基于最小角回归结合一元线性直接校正法的近红外光谱模型传递方法

针对近红外光谱分析技术中模型通用性较差的问题,提出了一种新的模型传递方法——最小角回归结合一元线性直接校正法(Least angle regression combined simple linear regression direct standardization,LARSLRDS)。该方法首先采用小波变换对样品光谱数据进行预处理,然后利用LAR实现样品全谱区光谱特征波长点的筛选,最后利用SLRDS对筛选出来的变量进行校正。采用汽油和药品样本的近红外光谱数据验证LAR-SLRDS性能,汽油数据集C7、C8、C9和C10成分的光谱差异为0. 002 8、0. 002 7、0. 002 6和0. 002 7,预测标准差为0. 410 6、0. 849 2、1. 034 9和1. 215 8;药品数据集活性、硬度和重量成分的光谱差异为0. 030 0、0. 031 8和0. 033 6,预测标准差为1. 933 8、0. 440 2和2. 130 9。结果表明,LAR-SLRDS算法不仅能够消除主、从仪器光谱之间存在的差异,实现模型传递,而且能够提高PLS定量模型的准确性和稳定性,具有广泛的应用潜力。     

最小角回归算法(LAR)结合采样误差分布分析(SEPA)建立稳健的近红外光谱分析模型

结合采样误差分布分析(SEPA)框架和最小角回归(LAR)算法,提出了一种SEPA-LAR变量逐步筛选方法用于波长选择,并建立了稳健的近红外光谱分析模型。利用蒙特卡洛采样(MCS)获得多个数据集划分建立多个模型,对光谱各变量(波长)在所有模型的LAR系数进行统计分析,按其回归系数绝对值总和由大到小排序,选择排序靠前的波长建立偏最小二乘(PLS)模型,以未参与SEPA-LAR和建模的独立验证集对该模型进行评价。将玉米湿度、柴油密度以及奶酪脂肪的近红外光谱数据用于SEPA-LAR的性能检验,独立验证集的预测均方根误差(RMSEP)分别为0.001 44%(湿度指标)、0.001 58 g/mL(密度指标)以及1.13 g/100 g(脂肪含量指标)。结果表明,相较于竞争自适应重加权采样法(CARS),该方法具有更优异的稳定性;相较于移动窗口偏最小二乘(MWPLS)以及蒙特卡洛无信息变量消除(MCUVE)方法,该方法选择的变量更少,预测误差更低,预测性、可解释性和稳定性更优异。     

近红外光谱技术结合教与学算法优化极限学习机实现烤烟等级判定

该研究基于近红外光谱（NIRs）技术,以2016～2018年来自13个省份的937个烟叶样本为研究对象,比较了竞争性自适应重加权采样方法（CARS）、蒙特卡洛无信息变量消除法（MC－UVE）以及随机青蛙算法（RF）3种变量筛选方法的极限学习机（ELM）模型效果,与常规判别方法偏最小二乘判别分析（PLS－DA）比较,验证了ELM模型的优势。并通过教与学优化（TLBO）算法对ELM模型进行优化,建立烤烟样本的等级判定模型。结果表明,验证集的分类正确率达到90.16%,测试集的外部验证表现良好,TLBO－ELM模型收敛速度快,泛化能力强,可应用于烤烟等级判定。近红外光谱技术结合教与学算法优化极限学习机为智能化实现烟叶等级判定提供了一种新方法。     

蒙特卡洛-偏最小二乘回归系数法用于近红外光谱变量筛选

提出了一种蒙特卡洛-偏最小二乘回归系数法用于近红外光谱的变量筛选。方法主要包含如下几步:(1)采用蒙特卡洛采样方式,建立多个子集;(2)对每个子集建模,计算其回归系数,并按回归系数绝对值大小对各子模型中的变量进行排序;(3)按频数统计方法对波长排序;(4)对上步中排序后的波长以逐步累加进入最佳变量子集的方式进行交互验证,用以选择最佳变量集。将方法用于生物样品溶液和烟草样品近红外光谱的变量筛选,最终分别从原始的1234及1557个变量中选择了27和68个特征变量,对独立测试集进行预测的RMSEP分别从全谱变量的0.02716和0.06411降低为0.02372和0.03977。方法可有效地对近红外光谱进行变量筛选。     

