VIS/NIR高光谱成像在中国云冈石窟砂岩风化状况分布研究中的进展

云冈石窟大部分雕凿在长石石英砂岩上,因受环境、岩性等因素影响,目前风化状况严重,其中主要为粉状风化。基于高光谱成像技术研究云冈石窟砂岩风化状况的整体有效评估方式,采集目标物400～1 000nm的高光谱数据,采用对数残差法进行归一化处理,参照归一化处理后的反射率数据,按照这区间的反射率分布范围将风化程度分为强风化和弱风化。同时在envi平台下对砂岩的风化状况分布进行分级可视化表述。将可视化结果与现场病害分布状况比对,结果表明可视化的表述与实际观测结果基本一致,高光谱技术可用于砂岩的粉状风化状况估测。     

近红外光谱技术在红砂岩文物风化研究中的应用

用现代近红外光谱分析技术研究红砂岩文物的风化机理,分别对六组红砂岩样品进行分析,结果表明近红外光谱技术能较好的分析红砂岩风化前后的物质组分,达到探究组分变化的目的,是一种快速有效的研究手段,且比其他研究技术更具测量样品用量少、速度快、无破坏、无污染的特点,这些优点表明近红外技术也能用于其他石质文物的研究,尤其对那些取样难、珍惜贵重、不能破坏的石质文物其作用更显得尤为重要.所以随着时代的进步近红外技术作为石质文物的研究手段将会越来越凸显其意义.     

共聚焦拉曼光谱研究ZnSO_4微液滴的风化过程

通过共聚焦拉曼原位光谱技术在分子水平上研究了沉积在聚四氟乙烯基底上的ZnSO_4微液滴的风化过程.根据获得的高信噪比的Raman光谱,详细探讨了湿度降低时ZnSO_4微液滴中Zn~(2+)和SO_4~2离子的缔合行为,即经由单齿、双齿最终转化为复杂的链状或网状接触离子对.利用曲线拟合技术对其光谱的ν1-SO_4~2峰进行分峰,获得了不同湿度下ZnSO_4微液滴中各组分的量化信息:高湿度时,液滴中主要包含自由的水合SO_4~(2-);随着湿度降低,自由SO_4~(2-)逐渐向单齿、双齿接触离子对转化,并在湿度为66%和34%时分别达到其最大值;继续降低湿度,复杂的链状或网状接触离子对逐渐成为液滴中的主要成分.     

土壤全氮反射光谱估算机理研究

反射光谱技术具有快速、便捷等特点,过去几十年中将其应用于土壤科学的研究呈指数增长,且广泛用于土壤属性估算。土壤全氮含量是一项非常重要的肥力指标,光谱估算全氮含量可以为实现精准农业提供重要支持。但反射光谱估算土壤全氮含量是基于全氮与有机碳的相关性还是基于氮本身的吸收特征仍然存在争议。本文以江苏滨海土壤为研究对象,利用偏最小二乘法分别构建全氮和有机碳在相同建模样本量、不同全氮含量及变异程度情况下的估算模型,通过分析模型精度变化规律及全氮与有机碳估算模型系数的相关性,探讨土壤全氮反射光谱估算机理。结果表明,该地区土壤为1 000年来滨海滩涂经人为耕作发育形成,全氮含量不高,有机碳含量偏低。全氮与有机碳之间存在较强的相关性,相关系数高达0.98。土壤全氮含量估算精度随样本集全氮含量的平均值、标准差增大出现先增加后略有减小的变化规律,与变异系数的变化规律相一致。当全氮含量较低时(样本平均值小于0.27 g·kg-1),土壤全氮与有机碳相关系数也较小,实现反射光谱估算全氮是基于氮的吸收特征;当全氮含量较高时(样本平均值大于0.29 g·kg-1),全氮与有机碳相关性较强且有机碳模型精度高于全氮,说明有机碳对光谱曲线的影响随其含量增加而增大,并掩盖了氮的吸收特征,实现反射光谱估算全氮是基于其与有机碳的相关性。该研究揭示了土壤反射光谱估算全氮含量的机理,从而为反射光谱快速估算土壤全氮含量提供理论依据。     

