基于SG-CARS-IBP的圣女果可溶性固形物可见/近红外光谱无损检测

圣女果可溶性固形物(SSC)含量对圣女果内部品质影响至关重要,但基于高光谱成像及介电性质特征的SSC检测技术存在局限性,且目前鲜见圣女果SSC无损检测模型。为实现圣女果SSC的无损检测,提出基于圣女果可见/近红外光谱特征的SCC预测模型构建,及改进的BP神经网络算法研究,以期解决圣女果内部品质的快速无损检测。以圣女果为研究对象,试验样本188个,将其划分为训练集150个和测试集38个,采用可见/近红外光谱采集系统获取350～1 000 nm范围内的圣女果表面反射强度,经光谱校正得样本反射率,为增强信噪比,截取481.15～800.03 nm范围内的光谱波段作为有效波段进行分析。通过对比三种预处理模型,对有效波段进行SG平滑(Savitzky-Golay Smoothing)预处理,建立BP神经网络预测模型,测试集决定系数(R²)和均方根误差(RMSE)分别为0.578 5和0.563 9;在此基础上,对BP神经网络的网络结构进行改进,寻求BP神经网络最优预测结构,计算输出层与期望值间误差,调整网络结构参数,将隐含层学习率和神经元个数分别设置为0.01和5,建立改进...     

基于高光谱和BP神经网络的棉花冠层叶绿素含量联合估算

冠层叶绿素能够有效反映植被的生长状况。为了基于高光谱精确估算冠层的叶绿素含量,以棉花为研究对象,实测棉花冠层光谱反射率和叶绿素含量,然后进行原始光谱数据转换,计算高光谱参数,分析叶绿素含量与高光谱参数之间的相关关系,构建估算棉花冠层叶绿素含量的BP神经网络模型。结果表明:包络线去除处理后,冠层反射率和叶绿素含量的相关性在560～740 nm波段范围内提高了10.7%,效果优于原始光谱和一阶微分光谱得到的结果;基于原始光谱和去除包络线光谱建立的植被指数mSR、mND、NDI、DD与叶绿素含量表现出较高的相关性,相关系数均在0.8左右;在所建的BP神经网络模型中,基于包络线光谱指数建立的模型的决定系数为0.85,均方根误差和相对误差分别为1.37、1.97%,这一结果优于基于红边参数、原始光谱植被指数和一阶微分光谱指数建立的模型。本研究可为作物叶绿素含量估算的实际应用提供理论依据和技术支持。     

基于高光谱图像的生菜叶片水分预测研究

为了便于生菜合理施水管理,力求构建生菜叶片水分检测模型。采集生菜叶片获取高光谱图像并同时测量叶片含水率,分析高光谱图像寻求生菜叶片水分特征波段,处理特征波段处的波段图像,求取生菜叶片水分的图像特征,并通过相关性分析筛选出其中与水分相关性高的图像特征。由于图像特征之间存在可能的相关性,利用偏最小二乘PLS提取图像特征的主成分,作为具有回归预测能力的BP神经网络的输入,构建PLS-ANN模型。同时分别利用BP神经网络、传统的多元回归方法MLR建模,采用相同的样本数据分别对三种模型进行预测试验,结果表明,发棵期的PLS-ANN网络模型的生菜叶片水分预测平均误差率达到9.323%,比BP-ANN和MLR预测模型均有了改善。     

基于可见-近红外光谱技术的炭疽病侵染后油茶叶片叶绿素含量预测研究

分析炭疽病侵染后油茶冠层的可见-近红外光谱特征,探索建立病害胁迫下油茶冠层叶片叶绿素含量的预测模型。通过实地调查病情指数,获取不同病害程度的油茶冠层叶片光谱数据及其叶绿素含量,并对光谱数据进行了一阶微分与滑动平均滤波相结合的预处理,再通过光谱数据重采样,提取敏感波段建立了叶绿素含量的BP神经网络预测模型。结果表明:(1)随着病情的加重,油茶冠层光谱可见光区域的反射峰和吸收谷逐渐消失;红光到近红外陡峭的红边被逐渐拉平;在近红外区域,健康油茶的光谱反射率明显大于感病油茶的光谱反射率。(2)微分光谱484～512,533～565,586～606和672～724nm四个波段是叶绿素吸收和反射的敏感波段。(3)以敏感波段为输入变量建立的BP神经网络模型,其计算出的预测值与观测值之间的相关系数r和均方根误差分别为0.992 1和0.045 8。因此,利用可见-近红外光谱技术预测炭疽病侵染后油茶叶片叶绿素含量是可行的。     