基于近红外光谱的维生素C片无损鉴别分析

基于近红外光谱技术与化学计量学方法,建立了一种国内外不同品牌维生素C片的无损鉴别方法。采集了国内外8个品牌的维生素C片共计40个样本的近红外光谱数据,比较了完整样品以及粉末样品的近红外光谱,采用连续小波变换技术消除背景干扰和基线漂移,基于标准偏差与相对标准偏差的变量筛选方法筛选出具有代表性的波数点,结合主成分分析方法对国内外不同品牌维生素C片进行鉴别分析。结果表明:原始光谱存在着明显的背景干扰和基线漂移现象,且粉末样品的重现性要优于完整样品;单纯使用原始光谱无法辨别来自不同品牌的维生素C片;连续小波变换可以有效消除背景干扰,提高模型鉴别能力;完整样品的鉴别准确率优于粉末样品,说明国内外不同品牌维生素C片主要成分基本一致,可能是辅剂和工艺上存在细微差异。通过结合近红外光谱分析技术与化学计量学方法,可实现对国产以及进口不同品牌维生素C片的鉴别分析。     

近红外光谱法定性描述酵母菌的生长过程

提出了一种基于近红外光谱分析技术的酵母菌生长过程描述方法.利用Antaris Ⅱ型傅里叶变换近红外光谱仪获取酵母菌培养过程中,发酵物样本在10000~4000 1范围内的光谱数据,同时采用光电比浊法测定各样本的光密度(Optical density, OD)值;运用竞争性自适应重加权采样(Competitive adaptive reweighted sampling, CARS)算法优选特征光谱,再利用极限学习机(Extreme learning machine, ELM)建立酵母菌生长过程4个阶段的分类模型.研究结果显示,参与CARS-ELM模型建立的波长个数为30,其10次运行在训练集和测试集中的平均识别率分别为98.68%和97.37%.研究结果表明,利用近红外光谱分析技术结合适当的化学计量学方法描述酵母菌生长过程是可行的.     

基于一元线性回归的近红外光谱模型传递研究

为解决近红外光谱分析中的模型传递问题,本研究提出了一元线性回归直接标准化算法(Simple linear regression direct standardization,SLRDS)。为验证算法的有效性,采用玉米样品的近红外光谱集进行实验,并与传统的直接标准化算法(Direct standardization,DS)、分段直接标准化算法(Piecewise direct standardization,PDS)进行比较。实验结果表明,SLRDS算法不仅能够有效消除近红外光谱仪之间的差异,很好地实现玉米样品的PLS校正模型在3台仪器之间的共享,而且与DS和PDS算法相比,具有传递性能高、模型简单及所求参数少等优点。     

近红外光谱相似性评估结合局部回归方法无损检测苹果糖度

基于Bayesian相似性评估方法结合偏最小二乘局部回归,对苹果近红外数据库进行数据挖掘。通过相似性计算方法搜索出与预测样品相近的近红外光谱,形成校正子集后采用局部回归方法获得待测样品的相关信息。该方法所建立局部模型的平均检验标准偏差(SEV)约为0.57,分析30个预测样品的预测标准偏差(SEP)约为0.61;基于马氏距离的传统方法建立的偏最小二乘局部模型的平均SEV为0.59,分析30个待测样品的预测SEP为0.64;而采用整个数据库建立的全局偏最小二乘模型的SEV约为0.65,分析30个预测样品SEP约为0.70。基于Bayesian相似性评估的局部回归方法在苹果糖度的近红外无损定量分析中获得较好的应用结果,在实际应用中该方法比全局回归方法具有更强的适用性,为近红外光谱分析提供了新的分析工具。     

