基于光谱表示和独立成分分析的混合颜料成分分析方法

在混合颜料成分分析中,反射光谱法通过计算相似性来判断基本颜料种类,容易受多种基本颜料的影响,造成分析结果不准确。将光谱表示为信号,结合独立成分分析,提出一种基于光谱表示和独立成分分析的混合颜料成分分析方法。首先,采用光谱仪获取混合颜料光谱信息,并将其表示为离散信号的形式;然后,对信号进行独立成分分析,得到基本颜料的光谱信息;随后,通过计算基本颜料光谱与已知颜料光谱的相似性,确定基本颜料种类;最后,逆用Kubelka-Munk混色公式就可以得出基本颜料的比例。我们采用蒙赛尔色卡光谱制作模拟数据,分别进行正常/扰动情况下三种色卡光谱混合信息的成分分析试验,以及从8种色卡光谱中选择若干种混合后的成分分析实验。分离出的光谱形态与已知的原始颜料光谱形态极其相似,平均相似比为97.72%,最大相似比可以达到99.95%,得出的基本颜料比例与混合时的比例基本相同。实验结果表明本方法适用于混合颜料成分分析。     

基于自适应核独立成分分析的活性二氧化锰助剂光谱信息的提取

利用乙醚、丙酮、氯仿、甲苯四种有机溶剂提取活性二氧化锰助剂,提取液经过滤浓缩后应用FTIR(ATR附件)测定其红外光谱.采用绝对中位差法(MAD)确定混合体系中吸光物组分数,利用核独立成分分析(KICA)提取混合光谱信号中的纯组分光谱信息,建立了自适应核独立成分分析方法(AKICA).采用AKICA提取得到的助剂光谱信...     

基于高光谱技术融合图像信息的脱绒棉种品种分类检测研究

开展种子品种的识别研究是保证种子质量的重要手段。利用高光谱图像技术融合图像特征信息对脱绒棉种的品种进行判别分析。采集4个品种共240粒脱绒棉种样本的高光谱图像数据(400～1 000 nm),提取样本的光谱信息及长、宽、面积、圆形度、等12个形态特征。采用连续投影算法(SPA)选出11个特征波段作为输入结合偏最小二乘判别分析法(PLS-DA)、软独立模式识别法(SIMCA)、最邻近节点算法(KNN)、主成分分析结合线性判别(PCA-LDA)及二次判别(PCA-QDA)进行建模分析,得出PLS-DA建模集和预测集的总体识别率分别为93%和90%。利用图像信息进行建模分析,模型整体的识别率均不高,说明单独使用高光谱图像的形态特征进行分类效果不佳。将特征波段的光谱和形态特征信息进行融合作为输入,建立基于PLS-DA,SIMCA,KNN,PCA-LDA及PCA-QDA的信息融合模型,其精度均比基于光谱或形态信息模型高,其中PLS-DA模型识别效果最好,建模集和预测集总体识别率分别为98%和97%。表明融合高光谱图像的光谱与图像信息可以在少量波段情况下有效的提高脱绒棉种品种的分类检测精度。     

基于ICA与SVM算法的高光谱遥感影像分类

提出了一种利用独立分量分析(ICA)与支撑向量机(SVM)算法进行高光谱遥感影像分类的新方法。采用ICA算法对高光谱遥感影像(PHI传感器获取,80波段)进行了特征提取,并以提取出的影像数据(光谱维数为20)构建SVM分类器。对SVM算法进行核函数删选与参数寻优后,发现采用RBF核的SVM算法(C=103,γ=0.05)分类结果最佳,分类精度与Kappa系数分别达94.5127%与0.935 1,优于BP-神经网络(分类精度39.4758%,Kappa系数0.315 5)、波谱角分类(分类精度80.282 6,Kappa系数0.770 9)、最小距离分类(分类精度85.462 7%,Kappa系数0.827 7)以及最大似然分类(分类精度86.015 6%,Kappa系数0.835 1)4种方法。针对分类结果常出现的"椒盐"现象,利用形态学算子对SVM(RBF核)分类结果进行了类别集群处理,将分类精度与Kappa系数分别提高至94.758 4%与0.938 0,获得了更接近实况的分类图像。结果表明:ICA结合SVM算法准确率高,是高光谱遥感影像分类的优选方法,且类别集群是优化影像分类的有效方法之一。     

