基于遗传算法的苹果糖度近红外光谱分析

遗传算法(GA)应用在偏最小二乘法(PLS)校正模型的波段优化选择中具有显著的效果。将遗传算法用于波段选择, 能更快达到最优解, 有效提高测量精度,减少建模所用变量。文章研究了在近红外苹果糖度无损检测中,遗传算法作为模块进行波段选择,建立了GA-PLS模型;为了说明遗传算法优选波段可行性,另外建立了全谱和经验谱区的PLS定量模型,并评价了模型的稳健性。首先对傅里叶变换近红外光谱进行多元散射校正、Savitky-Golay卷积平滑后,用遗传算法优选波段(R-SGA),参与建模数据点从原始1 550减少到434个。然后采用一阶导数光谱建立GA-PLS模型,相比全谱PLS(1 550个数据点)和经验谱区PLS(717个数据点)模型具有更高的预测精度,其建模结果为R_C=0.966,RMSEC=0.469,R_P=0.954,RMSEP=0.797。结果表明, 遗传算法可用于PLS法建立苹果糖度校正模型前的数据优化筛选, 有效提高测量精度, 并减少建模变量。     

遗传算法结合偏最小二乘法无损评价西洋梨糖度

基于遗传算法的波段选择法在组合优化问题上具有很大的搜索优势,适应性很广。文章将该方法应用于西洋梨糖度近红外光谱分析中,探讨数据优化筛选的可行性。光谱经多元散射校正或标准归一化处理后进行波段选择,选择结果与样品中被测成分有关, 4个品种洋梨的最佳个体染色体编码有一定共性。分别建立了四种洋梨的GA-PLS模型和全谱模型,早红考密斯、五九香、凯斯凯德和康佛伦斯的GA-PLS建模数据点分别从1 557减少到了434,496,310和496。GA-PLS/Fr-PLS模型的预测标准偏差分别为0.428/0.518,0.696/0.694,0.425/0.421和0.567/0.633, 其中早红考密斯和康佛伦斯GA-PLS模型的预测精度明显优于全谱模型,而五九香和凯斯凯德的GA-PLS模型与全谱模型相近。结果表明,遗传算法用于PLS建立西洋梨糖度校正模型前的数据优化筛选是可行的, 有效提高测量精度, 减少建模变量。     

GA-PLS结合PC-ANN算法提高奶粉蛋白质模型精度

提出一种偏最小二乘法(PLS)和人工神经网络(ANN)结合用于近红外光谱(NIRS)的分析方法,以提高奶粉蛋白质模型的预测精度。首先采用基于遗传算法的波长选择法(RS-GA)优化光谱数据,建立GA-PLS模型预测奶粉蛋白线性部分;然后在RS-GA法选择的波段上进行主成分分析(PCA),以主成分的得分矩阵作为ANN模型输入层,以GA-PLS预测值与真实值之差作为输出层,建立PC-ANN模型预测其非线性部分。最终预测结果为两个模型预测值之和,以模型的预测标准偏差(RMSEP)作为评价指标,以便考察新方法的有效性。同时建立线性的全谱模型(Fr-PLS),其Fr-PLS、GA-PLS和GA-PLS+PC-ANN模型的RMSEP分别为0.511,0.440和0.235。结果表明：考虑奶粉蛋白含量近红外模型的非线性部分,可以显著提高模型的预测精度,该方法也可为其它复杂体系模型精度的提高提供借鉴。     