基于近红外光谱与误差反向传播神经网络技术的三种人工林木材识别研究

利用近红外光谱结合误差反向传播神经网络(BP)对三种人工林木材(尾叶桉、马尾松、南方无性系I-72杨)进行识别,探讨隐含层神经元个数、光谱预处理方法、光谱范围对BP网络模型的影响,并与SIMCA法所建模型做比较。结果表明：(1)BP网络结合全波段(780～2 500 nm)近红外光谱数据建模,识别正确率达到97.78%,并确定隐含层神经元数为13;(2)全波段光谱建模比短波段(780～1 100 nm)和长波段(1 100～2 500 nm)光谱建模识别效果好,其识别正确率分别为97.78%, 95.56%和96.67%,用一阶导数和二阶导数对全波段光谱进行预处理后,BP网络模型识别正确率分别为93.33%和71.11%;用多元散射校正(MSC)对全波段光谱进行预处理后,BP网络模型识别正确率为98.89%,(3)在三种波段(780～2 500,780～1 100和1 100～2 500 nm)光谱建模的情况下,BP网络建模识别正确率分别为95.56%, 96.67%和97.78%,SIMCA模型识别正确率分别为76.67%, 81.11%和82.22%,BP网络建模比SIMCA法建模对三种人工林木材的识别正确率高。     

基于高光谱的番茄叶片过氧化物酶活力测定

用高光谱图像技术结合化学计量学方法,实现了番茄叶片中过氧化物酶(POD)活性的快速检测。利用高光谱图像的光谱特征建立预测模型步骤为：采集高光谱图像数据、获取光谱曲线、光谱数据预处理、提取特征波段、建立POD酶活性预测模型。与预处理方法(SG,SNV,MSC,1-Der和2-Der)相比,DOSC预处理对POD酶活性预测效果最好。研究表明：以443,464,413,410,401,402,426和926 nm这八个特征波段的光谱数据建立的DOSC-SPA-PLS模型对POD酶活性预测结果为R_p=0.935 3,RMSEP=37.80 U·g-1。这说明高光谱图像技术测定番茄叶片POD活性具有可行性,且预测结果令人满意,这为抗氧化酶活性和番茄植株生长状况的动态检测提供了新的方法。     

基于灰色关联法的春小麦叶片含水量高光谱估测模型研究

利用高光谱植被指数反演植被水分含量时,快速、准确的找到实测光谱数据与植被水分相关性最高的植被指数是研究的重点。在农田尺度上,以春小麦野外光谱数据与叶片含水量的定量关系为基础,通过灰色关联度分析,筛选出与叶片含水量灰色关联度较高的5种典型的水分植被指数,并建立了估算春小麦叶片含水量(LWC)的偏最小二乘回归(PLSR)模型和BP神经网络(back propagation artificial neural networks, BP ANN)模型。结果表明：(1)光谱一阶导数可以有效去除噪声影响并突出光谱特征信息,尤其是在750～830,1 000～1 060和2 056～2 155 nm等区间明显提高了与LWC的相关性。(2)灰色关联法能够较好的表征各水分植被指数与叶片含水量间的关联性,其中基于原始光谱建立的前5个水分植被指数都是两波段比值植被指数,基于光谱一阶导数建立的水分植被指数基本上都是两波段归一化差值植被指数。(3)所建立的两种模型中,基于光谱一阶导数建立的PLSR和BP神经网络模型R2分别为0.80和0.81,稳定性基本相同且都较好;两种模型RMSE都是0.55,RPD分别为2.01和1.41,说明PLSR模型的预测精度比BP神经网络模型高。从模型的验证效果来看,PLSR模型在估算春小麦叶片含水量方面有一定的优势,为高光谱定量反演春小麦叶片含水量提供一定的参考。     

玻璃温室环境下番茄叶绿素含量敏感光谱波段提取及估测模型

为了快速、准确估测番茄叶片叶绿素含量,利用光谱分析技术研究了玻璃温室环境下番茄叶绿素含量敏感光谱波段提取及其估测模型。番茄以基质方式栽培,在结果期使用ASD FieldSpecTM HH型便携式光谱辐射仪采集叶片光谱,并采用752型紫外-可见分光光度计测定其叶绿素含量。从原始光谱、吸光度光谱、一阶微分光谱、去除包络线光谱出发,进行光谱预处理,分析了净化图谱信息、突出作物叶绿素含量光谱特征的有效性。其中,吸光度光谱在可见光部分增强了光谱响应特征,去除包络线光谱和一阶微分光谱均具有较强的蓝光、红光吸收谷和绿光反射峰。又结合波段间自相关分析和多重共线性诊断提取了番茄叶绿素含量敏感光谱波段,原始光谱特征波段为639,672,696,750,768 nm;吸光度光谱特征波段为638,663,750,763 nm;去包络线光谱特征波段为436,564,591,612,635,683,760 nm;一阶微分光谱特征波段为516,559,778 nm。最后,应用4种预处理下的番茄叶绿素含量敏感光谱波段分别建立多元线性回归模型,模型精度由高至低分别为去包络线、吸光度、原始、一阶微分,其中去包络线模型校正集决定系数R2_c为0.88,验证集决定系数R2_v达到0.82,具有较好的预测能力。     