基于可见光谱的古代壁画颜料无损鉴别方法

矿物颜料是古代壁画显色的物质基础,其可见光谱反映自身物质和物理属性。不同颜料对可见光吸收特性的差异导致光谱曲线形状不同,同一种颜料因粒径等级差异引起光谱曲线幅值的规律性变化。依据矿物颜料上述特性,提出一种基于可见光谱的古代壁画颜料无损鉴别方法,通过光谱归一化方法实现不同粒径等级的同一颜料光谱曲线叠合,去除颜料粒径等级对光谱曲线幅值变化的影响,然后提取表征光谱曲线在各波段增减性和凹凸性的一阶与二阶导数特征,与光谱曲线组合得到颜料物质属性鉴别的光谱组合特征空间,以光谱角和欧式距离为基础构建评价指标,计算待鉴别颜料与数据库参考样本在光谱特征空间中的匹配误差(ME),实现颜料物质属性的鉴别。通过构建矿物颜料平均粒径大小和光谱反射率均值之间关系函数,实现颜料平均粒径大小的鉴别。基于构建的古代壁画常用颜料光谱数据库,以莫高窟壁画为对象,通过非接触式原位无损测量方法测量获得壁画颜料的可见光谱数据,对本文方法进行了验证,并以石绿和青金石颜料的鉴别结果为例,对古代壁画颜料使用技法、不同朝代颜料使用的差异性及原因进行了探讨。该方法将为更加全面深入研究和保护古代壁画提供有效的理论与方法支撑。     

Far infrared (THz) absorption spectra for the quantitative differentiation of calcium carbonate crystal structures: Exemplified in mixtures and in paper coatings

In this paper, far-infrared (FIR) spectroscopic techniques have been employed to detect different calcium carbonate crystal concentrations in powder mixtures. We have compared absorption spectral features of both pure and mixtures of natural ground calcium carbonate (GCC) and synthetic precipitated calcium carbonate (PCC). It is evident that the absorbance data differentiate clearly and unequivocally between calcite and aragonite in the spectral range of 2–18 THz. Also, from the absorbance measurement of two sets of mixtures, we have revealed a linear relationship between the ratio of some selected absorbance peaks of the mixtures and concentration of a particular pigment within the mixture. This innovative technique could be a novel, practicable technique for quality control or for analyzing coating and/or filler pigments and extenders in the paper making and printing industries. Finally, we have proven in the case of paper that, surface roughness and print color play no role as far as the locations and magnitudes of the absorbance spectral features are concerned.     

结合空间和光谱信息的高光谱影像端元光谱自动提取

端元光谱提取是高光谱影像混合像元分解的关键。现有的端元提取方法多是仅利用了影像的光谱信息,忽略了像元间的空间相关性。现有研究基础上,提出了一种结合影像空间和光谱信息的高光谱影像端元光谱自动提取方法(integration of spatial-spectral information based endmember extraction,ISEE)。该方法首先进行影像子空间划分以增强影像局部的光谱信息特征,然后通过特征空间投影分析获得影像候选端元,最后依次在影像空间信息约束下和端元光谱信息约束下进行优化,得到最终的影像端元光谱集。仿真高光谱影像和真实高光谱影像的实验结果表明,结合影像空间和光谱信息的ISEE方法是有效的,且比一些常用方法提取的端元光谱更为准确。     