基于遗传算法的安溪铁观音品质快速评价研究

为探究一种快速无损的安溪铁观音品质评价方法,利用遗传算法(GA)对茶样的近红外光谱特征波长进行筛选,结合偏最小二乘(PLS),建立全谱段的PLS定量模型与GA-PLS模型。结果表明,傅里叶变换近红外(FT-NIR)全谱段光谱在经过平滑+二阶导数+归一化处理后,PLS模型预测性能最高,建模结果为：校正集相关系数R_C=0.921,校正集均方根误差RMSEC=0.543,验证集相关系数R_P=0.913,验证集均方根误差RMSEP=0.665。选用近红外光谱6 670～4 000 cm-1谱区,采用遗传算法进行特征波长筛选,参与建模数据点数从1 557缩减到408个。优选波段后,GA-PLS建模结果为：校正集相关系数R_C=0.959,校正集均方根误差RMSEC=0.413,验证集相关系数R_P=0.940,验证集均方根误差RMSEP=0.587。可见,GA-PLS模型的校正集和验证集的预测结果均优于全谱段PLS模型。结果说明,在传统的近红外光谱技术结合化学计量学方法的建模基础上,加入遗传算法进行波长筛选,能有效提高模型预测能力,实现方法学的创新研究,且GA-PLS品质评价模型具有较强的参考和推广价值,为提高我国茶叶品质的检测技术水平提供新的方法借鉴。     

智能优化算法应用于近红外光谱波长选择的比较研究

近红外光谱(NIRS)是一种间接分析技术,其应用需建立相应的校正模型。为了提高模型的解释能力、预测准确度和建模效率,需要对NIRS进行波长选择,优选最小化冗余信息。智能优化算法是以生物的行为方式或物质的运动形态为背景,经过数学抽象建立算法模型,通过迭代计算来求解组合最优化问题,其核心策略是以某种目标函数为标准,基于多元校正建模并以逐步逼近的方法筛选出有效的波长点。选用蚁群优化(ACO)、遗传优化(GA)、粒子群优化(PSO)、随机青蛙(RF)和模拟退火(SA)5种智能优化算法对烟叶总氮和烟碱近红外光谱数据进行特征波长选择,结合偏最小二乘(PLS)算法,构建了多个烟叶总氮和烟碱的校正模型,结果显示：所选用两个数据集的总氮最优模型分别为PSO-PLS和GA-PLS模型,烟碱最优模型分别为GA-PLS和SA-PLS模型,五种智能优化算法所建模型预测性能并非全部优于全谱PLS模型,但是通过智能优化算法进行波长选择后建立的PLS模型大大简化,模型的预测精度、可解释性和稳定性均有所提高。同时也对优选波长进行了解释和分析,烟叶总氮特征波长优选组合为4 587~4 878和6 700~7 200 cm-1;烟叶烟碱特征波长优选组合为4 500~4 700和5 800~6 000 cm-1,优选出来的特征波长具有实际物理意义。     

近红外高光谱图像结合CARS算法对鸭梨SSC含量定量测定

高光谱数据量大、 维数高且原始光谱噪声明显、 散射严重等特征导致光谱建模时关键波长变量提取困难。 基于此,提出采用竞争性自适应重加权算法(CARS)对近红外高光谱数据进行关键变量选择。 鸭梨作为研究对象。 采用决定系数r2、 预测均方根误差RMSEP和验证集标准偏差和预测集标准偏差的比值RPD值进行模型性能评估。 基于选择的关键变量建立PLS模型(CARS-PLS)与全光谱变量建立的PLS模型进行比较发现CARS-PLS模型仅仅使用原始变量中15.6%的信息获得了比全变量PLS模型更好的鸭梨SSC含量预测结果,r2_pre,RMSEP和RPD分别为0.908 2,0.312 0和3.300 5。 进一步与基于蒙特卡罗无信息变量MC-UVE和遗传算法(GA)获得的特征变量建立的PLS模型比较发现,CARS不仅可以去除原始光谱数据中的无信息变量,同时也能够对共线性的变量进行压缩去除,该方法能够有效地用于高光谱数据变量的选择。 结果表明,近红外高光谱技术结合CARS-PLS模型能够用于鸭梨可溶性固形物SSC含量的定量预测。 从而为基于近红外高光谱技术预测水果内部品质的研究提供了参考。     