基于血清紫外-可见吸收光谱的胆固醇含量研究

将血清紫外-可见吸收光谱与神经网络理论结合用于血液中胆固醇含量的分析。研究表明,在350～600 nm波段范围内, 吸收光谱具有以下几个特征：(1)不论胆固醇含量如何,在416 nm处均有一个较强的吸收峰;(2)在波段450～500 nm之间有一肩峰, 其中心波长位于460 nm处; (3)在578 nm处还有一个较弱的峰;(4)不同胆固醇含量的吸收光谱的形状是明显不同的。血清吸收光谱是胆固醇等多种组分光谱叠加的结果, 416 nm处的吸光度与胆固醇含量之间无明显相关性,呈现出一种随机的关系, 因此不能由416 nm处的吸光度来确定胆固醇的含量是否异常。基于波段455～475 nm范围内血清的吸光度与胆固醇含量有明显的相关性,文章构建了血清吸收光谱与胆固醇含量之间关系的神经网络模型。     

基于变量优选和ELM算法的土壤含水量预测研究

土壤水分含量(SMC)的快速估测对干旱半干旱地区的精准农业发展具有重要的意义。以渭干河-库车河绿洲为靶区,采用小波变换(WT)对反射光谱进行1~8层小波分解,通过相关性分析确定最大分解层数,再通过竞争性自适应重加权(CRAS)、连续投影算法(SPA)和CARS-SPA耦合算法进行特征波长筛选。基于全波段构建BP神经网络模型和基于特征波长构建BP神经网络、支持向量机、随机森林和极限学习机模型,并进行对比分析。结果显示: (1)随着小波分解的进行,总体上L6在去噪的同时还尽可能的保留了光谱原始特征,为最大分解层;(2)小波变换和CARS-SPA算法的结合使其在建立模型时较为彻底的去除噪声和无信息变量,同时消除变量间的共线性; (3)在所有的SMC预测模型中,相对于BP神经网络、SVM,ELM和RF具有更好的预测能力,其中L6-CARS-SPA-ELM精度最高,其RMSEC=0.015 1,R2_c=0.916 6,RMSEP=0.014 2,R2_p=0.935 4,RPD=2.323 9。这体现出ELM预测模型对非线性问题的强解析能力和模型的稳健性,为该研究区SMC的预测提供新的思路。     

BP神经网络结合ATLD与三维荧光光谱法测量水中多环芳烃

多环芳烃(PAHs)是煤,石油,木材,烟草等燃料和有机高分子化合物等有机物不完全燃烧时产生的一种持久性有机污染物。迄今已发现有200多种PAHs,其中有多种PAHs具有致癌性。PAHs广泛分布于我们生活的环境中,水中的PAHs主要来源于生活污水,工业排水和大气沉降。使用三维荧光光谱法,结合BP神经网络与交替三线性分解(ATLD)算法对水中的PAHs进行定性和定量分析。以苊（ANA）和芴（FLU）2种PAHs为目标分析物,用甲醇（光谱级）制备样本。使用FS920稳态荧光光谱仪对样本进行检测,设置激发波长为200～370 nm,间隔10 nm记录一个数据;发射波长为240～390 nm,间隔2 nm记录一个数据。设置初始发射波长总是滞后激发波长40 nm,以消除一级瑞利散射的干扰。随后使用BP神经网络法对待测样本数据进行预处理。利用BP神经网络基于误差反向传播算法(error back propagation training,BP)原理,对测得的三维荧光数据进行数据压缩处理,该方法具有柔性的网络结构与很强的非线性映射能力,网络的输入层、隐含层和输出层的神经元个数可根据实际情况设定,并且网络的结构不同时,性能也有所差异。随后,用ATLD算法分解预处理后的三维荧光光谱数据。采用核一致诊断法确定待测样本的组分数为2。结果表明,ATLD算法分解得到两种PAHs(ANA和FLU)的激发、发射光谱图与目标光谱非常相似,能实现光谱重叠严重的PAHs(ANA和FLU)的快速定性和定量分析,实现了以“数学分离”代替“化学分离”。将预测样本导入训练好的BP神经网络中,得到处理后待测样本数据的网络均方差（MSE）均小于0.003,网络的峰值信噪比（PSNR）均大于120dB（数据压缩中典型的峰值信噪比值在30～40 dB之间,越高越好）,可见BP神经网络对样本数据的压缩效果较好。BP神经网络训练后,得到输出值与目标值之间的拟合度高,拟合系数达0.998,具有较好的数据压缩效果。使用ATLD算法对待测样本进行分解后得到平均回收率为97.1％和98.9％,预测均方根误差为0.081 8和0.098 5 μg·L-1。三维荧光光谱结合BP神经网络和ATLD能够实现痕量PAHs的快速检测。     

