一种基于多特征融合的新型光谱相似性测度

光谱相似性测度是高光谱遥感影像定量化分析和精细地物直接识别的基础,光谱特征的选择和刻画方式是光谱相似性测度的关键.研究表明,利用光谱的单一特征无法全面反应地物光谱间的相似性,光谱识别时需要综合考虑光谱的多种特征.本文在几何距离、相关系数和相对熵的基础上提出了一种结合多种光谱特征的新型光谱相似性测度,即光谱泛相似测度(s...     

核映射和Rank-Order距离的局部保持投影相似性度量方法

针对近红外光谱高维、高冗余、非线性和小样本等特点导致光谱相似性度量时出现的“维度灾难”,提出一种基于核映射和rank-order距离的局部保持投影（KRLPP）算法。首先将光谱数据经过核变换映射到更高维空间,有效保证了流形结构的非线性特征。然后改进局部保持投影(LPP)算法对数据进行降维操作,将rank-order距离替代传统的欧氏距离或测地线距离,通过共享邻近点的信息,得到更加准确的局部邻域关系。最后在低维空间通过距离的计算实现光谱的度量。该方法不仅有效解决了高维空间存在的“距离失效”问题,同时还提高了相似性度量结果的精度。为了验证KRLPP算法的有效性,首先根据降维前后数据集信息残差的变化确定了最佳参数近邻点的个数k和降维后的维数d。其次,从光谱降维投影效果和模型分类效果两个角度与PCA,LPP和INLPP算法进行了对比,结果表明KRLPP算法对于烟叶的部位有较好的区分能力,降维效果以及对于不同部位的正确识别率明显优于PCA,LPP和INLPP。最后,从某品牌卷烟叶组配方中选取了5个代表性烟叶作为目标烟叶,分别采用PCA,LPP和KRLPP方法从300个用于配方维护的烟叶样品中为每个目标烟叶寻找相似烟叶,并从化学成分和感官评价两方面对替换前后的烟叶及叶组配方进行了评价分析。其中LPP和KRLPP用于降维的参数选择保持一致,PCA选择前6个主成分。结果表明,由KRLPP选出的替换烟叶与替换配方在总糖、还原糖、总烟碱、总氮等化学成分以及香气、烟气、口感等感官指标上较PCA、LPP方法差异最小,相似性度量准确度最高。该方法可应用于配方产品替换原料的查找,辅助企业实现产品质量的维护。     

基于相似性分类的高光谱主成分融合方法比较

为了提高复杂场景弱小目标高光谱融合图像的质量,提出了基于相似性分类的主成分融合方法。光谱数据像素向量的相似性测度分类产生类矩阵,通过由类矩阵主成分变换的降维投影矩阵来投影变换原有光谱数据,获得降维数据矩阵。对比了传统PCA与基于欧式距离分类的PCA(ED_PCA)、基于光谱角分类的PCA(SA_PCA)、基于光谱信息散度分类的PCA(SID_PCA)和基于正交投影散度分类的PCA(OPD_PCA)四种改进方法的融合性能。实验结果表明:SA_PCA和SID_PCA方法兼具了ED_PCA和OPD_PCA的优点,对比度提升较好,阈值参数不敏感,运行时间较短。     

基于核局部保持投影的近红外光谱玉米单倍体识别研究

实现快速、精确地鉴别玉米单倍体籽粒对玉米单倍体育种技术十分重要。近红外光谱分析技术可在线分析、监测,且无损、分析速度快、操作简便、测试成本低,对实现自动化的大规模鉴定并分拣玉米单倍体非常有帮助。通过美国JDSU的近红外光谱仪进行玉米近红外光谱的数据采集,交叉采集玉米单倍体、多倍体数据。数据处理时,将数据分为训练集和测试集两部分。依次对数据做预处理以消除噪声影响,做核变换将其投射到更高维度空间中增强可分性并进行特征提取,最后建立分类模型鉴别分析。分别统计采用不同的特征提取算法并建立模型鉴别测试的正确识别率。实验结果表明,采用核局部保持投影（KLPP）的特征提取算法的正确识别率更高、稳定性更好,在两组测试集上的正确识别率的均值分别达到95.71%和96.43%。通过分析可以得出,玉米种子的近红外光谱数据经过非线性变换（为高斯核变换）投影到更高维度的空间后,表现出更易于分类的分布特点,保持数据的局部特性也更利于后续的分类。这为玉米单倍体鉴定进一步研究提供了新的方向。     

