田间行走式测定的红外光谱数据与土壤质地之间的相关性研究

近红外光谱是利用漫反射来分析物质的某些化学性质,已在农业及其他许多领域得到广泛应用。尽管在实验室条件下,研究证明可以应用近红外光谱分析技术来快速、方便地测定土壤参数,但在田间大范围内应用红外光谱快速测定来分析土壤性质,仍然缺乏研究;该研究以田间行走式设备获取的红外光谱数据为基础,分析和比较了不同数据处理技术下红外光谱信息与土壤质地之间的相关性,发现应用基于算术运算的波段组合技术可以明显地提高红外光谱信息与土壤质地之间的相关性,为田间光谱数据的分析处理与应用提供了依据。     

基于卷积神经网络的烟叶近红外光谱分类建模方法研究

卷积神经网络(CNN)在图像分类识别领域应用广泛,但其在近红外光谱分类中的研究还未见报道,对基于CNN的近红外光谱分类建模方法进行了研究。针对近红外光谱数据的特点,提出了一种改进的卷积神经网络建模方法,对CNN经典模型LeNet-5所做改进：①将方形矩阵卷积核改为适用于一维近红外光谱的向量卷积核;②简化网络结构,将LeNet-5结构中C5,F6及输出层改为单层感知机。同时,采用隔点采样的方法对近红外光谱降维,加快收敛速度;并对卷积核尺寸对建模结果的影响进行了研究。以我国东北、黄淮、西南三大烤烟产区的600个中部烟叶样本的近红外光谱为实验对象,建立烟叶产区分类NIR-CNN模型。该模型对训练集和测试集的判别准确率为98.2%和95%。实验结果表明,应用卷积神经网络可对近红外光谱数据准确、可靠地判别分类;烟叶产区NIR-CNN建模方法可为卷烟企业烟叶原料科学合理利用提供指导,为维护卷烟产品的质量稳定有重要意义;基于卷积神经网络的近红外光谱判别方法也可推广到其他农产品的分类应用中。     

结合分类与局部PLS的近红外光谱定量分析

近红外光谱分析技术是近年来发展起来的一种快速检测技术。为了提高近红外光谱定量分析的精度,文章首先用支持向量机法对测试样本进行分类,然后选用与待测样本性质相近的同类部分校正集样品建模来预测待测属性值。为了克服分类错误样本的影响,提出了一种新的混合PLS算法(称为H_PLS法)。该算法由基于分类的局部PLS法(称为C_PLS法)和基于全部训练样本集的局部PLS法(称为D_PLS法)组成,通过比较C_PLS法和D_PLS法的输出,计算测试样本的待测属性值。针对一批汽油样本的实验结果表明,在分类完全正确时C_PLS法的预测精度高于D_PLS法,然而存在分类错误时C_PLS法的预测精度将会显著下降。H_PLS法结合了C_PLS法和D_PLS法的优点,即使存在分类错误样本,使用该方法也可以将复相关系数从D_PLS法的0.973 4和C_PLS法的0.965 6提高到0.985 8。     

茶叶定性和定量近红外光谱分析方法研究

分别采集了茉莉花茶、苦丁茶、龙井和铁观音4个种类茶叶共120个样本,利用NIRSystems6500型近红外光谱分析仪对样本进行光谱测量,应用近红外光谱分析技术对茶叶进行定性和定量分析。采用主成分分析法,结合聚类分析法,对4种类别的茶叶进行定性鉴别,通过对不同光谱数据预处理方式和不确定因子系数进行比较,确立了最优定性判别定标模型。同时,采用修正的偏最小二乘法,比较不同光谱预处理方法对定标模型的影响,建立了茶叶中水分、茶多酚和咖啡碱含量的定量分析模型,并对未知样本进行预测。定性分析模型的种类识别准确率达到100％,定量分析模型的决定系数均大于0.91,相对分析误差RPD均大于3。结果表明,利用NIRS分析技术可以快速定性和定量分析鉴别茶叶的类别和成分含量。     

云计算的蚕豆虫害可见-近红外光谱分类

利用蚕豆叶片可见-近红外反射光谱结合导数光谱对健康、少量、大量虫害三种等级的实验样本进行光谱特征分析,并选择虫害检测最优波段。采用Hadoop,Spark和VMWare虚拟机搭建云计算平台,使用MLlib机器学习库实现人工神经网络(ANN)和支持向量机(SVM)分类算法,并对三种等级蚕豆叶片全波段和最优波段光谱进行分类建模与预测。结果表明ANN虫害光谱分类模型准确率优于SVM虫害光谱分类模型,并且在云平台上运行效率更高,同时全光谱波段的预测准确性高于最优波段。通过扩展光谱数据集,云计算技术在光谱数据挖掘中的计算效率有显著提升。云计算分类检测可以为作物生物胁迫光谱识别提供新的技术和方法。     

