分类判别准确率更高的模型。同时本研究还基于相同的融合数据,对比不同数据挖掘算法建模和预报结果差异性。实验结果表明：人工神经网络的建模结果高于支持向量机建模,人工神经网络模型的预报结果准确率只有65.00%,远低于支持向量机模型的预报结果的83.75%。这也验证了支持向量机算法可以在建模过程中减少过拟合。该研究可以为快速鉴别烟叶香型风格提供支撑,而且随着研究的深入可以争取为烟草系统的专业评吸人员提供辅助的鉴别方法。     

近红外光谱技术快速检测莲子粉

莲子是我国重要的药食同源食物,与莲子营养价值相当、便于食用的莲子粉备受消费者青睐。为保证莲子粉的品质,利用近红外光谱(NIRs)技术对掺杂小麦粉、玉米粉和地瓜粉的莲子粉进行鉴定,在样品类别已知下利用支持向量机(SVM)、最小二乘支持向量机(LS-SVM)、偏最小二乘法-判别分析(PLS-DA)模型进行判别,在样品类别未知下基于聚类算法进行判别。同时,对莲子粉中水分含量利用偏最小二乘(PLS)回归进行定量分析。结果表明,LS-SVM模型对纯莲子粉样品与掺入小麦粉、玉米粉和地瓜粉的莲子粉样品的判别率达到100%;基于聚类算法能够有效识别掺入5%地瓜粉、小麦粉和玉米粉的莲子粉样品;PLS模型对莲子粉中水分含量预测综合性能良好,其中经过标准化预处理得到模型效果最佳,其R2_c,RMSEC,R2_p和RMSEP分别达到0.973 2,0.111 5,0.969 5和0.118 9。近红外光谱技术能为隐蔽的莲子粉掺杂的鉴别以及莲子粉中水分含量监控提供一种快速、准确、无损检测的分析方法,为保证高档次莲子品质提供一种有益的思路。     

近红外光谱在爆炸物粉末表面沾染遥测中的应用

针对爆炸恐怖事件预防和打击领域内的大范围开放空间下制爆运爆可疑人员衣物表面沾染爆炸物粉末检测问题,研究基于近红外光谱的爆炸物粉末表面沾染遥测方法。研制了一套近红外成像光谱数据采集系统,采集了多种爆炸物粉末和沾染基底的近红外反射光谱,制备了多个爆炸物粉末表面沾染样本。针对表面沾染检测应用中爆炸物粉末与沾染基底近红外反射特征混叠问题,利用近红外光谱数据处理技术构建近红外光谱解混校正模型,去除了沾染基底信号对爆炸物粉末目标识别的干扰。针对遥测应用中光源照射不均匀问题造成的干扰（如强光反射造成的光谱信号饱和,光线遮挡造成阴影引起的信号微弱,引起光谱反射率测量异常问题）,对目标校正得分图进行有效过滤避免误识别问题。此外,针对背景噪声较大时出现光谱预处理过度造成的误识别问题,利用目标原始光谱反射率均值和得分图综合判别加以校正解决。通过实验验证,提出的方法成功解决了表面沾染特征混叠问题、去除了遥测中光照及其他噪声因素的干扰影响,避免了误分类,在典型背景材质棉麻、化纤布料基底上成功识别分类AP（高氯酸铵）、CL-20（六硝基六氮杂异伍兹烷）、NQ（硝基胍）、RDX（黑索金）、TATB（三氨基三硝基苯）、硝娣（工业炸药）、烟花爆竹等爆炸物粉末单质及混合物,验证了系统及方法的有效性和可行性,首次在实验室环境下实现了爆炸物粉末表面沾染遥测成像报警,有效距离可达数十米,具备一定应用价值与发展潜力。     

高光谱成像的三七粉质量等级无损鉴别

三七粉是三七的主要消费和商品形式,市场上存在以次充好、甚至是掺假的现象,由于是粉状物料,难以用肉眼判别,为了实现对不同质量等级的三七粉进行无损鉴别。将30头、40头、60头和80头的三七主根研磨成粉,制备样本。采用可见近红外高光谱成像系统（400.68～1 001.61 nm）采集4种不同头数三七粉,共计384个样品的高光谱图像,提取高光谱图像感兴趣区域(ROI)的平均光谱值作为样本原始光谱。将384个三七粉样本按2∶1的比例划分训练集和测试集。采用卷积平滑（SG）、多元散射校正（MSC）和标准正态变量变换（SNV）3种预处理方法对三七粉样本光谱信息进行预处理并建立支持向量机(SVM)分类模型,通过比较基于3种预处理方法的SVM模型测试集分类准确率,确定SNV为最优预处理方法。采用迭代保留信息变量（IRIV）、变量组合集群分析（VCPA）和变量组合集群分析混合迭代保留信息变量（VCPA-IRIV）3种特征选择方法提取SNV预处理后光谱的特征波长并建立基于特征光谱和原始光谱的SVM分类模型,通过比较基于3种特征选择方法得到的特征波长建立的SVM模型测试集分类准确率,发现将VCPA与IRIV相结合的VCPA-IRIV为最优特征选择方法。VCPA-IRIV提取了18个特征波长代替全光谱数据参与建模,该算法在降低模型复杂度的同时保持了模型的分类精度。为了提高模型的分类精度,采用引力搜索算法（GSA）对SVM模型中惩罚因子c和核参数g进行寻优,并与网格搜索（GS）的结果进行比较,结果表明,VCPA-IRIV-GSA-SVM模型分类效果最好,测试集分类准确率达到100%。可见,利用可见近红外高光谱成像对三七粉进行质量等级无损鉴别是可行的,为市场上三七粉的质量等级鉴别提供了参考。