高光谱图像和叶绿素含量的水稻纹枯病早期检测识别

基于高光谱成像技术和化学计量方法,实现了对水稻纹枯病病害的早期检测识别。以幼苗时期的水稻植株为研究对象,对其进行纹枯病病菌侵染,获得染病植株,采集358～1 021 nm波段范围的高光谱图像,三次实验共240个样本,包括染病植株120个样本和健康植株120个样本。根据高光谱图像的光谱维,对染病水稻叶片和健康水稻叶片提取感兴趣区域（ROI）,利用感兴趣区域的光谱数据,对其进行Savitzky-Golay（SG）平滑、Savitzky-Golay（SG）一阶求导、Savitzky-Golay（SG）二阶求导、变量标准化（SNV）和多元散射校正（MSC）预处理,建立线性判别分析（LDA）和支持向量机（SVM）分类模型,结果表明：采用SG二阶求导预处理后的线性判别分析（LDA）模型取得了较好的性能,正确识别率在建模集达98.3%,在预测集达95%;利用载荷系数法（x-loading weights, x-LW）对原始光谱和5种预处理的光谱数据进行特征波长提取,然后根据选取的特征波长建立线性判别分析（LDA）和支持向量机（SVM）分类模型,其中采用SG二阶求导预处理后提取的12个特征波长的线性判别分析（LDA）模型取得了较好的性能,其正确识别率在建模集达97.8%,在预测集达95%,而且基于载荷系数法建立的模型性能与全波段相当,可以通过载荷系数法减少数据量对水稻纹枯病病害进行识别;根据高光谱图像的图像维,研究了基于图像主成分分析、基于概率滤波和基于二阶概率滤波的图像特征提取方法,利用提取的特征变量建立反向传播神经网络(BPNN)和支持向量机（SVM）分类模型,其中基于图像主成分分析的反向传播神经网络（BPNN）模型取得了较好的性能,建模集准确识别率达90.6%,预测集的准确识别率达83.3%;根据高光谱图像光谱维和图像维的最优模型,特将叶绿素含量作为建模的另一个特征,分别与光谱特征、图像特征组合,建立反向传播神经网络（BPNN）和线性判别分析（LDA）模型,提出基于光谱特征加叶绿素含量、图像特征加叶绿素含量和光谱、图像特征加叶绿素含量三种组合方式,其中,光谱特征和图像特征分别与叶绿素组合的方式比之前单独的光谱和图像特征建模性能都有所提升,而且三种组合方式中光谱特征加叶绿素含量的反向传播神经网络（BPNN）建模方式取得本研究所有建模方式中较优的性能,其准确识别率在建模集达100%,在预测集达96.7%。以上研究表明,基于高光谱图像和叶绿素含量对水稻纹枯病病害进行早期识别是可行的,为水稻病害的早期识别提供了一种新方法。     

基于PCA-MLR和PCA-BPN的莱州湾南岸滨海平原土壤有机质高光谱预测研究

土壤有机质(SOM)含量是衡量土壤质量高低的重要指标,可以用高光谱快速测定。在以往研究中,估算模型多以特征波段与线性经验模型为基础进行构建,较少考虑波段间信息冗余和共线性,预测效果不很理想并难以进行推广。为最大化消除波段信息噪声,提高模型预测精度,选取莱州湾南岸滨海平原为研究区,系统采集了111个土壤样本和实测高光谱数据(325～1 075 nm),并测试了土壤样本的有机质含量作为因变量;通过主成分分析(PCA)将实测光谱信息降维为6个主成分,并提取水分、植被光谱特征指数(DI),以此作为自变量;最后建立多元逐步线性回归(MLR)和BP神经网络(BPN)预测模型,分析不同模型对土壤有机质预测的效果。结果表明：①经过主成分的波段信息分析判别提取出6个主成分,可以表征叶绿素残留物、盐分、腐殖酸、物化矿渣和微地貌的光谱特征。②基于6个主成分作为自变量所建立的BPN模型预测精度优于MLR模型,他们的R2分别为0.704和0.643。将水分和植被光谱特征指数作为自变量增加到预测模型后,MLR和BPN的预测精度分别提高了6.1%和5.2%,R2达到0.712和0.764;③将光谱主成分和光谱特征指数作为自变量的BPN模型进行土壤有机质预测可得到精度较高的预测结果,在土壤有机质的预测与制图中具有一定的应用潜力。     

基于独立分量分析的高光谱图像压缩

在对原始数据进行虚拟维数估计的基础上,提出了一种基于最大距离端元提取+独立分量分析(Independent Component Analysis,ICA)的高光谱图像有损压缩方案.该方案首先应用最大距离端元抽取法提取高光谱数据各端元矢量,然后用快速独立分量分析生成独立分量,最后使用2维分层树集合分裂(Set Partitioning In Hierarchical Trees,SPIHT)算法对各独立分量图进行编码.计算机仿真结果证明,该算法在取得高压缩率的同时,能很好地保持数据的谱特征,是一种高效的三维数据压缩方法.     