基于Wasserstein散度的t-SNE相似性度量方法研究

近红外光谱具有高维、高冗余、非线性的特性,严重影响了样本之间的相似性度量的精准,故而提出了一种基于Wasserstein散度的t分布随机近邻嵌入算法(Wt-SNE)。基于流形学习算法思想,利用高斯分布将高维数据的距离转换为概率分布,使用更加偏重长尾分布的方式t分布表示低维空间中对应数据点的概率分布。将高维数据的概率分布嵌入映射至低维度空间,重构低维流形结构,引入Wasserstein散度度量两个空间内概率分布的差异,通过降低散度值来提高两个分布的相似度,以此来实现高维数据降维处理。为验证Wt-SNE算法的有效性,首先对烟叶近红外光谱数据进行降维投影,并与PCA、 LPP、 t-SNE算法比较,结果表明Wt-SNE算法降维后的数据,在低维空间内样本类别边界更加明显。其次,采用KNN、 SVM和PLS-DA分类器对降维后的数据进行烟叶产地预测,准确率分别为93.8%、 91.5%、 92.7%,表明降维后的数据不仅重构了原始光谱的空间结构而且保留了样本间的相似度关系。最后,选取某一卷烟叶组配方中的烟叶进行单料目标烟叶的替换,根据备选样本与目标样本之间的马氏距离选取替换样本。实验表明,Wt-...     

基于近红外光谱和SIMCA算法的烟叶部位相似性分析

烟叶的外观特征能反映其内在品质,不同部位、品种、成熟度的烟叶在外观上表现出来的特征为烟叶生产加工提供了标准和依据.烟叶根据其在植株上着生位置不同可分为5个部位,分别为:顶叶、上二棚叶、腰叶、下二棚叶和脚叶.文章以2008年云南玉溪地区K326品种的5个部位各100份烟叶样品为实验材料,采集了500个近红外光谱数据,应用基于SIMCA算法的相似性分析数学模型,对不同部位烟叶的近红外光谱进行了相似性分析.实验结果表明,基于近红外光谱的烟叶部位相似性分析结果与实际烟叶部位之间的相似性程度是相符的,部位之间相距越大其相似性越差,同时相邻部位之间的相似程度是不同的.该研究对基于SIMCA算法的主成分数确定进行了讨论,并实现了类别间相似性的量化分析,对于烟叶复烤配方的替代、调整以及进行工业分级的评价等具有指导意义.     

应用近红外光谱或化学指标判别不同产地晒红烟的相似性

近红外光谱采集物质信息较全面,是多种物质的复合信息,但具体特征不明显;化学指标虽能够体现物质的具体特征,但所包含的物质信息却不够全面。以2012年和2013年贵州、湖南、吉林、江西、山东、四川六个产地共115个晒红烟样品为研究对象,其近红外光谱采用一阶导数和平滑处理,测定的26个化学指标及其26个计算值(譬如糖碱比等)采用归一化处理,应用PPF投影技术对不同产地晒红烟进行相似性分析。结合近红外光谱和化学指标的分析结果表明：应用近红外光谱和化学指标分析六个产地晒红烟分布规律较为一致,表明通过近红外光谱信息和大量检测数据均可分析产地特征的相似性;对52个化学指标的方差贡献率分析得出,决定产地特征的重要指标是亚硝胺;应用近红外光谱对小产地之间进行聚类分析,得出部分小产地之间具有可替代性,结合主要内在的化学指标工业需求取向,可合理替代不同烟叶原料,降低产品加工质量的波动性。     

光谱相似性制图(SSM)用于成像光谱图像处理的研究

将光谱相似性制图(SSM)用于成像光谱图像的处理,通过对真假叶片以及混合在一起的藻类的成像光谱图像的SSM处理,证明了SSM方法在甄别光学伪装和藻类鉴别及计数两方面具有很高的有效性,从而证明了SSM方法用于处理成像光谱图像上的优越性。同时,该方法还可用于其他方面成像光谱数据的处理,对扩展成像光谱的应用范围具有重要的意义。     

基于近红外光谱和化学计量学的党参定性模型的建立

采用近红外光谱结合化学计量学,对来源于不同产地的81个党参样本进行快速、无损的定性研究.将党参样本粉碎后,采用光纤漫反射采集近红外光谱,并结合随机森林建立党参的定性模型,同时对比分析了不同光谱预处理方法(未处理、变量标准化十一阶导数、偏移校正十一阶导数)对鉴别结果的影响.结果显示,样本可按产地区分开;光谱经偏移校正十一阶导数处理后,训练集准确率达100％,测试集准确率为94％.研究表明,近红外光谱结合随机森林原理简单,易操作,准确率高,为作为快速鉴别党参的参考方法.     