利用地表土壤的反射光谱勘探油气的方法研究

反射光谱分析提供了一种高效和低成本的鉴别物质成分和结构的方法,油气微渗漏理论则建立了油气藏与其上部地表特定蚀变之间的因果关系,因此,可以通过检测地表蚀变的反射光谱来勘探油气。野外实地测量和高光谱遥感均能够实现反射光谱的检测。文章首先提出了典型含气区测点的光谱曲线的宏观特征;然后,给出了一种基于野外测量的反射光谱来确定特定蚀变的地表分布(即分类)的方法。将本方法应用于青海××地区野外测量的反射光谱的分析中,得到的蚀变异常区与该地区的已有气田成功吻合。本方法的鲁棒性实验表明,当分类过程中选用不同的参数组合(例如：分类样本,研究波段范围和相似度阈值)时,均能得到较好的分类结果。为该地区进行中的Hyperion高光谱遥感油气勘探项目提供了有效的分类样本和参考算法。     

拉曼光谱研究不同风化过程中七水硫酸镁晶体相转变行为

通过不同的相对湿度(relative humidity,RH)调节方法,获得了 MgSO4·7H2O 晶体不同风化过程中的原位共聚焦拉曼光谱,实现了不同阶段相转变细节的观测.在快速和慢速风化过程中,MgSO4·7H2O 晶体在 RH 3%时均转变生成 MgSO4·3H2O 晶体.而在潮解过程中,不同风化过程形成的 Mg...     

铀污染下的商陆叶片反射光谱特征与铀含量关系研究

通过室内盆栽试验,利用微分技术处理叶片反射光谱数据,研究铀污染下商陆叶片中的铀含量在不同光谱波段与原始光谱反射率、一阶导数光谱的相关关系,找到商陆铀污染诊断的敏感波段范围和最优光谱特征参数,并以相关性较好的敏感波段及光谱特征参数为自变量,与商陆叶片铀含量建立对应的估测拟合模型。如果以该模型为基础创建铀含量的冠层光谱模型,则有可能实现通过遥感影像监测叶片中的铀含量。实验结果表明：当商陆叶片中的铀含量为5.94～71.74 mg·kg-1时,叶片中铀含量与一阶导数光谱数据的相关性较原始光谱数据好,在749～766 nm区间内存在较好的相关性和光谱响应;根据上述相关性分析,选择14个光谱特征参数,计算他们与商陆叶片铀含量的相关系数,其中蓝边面积、红边位置、红边面积与蓝边面积的比值及红边面积与蓝边面积的归一化值与叶片铀含量的相关系数达到了0.05显著检验水平;选取一阶导数光谱中相关系数最高的波段757,758,760和761 nm处的值和上述相关性最高的4个光谱特征参数,与叶片铀含量建立多种形式的估测拟合模型,通过对拟合模型的精度检验,发现以红边面积与蓝边面积的比值、757和760 nm处反射率的一阶导数为自变量的拟合模型的预测效果较好,其中拟合效果最优的模型是以757 nm波段处反射率的一阶导数为自变量的三次函数模型,模型预测精度达到了89.8%。     

头孢曲松钠与金属离子作用的光谱研究

研究了头孢曲松钠与Cd2＋、Ce3＋、Eu3＋、Tb3＋金属离子络合体系的紫外光谱和荧光光谱特征。结果表明,头孢曲松钠与金属离子的紫外光谱均发生不同程度的蓝移,甚至吸收峰消失,其吸光度除Cd2＋的升高,其余都下降;荧光强度也有明显的变化,加入Cd2＋、Eu3＋后头孢曲松钠的荧光猝灭,而加入Tb3＋后头孢曲松钠的荧光增强。在此基础上,采用头孢曲松钠与Cd2＋、Ce3＋、Eu3＋、Tb3＋金属离子物质的量之比分别为1∶0.6、1∶1、1∶0.6、1∶3合成络合物,并且利用红外光谱和元素分析对络合物进行验证。     

延安时期红色文献的红外光谱无损检测研究

延安是中国共产党领导革命的中心和战略总后方,是革命的红色摇篮。延安时期出版了大量具有历史、文化以及教育意义的红色文献,这些红色文献记载了中国共产党波澜壮阔的发展历程,也反映了延安时期不断发展的科技生产水平与独特的制浆造纸工艺,具有重要的研究价值。然而,延安时期出版的红色文献虽距今不到百年时间,但其保存现状不容乐观,普遍存在纸张老化、焦脆易碎等问题,大量文献急需科学检测与修复保护,以延长其保存寿命。目前,针对延安时期红色文献的检测研究仍存在较大空白。考虑到红色文献的珍贵性与特殊性,应当尽可能选择无损检测方法对其分析检测。基于衰减全反射-傅里叶变换红外光谱法（ATR-FTIR）,以木素1 510 cm-1处特征峰与纤维素1 030 cm-1处特征峰的强度作为定量依据,建立了造纸原料与红色文献纸张中木素相对含量的无损检测方法。通过检测不同碱强度与碱浓度处理后的构皮、苦竹与杨木的木素含量,考察了制浆过程中碱处理条件对造纸原料脱木素程度的影响,同时体现了红外光谱法测定木素相对含量的普适性。以复旦大学图书馆藏的76册延安时期红色文献为研究对象,分析了红色文献的纸张木素含量与纸张pH值以及纸张氧化度的相互关系。结果表明,木素相对含量高于25%的红色文献,其纸张pH集中在3～4之间且纸张氧化度较高,文献整体保存状况堪忧;而木素相对含量低于25%的红色文献,其纸张氧化度与酸度较低,文献整体保存情况较好。以上结果验证了红外光谱无损检测法用于延安时期红色文献木素含量分析的可行性,并结合纸张氧化度与酸度数据提出了纸张木素含量的合适范围,为制浆造纸中植物原料的脱木素过程提供参考。拓展了红外光谱法在红色文献无损检测中的应用范围,以期为延安时期红色文献的修复与保护研究提供科学依据。     