文物红色系颜料高光谱识别指数研究

红色系矿物颜料曾被艺术家们大量地使用在古画和古建筑上.正确地识别出不同种类的红色系颜料对于文物监测与修复具有重要意义.传统的颜料识别主要依靠化学分析,不仅识别速度慢、识别范围小,而且对文物进行取样操作会造成文物的永久损伤.高光谱技术对颜料进行无损识别可以很好地解决这些问题.选用辰砂、胭脂、银朱、朱膘、朱砂、赭石、赭粉、...     

基于有约束非负矩阵分解的原稿基色色料光谱预测方法

针对直接在光谱反射率空间,对原稿颜色样本光谱的主成分分析会导致特征向量的数目超过真实物理维度(原稿所用基色色料)的数量,以及特征向量和对应系数存在负值,不能直接表示原稿基色色料的光谱特性和对应浓度等情况。创新性的提出需根据原稿色料的光学特性建立一个完全线性的光谱空间,并在该空间中使用带约束条件的非负矩阵分解实现对原稿基色数量和光谱形状进行预测的方法。对此,首先设计了一个实现对原稿基色色料光谱预测方法的总体研究方案和实现步骤,再以透明色料原稿为例,研究如何选择和构建一个符合其光学特性的光谱线性空间,然后再在基本非负矩阵分解(BNMF)基础上提出针对基色色料光谱预测的有约束非负矩阵分解算法(SCNMF)。针对BNMF算法会出现多重最优解,为了提高预测精度,使矩阵分解结果有明确的物理意义,所提出的SCNMF算法需要满足4个约束条件：非负性约束;全加性约束;平滑性约束;稀疏性约束。建立了满足约束条件的目标函数和迭代算法。预测结果表明本文提出的新方法能有效的实现对原稿基色物理维度和基色色料光谱的准确预测。     

光谱分析技术在彩绘文物颜料分析中的应用

对颜料进行准确、无损或微损分析是文物保护领域研究的热点与难点。随着文物保护研究的不断开展及多学科技术的广泛交叉、融汇,各种光谱技术逐渐被应用到彩绘文物颜料的分析之中。从元素分析、结构分析、微区与形貌分析三方面探讨了X荧光光谱分析法、激光拉曼光谱法、光导纤维反射光谱法等常用光谱分析技术在彩绘文物颜料分析中的应用、特点、局限性及应用前景。     

基于偏振光谱成像的目标识别方法研究

为提高伪装目标识别的准确性,提出将光谱信息与偏振信息相融合的伪装目标识别方法。基于液晶可调谐滤光片（LCTF）搭建了偏振光谱成像系统,通过实验对绿色植物中隐藏的假植株进行偏振光谱探测实验。利用主成分分析法（PCA）对各偏振方向的目标光谱图像进行波段选择,获取对应的光谱融合图像后进行偏振度计算,最终得到被测目标的偏振光谱融合图像。实验结果表明:得到的偏振光谱融合图像与光谱融合图像相比,信息熵提高了72%,平均梯度提高了250%。     

Specific features in reflectance and absorbance spectra of one-dimensional resonant photonic crystals

The optical spectra of resonant Bragg and quasi-Bragg quantum-well structures are studied theoretically. The existence of special frequencies in the reflectance and absorbance spectra at which the reflectance or absorbance does not depend on the number of quantum wells in a structure is explained analytically. It is shown that the reflectance and absorbance spectra of structures in which the quantum-well width substantially exceeds the exciton Bohr radius also contain special frequencies and that the smooth spectral component is determined primarily by the interaction of the light wave with the quantum-well ground-state exciton.     

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。     

基于高光谱特征的迷彩伪装评价

伪装效果分析是伪装设计和识别的重要环节,为了对高光谱探测下的目标伪装效果进行有效评价,结合高光谱图像光谱分辨率较高的特点,提出了一种基于高光谱特征的迷彩伪装评价方法。在光谱维,分析并提取伪装目标的光谱特征。在空间维,对图像第一主成分进行多层小波分解,提取高频分量和低频分量的比值、水平分量和垂直分量的比值以及低频图像的对比度、相关性、能量、同质性等6个特征作为纹理特征。利用欧氏距离分别计算光谱特征距离与纹理特征距离,最后将二者进行综合,距离越小说明伪装效果越好。实验数据表明:本文的方法可以量化高光谱成像下的迷彩伪装效果,评价客观。得到迷彩雨衣与草坪背景之间的综合距离为1.3225,两者融合效果最好。     