葡萄浆果糖度可见/近红外光谱检测的研究

针对可见/近红外光谱与水果糖度存在非线性相关的特点,利用漫反射光谱测定方法获取了葡萄浆果的可见/近红外光谱,提出了应用偏最小二乘（PLS）结合人工神经网络（ANN）建立葡萄浆果糖度的预测模型,利用偏最小二乘法（PLS）对原始光谱数据进行处理,得出交叉检验的最佳主因子数为3,并将3个主因子的得分作为三层BP神经网络的输入。通过定标集样本对BP神经网络进行训练,用优化的BP神经网络模型对预测集样本进行预测。PLS-ANN模型对样本的预测模型检验参数r2为0.908,RMSEP为0.112,Bias为0.013,好于只使用PLS模型的预测模型检验参数r2为0.863,RMSEP为0.171, Bias为0.024。结果表明,利用近红外光谱技术无损检测葡萄浆果糖度等内部品质是可行的,为今后进一步分析建立浆果内部品质预测模型奠定了基础。     

基于蚁群-遗传算法的光谱选择方法与应用

脂肪作为牛奶中的重要营养成分,是评价牛奶质量的一项重要指标。高光谱图像技术能够提供几十到数千波长的数据,能够反映牛奶中不同组成成分细微的光谱差异;另一方面,相邻波段之间往往具有很强的相关性,不仅增加了计算量,而且容易造成维数灾难等问题,因此对高光谱数据进行波段选择非常重要。工作中提出了PLS-ACO特征波段选择方法,并与遗传算法结合,组合成了PLS-ACO-GA的特征波段选择新方法。提出的两种方法以蚁群算法为基础,PLS回归模型回归系数的绝对值作为评价波长重要性的主要依据,以此作为蚁群算法的启发式信息,利用蚁群算法进行智能搜索,结合遗传算法,产生更多优秀的特征波段组合,避免PLS-ACO算法得到的只是局部最优解,得到的最优波段组合能够更好的反映牛奶中脂肪成分的信息;通过计算波长贡献率,筛选出最优波段组合,并与遗传算法,CARS算法和基本蚁群算法光谱特征选择方法比较,最后比较不同特征选择方法下的PLS回归模型预测效果。PLS-ACO, PLS-ACO-GA, CARS, GA和ACO分别筛选了牛奶样品光谱中的18,16,40,43和42个特征波段。其中PLS-ACO-GA筛选波段后的PLS预测模型效果最好,预测集R2_p和RMSEP分别为0.997 6和0.062 2,PLS-ACO次之,预测集R2_p和RMSEP分别为0.997 0和0.077 8。PLS-ACO和PLS-ACO-GA不仅减少了特征波段数量,而且提高了模型的精度。对PLS-ACO-GA进行特征波段选择后的数据,建立MLR,RFR和PLS回归预测模型。MLR预测模型的R2_p和RMSEP分别为0.997 6和0.062 3。RFR回归模型R2_p和RMSEP分别为0.999 9和0.003 0,PLS回归模型的R2_p和RMSEP分别为0.997 6和0.062 2。RFR模型在三种回归预测模型中表现最好。研究结果表明PLS-ACO和PLS-ACO-GA这两种方法可以实现光谱数据特征波段选择,高光谱技术可以实现牛奶中脂肪含量的检测,为牛奶脂肪含量检测提供了一种新的、快速无损的方法。     

甘蔗清糖浆锤度近红外光谱分析的模型优化

采用偏最小二乘法(PLS)和光谱Savitzky-Golay(SG)平滑方法,建立甘蔗清糖浆锤度近红外光谱分析的优化模型。基于最优单波长模型预测效果划分定标集和预测集。全谱(400—2500nm)经过SG平滑处理后用PLS方法建模。建立计算机算法平台,把483种SG平滑模式和1—40的PLS因子数任意组合分别建立PLS模型,根据预测效果选出最优模型,最优模型的SG平滑模式为二阶导数平滑、4、5次多项式类型、43平滑点数,PLS因子数为13,预测均方根偏差(RMSEP)、相对预测均方根偏差(RRMSEP)和预测相关系数(rP)分别为0.433%、0.69%和0.978。预测精度很高,并且大幅度优于未做SG平滑处理直接PLS建模的预测效果。从而表明,SG平滑模式和PLS因子数的联合大范围筛选能够有效地应用于近红外光谱分析的模型优选。     