光谱多元分析校正集和验证集样本分布优选方法研究

分析了校正集和验证集样品数随性质分布不均匀性对光谱多元分析校正的不良影响,揭示了实际光谱多元校正中“均值化”现象,即性质值小的样本预测值结果偏大,性质值大的则偏小,提出了一种优选样品新方法—Rank-KS。其综合考虑光谱空间和性质空间对样本进行挑选,将性质空间平均分为若干小区间,在每个小区间内分别利用Kennard-Stone法和随机法进行校正集和验证集样本的挑选,这样得到的校正集和验证集可明显改善样本数随性质分布的均匀性。以红外光谱测定汽油中碳酸二甲酯(DMC)含量和近红外光谱测定二甲亚砜溶液二甲亚砜浓度为研究对象,分别采用Rank-KS、随机法、Kennard-Stone、浓度梯度法和SPXY等方法选择校正集和验证集样品,使用多元线性回归和偏最小二乘法建立模型,比较这些方法对光谱多元校正分析的影响,结果表明Rank-KS方法可改善校正集和验证集样品数随性质分布的均匀性;对于样本数分布中间局部样本多和两端局部少、或者局部没有样本的样本集,使用Rank-KS算法挑选校正集,无论使用MLR还是PLS1建立多元分析模型,均能明显改善其模型预测能力,使得到的模型的预测均方根最小。     

基于完全波形的反射和吸收特征的非线性光谱相似性度量与检索——非线性光谱角制图

提出了一种新的光谱相似性度量方法,即非线性光谱角制图。该方法一方面利用核主成分分析(PCA)方法实现非线性变换和去除波段间的强相关性;另一方面,在变换空间中合并光谱的反射特征和吸收特征。最后,用光谱角制图方法对合并后的反射和吸收特征向量进行相似性度量。实验表明该方法在光谱相似性度量和检索中是有效的。     

基于光谱相似度的恒星大气参数自动测量方法

采用模板匹配方法进行恒星光谱的自动处理时,不需要计算光谱的线指数,而采取对全谱匹配的方法尽可能多的保存有用的信息,可得到比较理想的结果。提出一种基于光谱相似度的恒星大气参数自动测量的方法。首先对恒星光谱进行连续谱归一化,然后通过计算待测光谱和模板光谱之间的相似性来进行模板匹配,从而得到相对准确的恒星大气参数。通过ELODIE实测光谱数据和NGS理论模板库之间的实验表明,本方法可有效进行恒星大气参数的自动测量,并能得到理想的结果。     

一种改进相似度量的红外目标跟踪算法

针对红外目标成像特点,提出了一种简单易行、鲁棒性强的目标跟踪算法.在对原始算法中的核心部分相似度量函数进行理论分析的基础上,新算法给出了两点改进:一是利用动态聚类思想对相似度量函数中匹配样本增加动态权值,提高了模型图像和目标图像样本间匹配准确度,二是增加了模型图像和目标图像像素点邻域信息,进一步增强跟踪算法鲁棒性.实验仿真表明,新建算法能对复杂场景下的红外目标进行较好跟踪,证实了跟踪算法的可行性和有效性.     

基于相似度的立体图像对中右视点图像质量评价方法

结合立体视频中左右视点图像序列之间的关系、模糊数学方法以及客观图像质量评价的特点,提出了一种用于立体视频图像中右视点图像进行质量评价的方法.该方法对在解码端通过重建左视点的图像序列对生成右视点图像序列进行基于相似度的图像质量评价.实验结果表明,该方法能较好地反映立体视频右视点图像的质量水平.     