近红外光谱用于皮棉杂质含量预测和分类的研究

采用光纤漫反射光谱采集模式,采集未经预处理皮棉的近红外光谱,对比不同的光谱预处理方式,应用偏最小二乘回归建立皮棉杂质含量预测模型,判别分析法分类皮棉和杂质含量级别。采用一阶微分光谱预处理,使用3个主成分建立的杂质含量PLS模型预测相关系数r为0.906,RMSEC为0.440,RMSEP为0.823; 采用判别分析,分类含有植物性杂质皮棉和纯皮棉,使用15个主成分准确度达到95.4％; 判别含有多类杂质皮棉,分类准确率仅能达到80.9％。而杂质含量级别分类效果不佳。研究表明,皮棉近红外光谱可以预测皮棉中杂质含量等指标,但受到杂质含量、类型和均匀度的影响,后续研究应通过透射采集模式等方法,改善光谱质量,提高预测精度。     

近红外光谱的数据预处理研究

进行了小麦样品近红外光谱数据的预处理研究,一般仪器记录的样品近红外光谱数据中包含有一系列噪声和干扰信号,因此适当的预处理是进行后续光谱定标、建模及模型传递的基础,对可靠地获得准确分析结果具有很重要的作用。结合小麦样品蛋白质含量近红外光谱分析工作,对由近红外光栅光谱仪和傅里叶变换近红外光谱分别记录的66种小麦样品光谱数据,采用高斯一阶、二阶导数小波变换方法进行了预处理。对比常用的一阶差分预处理,证明高斯函数导数小波变换方法是十分有效、实用的,预处理后光谱曲线非常光滑、噪声消除效果明显,富含有用光谱分析信息的区域更加清晰显示,因而非常有助于后续的光谱定标、建模和模型传递工作。     

基于近红外光谱检测和平衡级联稀疏分类的药品鉴别方法

近红外光谱检测和模式识别方法相结合,在药品的现场快速无损监督管理中有广阔的应用前景。传统的鉴别方法以最小化错误率为目标,往往忽略了样本数据的类别不平衡性,从而使得少数类样本被多数类样本淹没,降低少数类样本对分类器的影响,使分类结果更加倾向正确识别多数类样本,严重影响鉴别结果。针对药品光谱数据中真假药品类别不平衡问题进行研究,融合平衡级联和稀疏分类方法(SRC),提出一种级联的稀疏分类药品鉴别方法(BC-SRC)。文中在多数类样本中选取和少数类数目相同的样本作为训练样本,并在多数类样本中进行多次平行采样使得多数类样本被全部获得过(采样次数为多数类样本数与少数类样本数商的向上取整),最终得到测试样本的多组预测结果,根据得到的多组结果获得最终预测标签。将提出的方法在Matlab 2012a上进行仿真实验,通过三组样本集的实验证明该方法的有效性,实验结果表明该方法优于常用的偏最小二乘(PLS)、极限学习机(ELM)和BP神经网络分类法,特别是在解决类别不平衡问题时,当不平衡因子大于10时,BC-SRC算法分类相对于其他算法性能更好,且稳定性更高。     

近红外光谱的甲醇汽油定量检测与分析方法

甲醇汽油因其辛烷值高、成本低等优势成为新型化石燃料替代物,其甲醇含量的精确检测是决定其品质的重要环节,甲醇汽油组分的精确定量检测与分析对于缓解我国传统石油资源短缺但需求量增多的现状具有重大的现实意义。甲醇汽油中甲醇检测的常规方法如酒醇仪测定法、速测盒测定法等,操作复杂,准确定性低。近红外光谱分析具有测量速度快、灵敏度高、可连续测量等诸多优点,在石油化工领域定性、定量分析中具有巨大应用潜力。为研究甲醇汽油近红外光谱无损定量检测方法,配制了0.5%～30%组分的甲醇汽油标准样品,设计了甲醇汽油近红外光谱数据采集系统并采集60个组分的甲醇汽油近红外光谱数据;利用移动平均平滑法、 S-G卷积平滑法(Savitzky-Golay)和多元散射校正(MSC)对甲醇汽油近红外光谱数据进行预处理分析,研究了BP人工神经网络(ANN)和主成分回归(PCR)模型的决定系数和均方根误差,对两种算法的结果和预测效果进行对比。结果显示：各模型的均方根误差均小于1%, SG平滑-主成分回归预测模型拟合度最好,其决定系数为0.998 98;基于SG卷积平滑算法和神经网络算法建立的模型预测值与真值偏差最小,其均方根误差...     