一种近红外光谱特征子区间选择新算法

为了简化光谱模型和提高模型精度,在传统遗传算法中引入Metropolis接受准则,提出了一种新的模拟退火-遗传区间选择算法(SAA-GA-iPLS),用于快速提取近红外光谱特征子区间,采用偏最小二乘法(PLS)建立近红外光谱模型。以黄瓜叶近红外光谱数据及其类胡萝卜素含量为例,将全光谱分为40个区间,模拟退火-遗传算法能快速优选出7个子区间(分别为第3,5,14,18,21,32,33子区间),在所选7个子区间的基础上建立了黄瓜叶类胡萝卜素PLS光谱模型。与传统遗传算法的比较结果表明:无论是建模效果还是算法执行效率,模拟退火-遗传算法均优于传统遗传算法。     

基于LS-SVM紫外可见光谱检测水产养殖水体COD研究

采用紫外可见(ultraviolet/visible,UV/Vis)光谱技术对水体中有机物浓度的指标化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)进行快速检测,将收集到的135份水样进行UV/VIS波段全光谱扫描,应用Savitzky-Golay (SG)平滑算法,经验模态分解算法(empirical modedecomposition,EMD)和小波分析(wavelet transform,WT)对提取出的光谱数据进行去除噪声处理,为了简化模型,PLSR建模得到的6个潜在变量(LVs)作为偏最小二乘支持向量机(LS-SVM)的输入建立COD预测模型,LS-SVM模型的预测集决定系数r2为0.82,预测均方根误差RMSEP为14.82 mg·L-1。说明使用LVs作为LS-SVM建模输入,可以准确快速检测水产养殖水体中的COD含量,为将来实现水产养殖水质COD含量的在线检测以及其他水质参数的快速测定奠定了基础。     

POSC-PLS方法及其在电子吸收光谱定量分析中的应用

针对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,构建了一种基于分段正交信号校正(piecewise OSC)的偏最小二乘(PLS)回归,即POSC-PLS方法。它以近邻分段方式进行逐个波长点的正交信号校正,剔除光谱矩阵中所含的各种噪声信号,将去噪后的光谱矩阵作为新的自变量矩阵,再利用偏最小二乘方法建立校正模型。将该法应用于多环芳香烃电子吸收光谱的多组分定量关系建模,效果良好。所建模型的预报性能优于其他方法,而且模型所需PLS成分数减少,模型更简洁。     

温度影响下短波近红外酒精度检测的传递校正

短波近红外光谱结合多元校正方法测量酒精度具有快速、无损的特点,可以现场应用和在线检测。但是温度对预测模型的性能影响很大。作者研究了温度变化对乙醇水溶液的短波近红外光谱的影响,采用四种方法建立了温度变化下的偏最小二乘(PLS)传递校正模型：直接校正、全局校正、正交信号处理(OSC)和广义最小二乘加权法(GLSW)。结果表明,温度变化时直接传递校正存在很大的预测系统偏差,而采用全局校正、OSC和GLSW均能在一定程度上减小系统误差。全局校正需要较多的建模样品数量,得到的模型也更为复杂。而OSC和GLSW方法能得到更为简洁的模型和优良的预测结果。相比之下,GLSW算法得到的预测误差和使用的建模隐含变量数目均小于OSC方法,能够建立更为稳健的传递校正模型。     

近红外光谱法分析油页岩含油率中波长选择方法的研究

波长选择是光谱建模分析的重要步骤。研究了近红外光谱法分析油页岩含油率过程中的波长选择方法,用以剔除光谱数据中的冗余信息和干扰信息,提高分析模型的建模效率和预测能力。分别采用相关系数法(CC)、移动窗口偏最小二乘法(MWPLS)和无信息变量消除法（UVE）对油页岩近红外漫反射光谱数据的波长区间进行了选择,研究了不同阈值、窗口宽度和噪声矩阵对上述方法的影响,建立了所选择波长处的反射率数据和样品含油率标准值间的偏最小二乘（PLS）分析模型,比较了上述方法的选择效果。结果表明：与使用全谱数据建模相比,采用上述方法筛选过的光谱数据均能提高模型的建模效率和预测能力,其中经UVE法筛选后的光谱数据仅占全谱数据总数的22.8%,模型的RMSECV却降低了9.3%,RMSEP降低了4.5%。     