波长选择算法在近红外光谱法中药有效成分测量中的应用

建立基于仪器分析方法的质量标准是中药进入国际市场的必要条件。近红外光谱技术以其能够反映样品的多种信息、易于在线应用的优势,应用于中成药生产的在线质量监控,可以提高中成药的质量控制标准,加快中药现代化的进程。但在近红外光谱检测中存在着各成分谱图重叠严重,光谱信息冗余,特征吸收区域不明显的问题,需要对采集到的波长进行优选,以达到提高模型预测精度和简化模型的目的。从近红外光谱方法测量中药有效成分的基础研究入手,以冰片含量的检测为例,尝试采用遗传算法与模拟退火算法结合的模拟退火遗传算法及物理意义相对明确的多链逐步选择法对校正模型的波长进行优选。结果表明,波长选择的方法可以使模型采用的波长数减少的同时提高预测精度,波长选择最多可将波长数减少84％,预测精度提高47.6％。     

基于近红外光谱的淡水鱼新鲜度在线检测方法研究

新鲜度是反映鱼类品质以及可否食用的重要指标,在线检测直接关系到食品质量与安全的实施应用,因此对淡水鱼新鲜度进行在线无损检测具有重要意义。应用近红外光谱对淡水鱼新鲜度进行在线检测,试验装置采用自行搭建的淡水鱼近红外光谱在线采集装置,试验时样品在输送链上以0.5 m·s-1的速度运动,采集其近红外漫反射光谱(900～2 500 nm),并用支持向量机(support vector machine, SVM)建立淡水鱼新鲜度在线检测模型。采用光谱理化值共生距离(sample set partitioning based on joint X-Y distance algorithm, SPXY)算法对样本集进行划分,其中校正集111条(新鲜57条,变质54条)、测试集37条(新鲜19条,变质18条),通过对比不同的光谱预处理方法对预测结果的影响,明确了一阶导结合标准化预处理为最优光谱预处理方法,经过该方法预处理后所建模型对校正集的正确识别率为97.96%,对测试集的识别率为95.92%。为了提高模型运行速度对建模所用光谱变量进行优化,分别采用遗传算法(genetic algorithm, GA)、连续投影算法(successive projection algorithm, SPA)和竞争性自适应重加权算法(competitive adaptive reweighed sampling algorithm, CARS) 三种不同的特征变量选择方法对特征波长进行筛选,通过建模比较分析确定CARS为最优波长选择方法,以所选的10个特征波长建立淡水鱼新鲜度支持向量机检测模型,模型对校正集的正确识别率为100%,对测试集的识别率为93.88%。该研究可为近红外光谱用于淡水鱼新鲜度在线检测提供技术支持。     

基于逐步回归法的近红外光谱信息提取及模型的研究

基于多元线性回归的逐步分析算法 ,依据小麦粉的近红外吸收特性机理 ,对小麦粉的近红外光谱(10 0 0～ 2 5 0 0nm)划分三波段 (Ⅰ :10 0 0～ 14 0 0nm ;Ⅱ :14 0 0～ 186 0nm ;Ⅲ :186 0～ 2 5 0 0nm) ,并进行了各波段的光谱信息提取 ,确定了回归特征波长 ,对不同波段建立的回归模型进行了比较 ,给出了各段回归的最佳数学模型。通过对小麦粉近红外谱的信息提取及蛋白质成分的定量分析 ,比较和讨论了不同波段所建模型对小麦粉蛋白质含量的近红外分析结果 ,在应用中有一定的参考价值。     

基于光谱相似性度量的光谱成像干扰效果定量评估

利用一种宽波段伪装网和超光谱成像仪进行了光谱成像伪装干扰试验,基于实施干扰前后光谱图像数据光谱特性的变化,利用光谱相似性度量指标,提出了一种用于评估光谱成像干扰效果的光谱距离准则,结合光谱成像伪装干扰试验结果,对该准则的适用性进行了验证分析.结果表明,在试验条件下,有效伪装区光谱图像像元在伪装前后光谱向量之间的光谱距离可达0.14~0.5,具体幅值大小因伪装前的目标特性、伪装网层数、超光谱成像仪增益等因素而异,而非伪装区和无效伪装区光谱图像像元的光谱距离都在0.05以下,可见在对目标实施有效的伪装干扰前后,伪装区像元的光谱距离通常会显著大于非伪装区,而且伪装效果越显著,光谱距离就越大.因此,光谱距离可以定量反映干扰对像元光谱特性的影响,并能鉴别不同干扰效果之间的细微差别,所以可用于定量、客观评估光谱成像干扰效果.