基于近红外光谱技术的毒品现场快速溯源研究

毒品的日益泛滥和快速更新对缉毒部门进行现场识别和快速检测带来了巨大挑战,寻求快速、准确、低成本的现场检测方法对毒品的有效管控和案件侦破具有重要意义。该文通过使用手持式近红外光谱仪,结合粒子群优化－极限学习机（PSO－ELM）算法建立了冰毒和海洛因的现场案件快速溯源模型,并与传统的线性判别分析（LDA）算法和支持向量机（SVM）算法进行比较。结果表明：相对于传统的分类模型,该文所建立的PSO－ELM案件溯源模型能获得更好的分类结果和更高的计算效率。该方法能够实现毒品的现场快速溯源,为禁毒实战中的案件侦破提供制毒、贩毒线索。     

组合偏最小二乘回归方法在近红外光谱定量分析中的应用

针对近红外光谱数据局部效应显著,变量个数多,彼此间常存在严重的复共线性,并多与样品组分含量呈非线性关系,构建一种组合非线性偏最小二乘回归(E-S-QPLSR)方法。它采用无重复采样技术(subag-ging),从训练样本中生成若干子样,然后每个子样通过二次多项式偏最小二乘回归(QPLSR),建立其子模型,并实现对训练样本因变量的定量预测,再将它们交由线性PLS算法用于计算各子模型的组合权系数。将该法应用于80个玉米样品的水组分含量与其近红外光谱的定量关系建模,效果良好,显示出很强的学习能力,所建模型的预报性能也优于其它方法。     

Characterization of Chickpea Flour by Near Infrared Spectroscopy and Chemometrics

Near infrared (NIR) spectrometry was used for the rapid characterization of quality parameters in desi chickpea flour (besan). Partial least square regression, principal component regression (PCR), interval partial least squares (iPLS), and synergy interval partial least squares (siPLS) were used to determine the protein, carbohydrate, fat, and moisture concentrations of besan. Spectra were collected in reflectance mode using a lab-built predispersive filter-based instrument from 700 to 2500?nm. The quality parameters were also determined by standard methods. The root mean square error (RMSE) for the calibration and validation sets was used to evaluate the performance of the models. The correlation coefficients for moisture, fat, protein, and carbohydrates in chickpea flour exceeded 0.96 using PLS and PCR models using the full spectral range. Wavelengths from 2100 to 2345?nm had the lowest RMSE for quality parameters by iPLS. The error was further decreased by 0.41, 0.1, and 1.1% for carbohydrates, fats, and proteins by siPLS. The NIR spectral regions yielding the lowest RMSE of prediction were 1620–2345?nm for carbohydrates, 1180–1590?nm and 1860–2094?nm for fat, and 1700–2345?nm for proteins. The study shows that chickpea flour quality parameters were accurately determined using the optimized wavelengths.     

近红外光谱法同时测定多种雌、孕激素

研究并建立了用近红外吸收光谱同时测定多种雌、孕激素含量的快速方法,以四氢呋喃为溶剂,测定了雌二醇、雌三醇、雌酚酮,安宫黄体酮混合溶液的近红外光谱,利用雌,孕激素类物质在6000－11000cm^-1之间的近红外吸收,用偏最小二乘法解析重叠光谱,求得各组分的含曦,结果表明近外光谱法可以有效地同时检测雌二醇,雌三醇、雌酚酮和安宫黄体酮;并讨论了多种因素对测量精度的影响。     

啤酒主要成分的近红外光谱法测定

根据近红外光谱的振动吸收强度与有机分子官能团含量的线性关系,用偏最小二乘法,对啤酒的近红外光谱与其中的酒精度、原麦汁浓度以及总酸含量等3种主要成分进行了线性回归,并建立起相关的模型。用该模型对未知啤酒样品中的上述3种成分的含量进行预测,取得了令人非常满意的结果。可望作为啤酒厂的一种快捷而准确的检测方法予以推广。     