基于Encoder-CNN的土壤氮含量光谱预测模型研究

基于光谱的土壤氮含量预测模型泛化能力弱是制约其推广应用的瓶颈.鉴于特征提取及非线性表达能力方面的优势,深度学习模型具有较强的泛化能力.提出一种融合自动编码器和卷积神经网络(En-coder-CNN)的土壤氮含量光谱预测模型,探索模型结构和参数对模型性能的影响.根据以往研究成果和相关性分析,获得180个与氮含量强相关的波...     

快速提取农作物氮素光谱信息实验研究

探索一种快速优选农作物氮素光谱波长方法,对确定作物氮含量有重要意义。基于均匀试验的“均衡分布”特性,设计了一种改进粒子群法。通过均匀分布初始粒子群,采用较少样本点来详细描述优化空间,从而解决标准粒子群法易于陷入局部最优解的问题,并加快了优化收敛速度。应用此改进算法快速提取大豆、棉花、玉米三种作物氮素光谱信息,结合偏最小二乘法(PLS)建立校正模型,结果表明,优选后的波长数目降低约93%,减少了工作量,提高了检测速度,且此结果与提取的三种作物冠层光谱反射特征波段相对应。根据优选后波长建立的校正模型的预测精度提高约34%,增强了预测建模能力,验证了该方法快速提取光谱信息的可行性和有效性。     

基于近红外漫反射与漫透射光谱的玉米单倍体鉴别比较研究

使用JDSU公司的MicroNIR1700型微型近红外光谱仪,研究了适合进行单籽粒玉米单倍体鉴别的光谱测量方法。基于近红外光谱定性分析技术,比较了漫反射和漫透射两种情况下玉米单倍体鉴别的效果。光谱数据经过预处理后,采用PLS＋OLDA特征提取算法,应用SVM建立玉米单倍体鉴别模型,分别统计漫反射和漫透射实验条件下,鉴别模型的正确识别率。在微型光谱仪内置光源漫反射的光谱测量方式下,不分胚面朝向,玉米单倍体籽粒平均识别率低于60%,不能有效鉴别玉米单倍体和多倍体。而采用外置光源对籽粒进行漫透射光谱测量方式,获得了平均正确识别率为93.2%的鉴别效果,并且模型稳定性好。实验结果表明,漫反射光谱仅能获得玉米籽粒表层信息,因此玉米籽粒胚面朝向严重影响漫反射光谱鉴别单倍体种子的效果;而漫透射光谱可以实现分析光程纵深信息全累加,能够得到样品内部的信息,因此对胚面朝向不敏感,能够有效地对随机摆放的玉米单倍体和多倍体进行识别。近红外方法能快速、无损地鉴别单倍体,并且微型光谱仪采集速度快,成本低,为实现实用化的自动鉴别提供了条件。     