基于神经网络的叶绿素含量精细测量建模方法研究

活体植物叶片叶绿素含量SPAD值易受叶片厚度、水分等影响,提出了基于多参数神经网络建模的叶绿素含量精细反演方法。通过测量叶片在中心波长分别为650,940和1 450 nm光照射下的透过率,获得叶片的SPAD值和水分指数WI(water index),同时用数字螺旋测微仪测量相应的叶片厚度并用分光光度法测得其叶绿素含量。利用建模集样本分别建立SPAD值与实测叶绿素含量之间的单参数模型和基于BP神经网络的WI、厚度及SPAD值与实测叶绿素含量之间的非线性模型。利用这两种模型分别计算获得验证集样本的叶绿素含量预测值,对预测值和实测值进行了相关分析和相对误差的分析。实验以340个三种不同植物叶片为样本,用以上方法进行了分析。结果表明,利用BP神经网络建模后,每种植物样本的叶绿素含量预测精度都有不同程度的提高,尤其对于叶片厚度值较大的样本,效果更为明显。数据显示所有混合样本平均相对误差绝对值由单参数模型的7.55%降低到5.22%,实测值与预测值的拟合决定系数由0.83提高到0.93。验证了利用多参数BP神经网络模型可以有效地提高活体植物叶绿素含量预测精度的可行性。     

基于PCA-BP神经网络的光谱消光法颗粒粒径反演算法研究

光谱消光法广泛应用于颗粒粒径测量领域,在利用光谱消光法对颗粒粒径进行反演的过程中,由于颗粒的消光系数存在理论复杂、计算繁琐、收敛速度慢以及求解不稳定等问题,很大程度上影响了整个反演过程的快速性和准确性。且在众多波长的消光数据中,存在较多重复冗余的信息,也很大程度上增加了反演算法的时间。针对光谱消光法粒径反演算法计算繁琐、反演效率低的问题,提出了基于主成分分析（PCA）和BP神经网络的光谱消光颗粒粒径分析方法。基于Mie散射理论对不同粒径、不同波长下的光谱消光值进行了仿真计算,通过对光谱消光数据集的主成分分析及各个波长综合载荷系数的计算,实现了最优特征波长的选取,利用降维后的光谱消光数据训练了PCA-BP神经网络模型,并利用该网络模型计算了粒径颗粒分布。通过仿真计算,比较了PCA-BP神经网络模型与传统的BP神经网络模型的预测精度,并分析了波长数目对两种神经网络模型预测结果的影响。针对训练得到的PCA-BP神经网络模型开展光谱消光法粒径参数反演算法的验证实验,搭建了光谱消光法颗粒粒径参数测量实验系统,测量了粒径范围在0.5～9.7 μm内的6种不同粒径参数的聚苯乙烯标准颗粒。仿真和实验结果表明：基于主成分分析方法可确定各个波长向量之间的相关性,利用综合载荷系数选取最优特征波长对应的消光值对整体的光谱数据具有较好的代表性,可实现光谱数据的降维。相比传统的BP神经网络模型,基于PCA-BP神经网络模型的颗粒粒径分布的分析方法预测精度更高,对于较分散颗粒系的分布参数的预测有更加明显的优势。而且,被选取的波长数较少时,PCA-BP神经网络模型依然有较高的预测精度。利用训练好的PCA-BP神经网络模型对颗粒粒径参数进行实验验证,预测结果可瞬时输出,颗粒粒径分布误差在5%以内,验证了该算法的可行性。     

基于径向基神经网络和BP神经网络对日落黄荧光光谱的分析

对食用合成色素日落黄的荧光光谱进行研究,发现在最佳激发波长370nm紫外光的激励下,荧光峰值波位于576nm;经分析认为,日落黄溶液之所以能产生荧光是因为分子中偶氮键将一个苯环和一个萘环连接在一起,形成大共轭结构,并且取代基与—SO3Na与—OH处于萘环的对位,大大增强了日落黄分子的共轭程度,使其具有强的吸光功能,发出强荧光。另外,结合径向基神经网络和BP神经网络对未知样本进行浓度预测,结果精确,平均相对误差分别为3.51%和5.45%,RSD分别为1.83%和2.95%。该方法有望成为对食用合成色素进行高效检测的有效方法。     