近红外光谱快速测定高浓度烟酰胺

利用烟酰胺在乙醇溶液中波段范围为9001-8060cm^-1和7443-7144cm^-1的近红外一阶导数吸收光谱，经过中心化、矢量归一化预处理，应用偏最小二乘法回归来消除溶剂乙醇的近红外吸收干扰，建立了快速高浓度烟酰胺的方法。54个样本作为校正集，PLS最佳回归因子数为4时，决定系数等于0.997；线性范围为0.13-0.70mol/L。本方法应用于9个待测样品，预测相对偏差小于2.9%，结果令人满意，同时还讨论了一些影响回归精度的因素。     

基于支持向量机的近红外特征变量选择算法用于树种快速识别

将稳定度自适应重加权采样特征变量选择算法用于支持向量机定性分析(Support vector machine-stability competitive adaptive reweighted sampling,SVM-SCARS)。该算法通过对数据多次采样建模计算各变量的稳定度值,稳定度值能更加客观准确地评估变量在建模中的作用,因此可作为变量重要性的评价依据。通过循环迭代方式,采用自适应重加权采样技术逐步筛选变量,然后以每次循环所得变量子集建立SVM模型,并以模型交叉验证分类正确率(Correct classification rate of cross validation,CCRCV)评估子集优劣,确定最优特征变量子集。将该算法结合漫反射近红外光谱技术建立了制浆造纸常用木材的树种识别模型,实现了对4种桉木和2种相思木的快速识别分类。最终共筛选出15个特征变量建立分类模型,模型对各树种分类的正确率达97.9%,具有较好的分类效果。与全光谱模型和递归特征消除支持向量机模型相比,SVM-SCARS能够筛选出更少的特征变量,且模型具有更好的预测性能和稳定性。研究结果表明,SVM-SCARS算法能够有效优化光谱特征变量,提高近红外在线分析模型在木材材性分析中的稳健性和适用性。     

基于局部最小二乘支持向量机的光谱定量分析

提出了一种基于局部最小二乘支持向量机(LSSVM)的回归方法,以克服待测参数和光谱数据间的非线性。本方法首先通过欧式距离选取局部训练样本子集,然后利用该子集建立LSSVM校正模型。由于每个测试样本建模时要选取不同的训练样本,因此提出相对距离的概念用来改进高斯核函数,使LSSVM的参数对于不同的训练样本具有自调整功能。针对一批汽油样本的实验结果表明,本方法的预测精度优于常见的局部线性建模方法和全局建模方法。     

区间偏最小二乘结合差分进化算法应用于鱼粉近红外光谱波长筛选

蛋白质含量是评价鱼粉质量的重要指标,该文采用近红外(NIR)光谱分析技术结合特征筛选方法建立了鱼粉蛋白质含量的快速定量分析模型,并结合区间偏最小二乘(iPLS)和二进制变异策略的差分进化(DE)算法建立了区间偏最小二乘差分进化(iPLS-DE)的波长筛选优化模式,对鱼粉NIR光谱数据进行特征波长筛选。iPLS-DE通过调试iPLS中等分子区间的数量,优选出9个最优特征波段,再采用二进制变异策略的DE算法在最优特征波段内筛选离散特征波长组合,最后根据模型的评价指标确定iPLS-DE优选模型并与iPLS优选模型进行比较。结果表明,将鱼粉全谱等分为5个子区间时,iPLS-DE筛选出50个离散特征波长建立的优选模型对测试集样品的预测均方根误差和相对分析误差分别为1.033%和4.058,而iPLS优选模型对测试集样品的预测均方根误差和相对分析误差分别为1.131%和3.855。表明iPLS-DE方法能够有效地提高NIR光谱分析模型对鱼粉蛋白质定量检测的预测能力。