基于UV-Vis检测养殖水体中化学需氧量含量研究

采用紫外可见光谱(UV-Vis)与极限学习机算法检测水体化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)含量研究。采集135份水样进行紫外可见波段全光谱扫描,结合变量标准化(standard normal variate,SNV),多元散射校正(MSC)和一阶微分(1st D)对原始数据进行预处理,然后采用竞争性自适应重加权算法(competitive adaptive reweighted sampling,CARS)、随机青蛙(Random frog)算法和遗传算法进行特征波长选择。基于全光谱建立了偏最小二乘回归(partial least squares,PLS)和基于特征波长建立了极限学习机算法(extreme learning machine,ELM)模型。结果表明：使用CARS提取的9个特征波长建立的ELM模型的预测效果最优,决定系数R2为0.82,预测均方根误差RMSEP为 14.48 mg·L-1,RPD值为2.34。说明使用CARS变量选择算法获取UV-Vis光谱特征波长,应用极限学习机建模,可以准确、快速的检测养殖水体中COD含量,为实现养殖水体COD的动态快速检测以及水体其他微量物质含量参数检测打下基础。     

激光诱导击穿光谱联合UVE变量优选检测大豆油中的铬含量

利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对大豆油中的重金属Cr进行检测研究。以松木木片对重金属Cr进行富集,采用AvaSpec双通道高精度光谱仪在206.28~481.77 nm波段范围内采集松木木片样本的LIBS光谱,利用无信息变量消除(UVE)方法筛选与重金属Cr相关的波长变量,应用偏最小二乘(PLS)回归建立大豆油中重金属Cr的定标模型,并与单变量及全波段PLS定标模型进行比较。结果表明,相比单变量及全波段PLS定标模型,UVE-PLS定标模型的性能更优,其相关系数、校正均方根误差、交互验证均方根误差及预测均方根误差分别为0.990,0.045,0.050及0.054 mg·g-1。经UVE变量筛选后,UVE-PLS定标模型所用的波长变量数仅为全波段PLS的2%。由此可见,UVE是一种有效的波长变量筛选方法,能有效筛选出与重金属Cr相关的波长变量。     

Selection of Spectral Variables and Improvement of the Accuracy of Calibration of Temperature by Projection onto Latent Structures Using the Fluorescence Spectra of Yb3+:CaF2

The efficiency of interval methods for selecting variables and the divisive method of interval optimization by a genetic algorithm is considered with the purpose to increase the accuracy of temperature calibration by projection onto latent structures. The fluorescence spectra of Yb³⁺:CaF₂ recorded in the 880–1120 nm band with a resolution of approximately 0.2 nm in the temperature range from 66 to 150°C in 2°C increments are used as an example. The best result for the root-mean-square error of temperature prediction in the test sample (0.45°C) was obtained by interval projection onto latent structures by a combination of moving windows. The use of methods for selecting spectral variables improved more than two times the accuracy of temperature calibration.

     

基于近红外光谱技术的油菜叶片丙二醛含量快速检测方法研究

应用近红外光谱技术实现了油菜叶片中丙二醛(MDA)含量的快速无损检测.对90个油菜叶片样本进行光谱扫描,用60个样本建模,30个样本验证.经过平滑、变量标准化、一阶及二阶求导、去趋势等预处理后,建市了MDA预测的偏最小二乘法(PLS)模型.将PLS提取的有效特征变馈(LV)和连续投影算法(SPA)提取的有效波长作为最小二乘-支持向量机(LS-SVM)的输入变量,分别建立了LV-LS-SVM和SPA-LS-SVM模型.以预测集的预测相关系数(r),预测标准偏差(RMSEP)作为模型评价指标.结果表明,油菜叶片中MDA含量预测的最优模型为LV-LS-SVM模型,LV-LS-SVM在去趋势处理后的预测效果为r=0.999 9,RMSEP=0.530 2;在二阶求导处理后的预测效果为r=0.999 9,RMSEP=0.395 7.说明应用光谱技术检测油菜叶片中MDA的含最是可行的,并能获得满意的预测精度,为油菜大田生长状况的动态连续监测提供了新的方法.