中红外和近红外数据融合的香型风格判别

烤烟香型的判别一直是烟草行业的关注焦点.利用中红外和近红外光谱对189份不同香型的烟叶进行分析.分别从中红外谱图数据中提取21个特征波数处以及近红外谱图数据中13个特征波数处的吸光值作为影响因素.通过主成分分析方法分别对选取的中红外、近红外数据进行烟叶清香型、中间香型和浓香型三种香型风格的定性分析.结果表明基于中红外和...     

我国苹果栽培区土壤参数的近红外光谱检测研究

在全国11个主要苹果栽培区及其附近农田处,共收集111份土壤样本作为研究对象。使用傅里叶近红外光谱仪采集在12 500～4 000 cm-1光谱范围内的土样漫反射光谱信息,并采用偏最小二乘回归法分别建立土壤有机质含量和pH值的近红外定标模型。为了有效消除土壤颗粒不均匀性所带来的散射影响,同时扣除与土壤品质参数无关的光谱信息,研究运用变量标准化(SNV)、附加散射校正(MSC)和直接正交信号校正(DOSC)等光谱预处理方法,使模型精度得到显著提高。结果显示,经过DOSC处理后,土壤有机质含量和pH值的近红外定标模型效果达到最佳,其相关系数(r)分别达到0.953和0.937,预测误差均方根(RMSEP)分别为0.258(%)和0.248(%)。研究表明,利用近红外光谱技术可以快速检测我国主要苹果栽培区土壤的有机质含量和pH值,为土壤施肥提供指导,为果树栽培提供技术支持。     

土壤水分对近红外光谱实时检测土壤全氮的影响研究

利用近红外光谱技术实时预测土壤全氮含量是精细农业的研究热点之一,但是由于土壤水分在近红外波段的吸收系数较高,影响了土壤全氮含量的实时预测精度。使用布鲁克MATRIX_I傅里叶近红外光谱分析仪对不同土壤水分的土壤样本进行了近红外光谱扫描,定性和定量的分析了土壤水分对近红外光谱的影响,并提出了一种消除土壤水分对土壤全氮含量预测影响的方法。近红外光谱扫描结果显示在同一全氮含量水平下,随着土壤水分含量的增加,光谱吸光度呈逐渐上升的趋势,且变化趋势为非线性。通过对1 450和1 940 nm两个水分吸收波段的差分处理,设计了水分吸收指数MAI（moisture absorbance index）,再对土壤按照水分含量梯度进行分类,提出了相应的修正系数。修正后的6个土壤全氮特征波段处(940,1 050,1 100,1 200,1 300和1 550 nm)的土壤吸光度值作为建模自变量,使用BP神经网络建立了土壤全氮预测模型,模型的R_C,R_V,RMSEC,RMSEP和RPD分别达到了0.86,0.81,0.06,0.05和2.75;与原始吸光度所建模型相比较模型精度得到了显著提高。实验结果表明本方法可以有效地消除土壤水分对近红外光谱检测土壤全氮含量预测的影响,为土壤全氮含量实时预测提供了理论和技术支持。     

最小角回归结合竞争性自适应重加权采样的近红外光谱波长选择

近红外光谱分析技术对检测样品无损伤且检测速度快、精度高,因此被广泛应用在了药品检测、石油化工等领域,尤其近年来机器学习和深度学习建模方法的深入应用使其具备了更准确的检测性能.然而,样品的近红外光谱数据具有比较高的维度且存在谱间重合、共线性和噪声等问题,对近红外光谱模型的性能产生消极影响,此时样品有效特征波长的筛选极为重...     