基于PCA和BP神经网络的硝酸盐氮浓度检测方法

针对紫外分光光度法（UV法）检测混有干扰物质的硝酸盐氮溶液浓度精度不高的问题,提出一种基于主成分分析（principal component analysis,PCA）和BP神经网络的硝酸盐氮浓度检测方法。通过微型光谱仪物质成分检测系统测得硝酸盐氮试剂在196 nm～631 nm波段的吸光度数据,分为测试集和训练集。通过PCA计算训练集,得到主成分。根据BP算法搭建三层人工神经网络。将所得主成分除以8后输入网络展开训练。训练过程中采用留一法交叉验证。用该模型计算训练集和测试集,所得值与真实浓度的平均相对误差分别为2.411 5%和1.553%。实验结果表明,该方法能较好检测出混有干扰物质的硝酸盐氮溶液浓度。     

基于BP神经网络的人体血液中红细胞浓度无创检测

采用BP神经网络算法模型对人体血液红细胞浓度进行无创检测。对获取的动态光谱数据和红细胞实测值利用BP神经网络进行建模分析,校正集输出对期望值的跟踪较好,相关系数R达到了0.993,用建立起的BP神经网络模型去检验预测集输出值,得到预测集的相对误差最大为4.7%,平均相对误差为2.1%,预测能力较为理想。结果表明：用BP神经网络模型能够较准确的处理动态光谱数据和人体红细胞实际值的非线性关系,提高了血液成分无创测量在临床上应用的可行性,具有较高的应用价值。     

基于L-M算法的反向传播网络的湿度传感器输出误差补偿研究

针对湿度传感器的输出非线性问题,提出了基于L-M算法建立BP神经网络进行补偿校正,实现电阻湿度传感器的输入与输出非线性补偿,并与共轭梯度算法、拟牛顿算法所建立的神经网路模型进行对比,重点比较了模型误差性能、收敛速度。结果表明：基于L-M算法建立的神经网络模型,在收敛速度、误差性能等方面具有更高效的表现,更适合湿度传感器的非线性特性的补偿校正。     

基于SFLA优化BP神经网络的语音信号分类

BP神经网络是一种多层前馈网络,数据经过网络的输入层、隐含层逐层处理后,由输出层进行输出,通过和期望输出的对比进行反向传播,调整网络参数使输出不断逼近期望输出;在使用BP神经网络对语音特征信号进行分类的过程中,会出现BP神经网络易陷入局部最优解、学习收敛速度慢的问题;针对此问题提出一种基于SFLA优化BP神经网络权值和阀值的方法,引入SFLA算法优化网络权值和阀值,利用SFLA优化后的BP网络模型进行语音特征信号分类;仿真结果表明,经SFLA优化后的BP神经网络与未优化的神经网络相比,不仅训练速度快, 而且误差小,语音特征信号分类的正确率平均提高1.31%。     

基于灰色关联分析的BP神经网络对混流闭式冷却塔出水温度的预测

通过控制变量法对混流闭式冷却塔进行测试, 采用灰色关联分析法对影响出水温度的因素进行筛选, 将关联度较大的5个因子作为输入参数, 进而建立灰色_BP神经网络预测模型, 对混流闭式冷却塔的出水温度进行预测。操作参数包括进水温度、湿球温度、补水温度、循环水流量和风量, 输出值为出水温度。网络采用三层结构, 隐含层神经元数为4个, 迭代次数为30 000次, 使用不涉及训练阶段的实验数据来验证所建立的模型。结果表明, 灰色_BP神经网络模型比传统BP神经网络模型的预测结果更加准确, 其预测值与实际值的相关系数、平均相对误差、均方根误差, 分别为0.998 9、0.293 4%和0.152 9, 因而可认为灰色_BP神经网络是预测混流闭式冷却塔出水温度的有效工具。     

基于XRF-CNN土壤重金属Zn元素含量预测模型研究

结合X射线荧光光谱法,针对土壤中重金属元素Zn含量的预测问题,提出基于深度卷积神经网络回归预测模型.对原始土壤进行相关预处理,用粉末压片法制作土壤压片,采用X射线荧光光谱法(X-Ray-fluorescence,XRF)获取土壤光谱,相比于传统检测方式,XRF法具有检测速度快、精度高、操作简单、不破坏样品属性并且可实现...