高光谱技术融合图像信息的牛肉品种识别方法研究

高光谱图像包含了大量的光谱信息和图像信息,采用高光谱成像技术对牛肉品种进行识别。获取可见-近红外(400~1000 nm)光谱范围内的安格斯牛、利木赞牛、秦川牛、西门塔尔牛、荷斯坦奶牛五个品种共252个牛肉样本的高光谱图像。在ENVI软件中对高光谱图像进行阈值分割并构建掩膜图像,获取样本的感兴趣区域(ROI),并结合伪彩色图对牛肉样本的反射率指数进行可视化表达;采用Kennard-Stone(KS)法对样本集进行划分以提高模型的预测性能;对原始光谱采用卷积平滑(SG)、区域归一化(Area normalize)、基线校正(Baseline)、一阶导数(FD)、标准正态变量变换(SNV)及多元散射校正(MSC)等6种方法进行预处理;采用竞争性自适应重加权算法(CARS)提取特征波长。然后利用颜色矩对不同牛肉样本的颜色特征进行提取;对原始光谱图像进行主成分分析,结合灰度共生矩阵(GLCM)算法,提取主要纹理特征。最后结合偏最小二乘判别(PLS-DA)算法建立牛肉样本基于特征波长、颜色特征以及纹理特征的识别模型。KS法将牛肉样本划分为校正集190个,预测集62个;将未经预处理的光谱数据与经过6种不用预处理的光谱数据进行建模分析,结果发现经FD法处理后的光谱数据所建模型的识别率最高;结合CARS法对经FD法预处理后的光谱数据进行特征波长提取,共提取出22个波长;利用颜色矩和GLCM算法分别提取出每个牛肉样本的9个颜色特征、48个纹理特征。将特征波长数据与颜色、纹理特征信息进行融合建模,结果表明,基于特征光谱+纹理特征的模型识别效果最佳,其校正集与预测集识别率分别为98.42%和93.55%,均高于特征光谱数据模型识别率,说明融合纹理特征后使样本分类信息的表达更加全面;融合颜色特征后模型的校正集识别率均有所增加,但预测集识别率稍逊,颜色特征虽携带了部分有效信息,但这些信息与牛肉样本的相关性不大。因此,寻找与牛肉样本相关性更大的颜色特征是提高模型识别率的重要途径之一。该研究结果为牛肉品种的快速无损识别提供了一定的参考。     

应用高光谱图像光谱和纹理特征的番茄早疫病早期检测研究

提出了应用光谱和纹理特征的高光谱成像技术早期检测番茄叶片早疫病的方法。利用高光谱图像采集系统获取380～1 030 nm范围内71个染病和88个健康番茄叶片的高光谱图像,同时采用主成分分析法(PCA)对高光谱图像进行处理。选取染病和健康叶片感兴趣区域(region of interest, ROI)的光谱反射率值,同时分别从前8个主成分的每幅主成分图像的ROI中提取对比度(Contrast)、 相关性(Correlation)、 熵(Entropy)和同质性(Homogeneity)4个灰度共生矩阵的纹理特征值,再通过PCA和连续投影算法(SPA)结合最小二乘支持向量机(LS-SVM)构建番茄叶片早疫病的早期鉴别模型。建立的6个模型中,采用光谱反射率值的LS-SVM模型对番茄叶片早疫病的识别率最高,达到100%。结果表明,应用高光谱成像技术检测番茄叶片早疫病是可行的。     

利用少量波段近红外光谱图像鉴定玉米种子纯度

为实现玉米杂交种的自动化快速分选,提出了应用少量近红外波段光对玉米种子进行成像,获取种子光谱图像并提取纹理特征来鉴定玉米杂交种纯度的方法。采集5个玉米品种的母本和杂交种在4个短波近红外波段的透射光谱图像和4个中波近红外波段的反射光谱图像,采用白板标定校正光谱图像,运用中值滤波、大津法去除噪声,从背景中分割出种子,应用灰度分布统计,灰度共生矩阵提取纹理特征,对同一粒种子拼接其在各波长处的特征数据,应用主成分分析和正交线性判别分析降维并获得子空间的最佳可分性,使用支持向量机建立透射和反射光谱图像纯度鉴定模型。透射和反射模型对5个玉米品种平均正确鉴别率均在85%以上。表明利用少量波段的近红外光谱图像鉴定玉米杂交种纯度是可行的。