内蒙古草原拜仁达坝矿区地表土壤的X射线衍射和近红外光谱分析

在内蒙古草原拜仁达坝矿区上部的地表覆盖层中均匀采集土壤样品,用X射线衍射和近红外光谱技术对样品进行分析测试,旨在探讨草原矿区土壤成分来源及其与地下岩体的关系。结果表明,该土壤样品主要由石英、石墨、碳酸盐、角闪石、云母、绿泥石、蒙脱石、伊利石、块磷铝矿、硬水铝石、蓝铜矿、赤铁矿等组成,说明了地表土壤成分不仅来源于地表岩体风化产物,与地下岩体及其围岩蚀变作用更加密切相关。土壤中所含蓝铜矿和赤铁矿主要来源于矿体氧化带,可作为找矿标志;蚀变矿物组合主要为绿泥石-伊利石-蒙脱石,推测该区域大致经历了钾化→硅化、碳酸盐化→绢云英岩化→泥化的蚀变过程。通过分析蚀变矿物组合,可以还原围岩蚀变及物理风化过程,为深部找矿以及矿床成因研究提供了重要的参考信息,提高了找矿的成功率。X射线衍射和近红外光谱技术用于矿物、矿床研究方面,有着经济、快速的特点,能很好的鉴定矿区地表土壤中的矿物成分。尤其是近红外光谱分析技术对样品要求低,可以对样品进行快速批量的分析,具有其独特的优越性。随着近红外技术的发展,其在地质领域中将有越来越广泛的应用,并且能在找矿勘探中发挥重要的作用。     

盐酸左西替利嗪片的近红外漫反射光谱定量分析

利用近红外光谱结合偏最小二乘法实现对不同品牌盐酸左西替利嗪片剂有效成分的定量分析。经内部交叉验证,确定最佳波数范围和光谱预处理方法,以及最佳主成分数,建立最优PLS校正模型。对验证集样品浓度进行预测,得到均方根误差RMSECV、决定系数R2分别为0.276和0.974。该方法能够用于不同厂家盐酸左西替利嗪片的快速定量分析,是一种有效的药品快速检验技术。     

人参总皂甙近红外光谱及定标建模分析

采用近红外光谱分析技术对人参进行了光谱及定量分析。对人参的原始漫反射吸收光谱采用二阶导数、散射校正、相关分析等多种光谱解析手段,研究了人参中的主要成分总皂甙的光谱吸收特性,并结合偏最小二乘回归法对人参总皂甙进行了定标建模分析。分析结果精度高,定标标准差(RMSEC)为0.154％,相关系数为0.982 8。     

便携式近红外光谱仪器现状及展望

近红外光谱分析技术具有速度快、操作简单等优点,在农业、制药等行业得到了大量应用,其中一些应用需要将仪器携带到分散的分析现场使用,为满足这一需求,很多体积小、便于移动的便携式近红外光谱仪被研制出来。这些仪器的种类较为繁多,采用了很多不同的基本原理,使用了不同的光路结构。文章综述了国内外便携式近红外光谱仪的技术现状,根据光路结构的不同将仪器分成滤光片型、光栅型、傅里叶变换型、声光可调滤波器型以及使用微机电系统(MEMS)的新型光谱仪等类型,重点介绍各类仪器的原理和主要部分的结构,同时简要介绍不同类型仪器的特点,并列举典型产品。也对测量附件、操作、显示等外围部分的设计作简要介绍,这些附件针对便携应用采取了特殊的设计。通过介绍,为新型便携式近红外光谱仪的研制提供借鉴。最后,对便携式近红外光谱仪器的现状作总结,并对未来国内外技术的发展进行展望。     

Comparison of Spectral and Molecular Analyses for Classification of Long Term Stored Wheat Samples

This study aimed to determine whether NIR spectroscopy and protein band analysis can differentiate the grain samples of 15 wheat genotypes stored for different periods: Group Ⅰ (91 weeks), Group Ⅱ (143 weeks), Group Ⅲ (194 weeks), and Group Ⅳ (246 weeks). Samples were harvested from previously-conducted field trials, and stored at +4 ℃. A-PAGE and SDS-PAGE methods were utilized to separate gliadin and glutenin fractions, respectively. A qualitative calibration model based on the Support Vector Machine (SVM) method was generated and validated using NIR spectra taken from samples. Results indicated storage length did not have an effect on molecular band fractions. Use of this method would not be considered an effective tool for discrimination of samples stored for different lengths of time. Spectral techniques may have potential in sorting samples based on their storage time. The SVM calibration model generated here had an acceptable true classification rate (over 80%) for separating all groups, while only Groups Ⅱ and Ⅳ were precisely separated (100% true classification rate) in the validation step.     

基于近红外谱形分析的中药提取过程终点判断

中药提取是中药生产的重要环节,其终点的判断直接影响到中药疗效与制药成本.本文提出一种基于近红外光谱谱形分析的典型中药提取过程终点判断方法,该方法为满足工业需求以水的光谱作为近红外参考光谱,根据最小二乘拟合原理去除基线,并且采用滑动窗口相关系数的方法描述谱形差异.实验结果表明：该方法能有效判断中药提取过程终点,方便快速,适合于在线过程分析.