基于光谱指数波段优化算法的小麦玉米冠层含氮量估测

作物关键生育时期冠层氮素含量的实时监测对于优化氮肥用量和减少环境风险具有重要的意义。为了寻求预测不同作物氮素含量的最佳光谱参数,实现作物氮素无损营养诊断。本研究通过2008年—2011年在德国慕尼黑弗莱辛和河北曲周的不同氮量的小麦玉米田间试验,采用高光谱仪获取小麦玉米冠层的反射光谱,利用光谱理论模型进行光谱指数波段的优化,从而抽取不同冠层结构条件下的小麦玉米氮素营养敏感波段。结果表明与传统的基于红光的光谱指数相比,优化光谱指数显著提高了小麦玉米冠层氮素含量的预测能力,克服了传统的基于红光光谱指数的饱和问题。优化光谱指数的波段结合随着作物品种及其冠层结构的变化而变化,其优化波段范围主要集中在红边(730～760 nm)和红边向近红外的过渡区域(760～880 nm)。优化结果显示玉米最佳光谱指数为R_λ766/R_λ738-1,小麦最佳光谱指数为R_λ796/R_λ760-1,玉米小麦相结合优化后的最佳光谱指数为Rλ₈₇₆/Rλ₇₃₀-1。结果进一步验证了优化光谱指数估测的不同作物含氮量的预测值与实测值相关性最高,且验证偏差最小,证实了优化后的光谱特征参数可对不同作物氮素丰缺状况进行快速、准确、无损估测。试验结果也为设计作物冠层氮素传感器和更好的利用现有基于卫星的传感器实施区域上的作物氮素营养监测提供了理论基础。     

新疆于田和田玉的谱学特征及产地特征研究

新疆是世界重要和田玉产地之一,其中于田产和田玉又为优质山料的代表。研究对来自新疆于田县哈尼拉克、阿拉玛斯、赛迪库拉木、齐哈库勒四个矿点的48块和田玉样品进行谱学特征及化学成分分析,采用常规宝石学测试、傅里叶红外光谱、激光拉曼光谱以及激光剥蚀电感耦合等离子体质谱等现代谱学仪器测试。结果表明,新疆于田和田玉样品颜色呈青色、青白色、青黄色、黄白色、灰白色特征,样品呈典型油脂—玻璃光泽,不透明—半透明,为多晶质集合体,折射率在1.61～1.62范围,相对密度范围为2.95～2.99。新疆于田和田玉样品的红外光谱显示了900～1 200和400～760 cm-1范围内透闪石的特征吸收谱带。O—Si—O反伸缩振动、对称伸缩振动显示为位于1 143,1 096,1 040,995和925 cm-1处的峰,Si—O—Si对称伸缩振动显示为位于763和689 cm-1处的峰,而538,512,465和420 cm-1处的峰与Si—O弯曲振动、M—O的晶格振动及OH平动有关。新疆于田和田玉的拉曼光谱符合透闪石谱学特征,其中120,175,220,365和389 cm-1处是晶格振动峰值,670 cm-1峰值代表了闪石类矿物的Si—O—Si伸缩振动,931,1 029和1 060 cm-1是由于Si—O伸缩振动,3 672和3 680 cm-1属于M—OH伸缩振动。新疆于田和田玉的主要成分为MgO,CaO和SiO₂,稀土元素特征显示为δCe值为0.068～3.902,平均值1.064;δEu值为0～8.832,平均值0.343,具有负Eu异常;LREE/HREE为0.010～3.369,平均值0.682。ΣREE值为0.407～18.768,平均值3.138。利用微量元素特征和稀土元素特征可从化学成分方面将新疆于田和田玉与韩国春川、新疆且末、青海三岔河等其他代表性产地的和田玉进行区分。新疆于田和田玉的谱学特征及成分信息丰富了和田玉产地信息数据,为进一步研究提供参考,未来可以根据宝石学特征、谱学特征和稀土元素、微量元素特征提取各产地和田玉的产地信息,结合和田玉成矿地质条件背景,使和田玉产地精细溯源至每个矿点矿脉成为可能。     

江西朱溪钨矿床矽卡岩矿物热红外光谱学特征研究

朱溪钨矿床白钨矿化与矽卡岩化密切相关,白钨矿多与石榴子石、透辉石等矽卡岩矿物一起产出。该研究对朱溪典型矽卡岩矿物如石榴子石、透辉石、符山石、硅灰石、阳起石等进行显微红外光谱测量和电子探针分析,探究朱溪矽卡岩矿物的热红外光谱特征及其对成矿的指示意义,并建立朱溪地区的矽卡岩矿物热红外光谱库。结果表明,朱溪钨矿床石榴子石主要为钙铝—钙铁榴石系列,在800和920 cm^-1附近存在一大一小两个吸收峰,在880 cm^-1附近存在特征吸收谷;当石榴子石成分中钙铝榴石含量大于50%时,石榴子石特征吸收谷位于880～900 cm^-1,当钙铝榴石含量小于50%时,石榴子石吸收谷位于865～875 cm^-1。随着Al₂O₃含量增加,其特征吸收谷向高波数方向移动,钙铝榴石偏向高波数,钙铁榴石偏向低波数;辉石主要为透辉石—钙铁辉石系列,在850～950 cm^-1波数范围内存在诊断式、呈阶梯状降低的吸收峰,且在1 050 cm^-1处存在吸...     

模拟增温与氮沉降对蒙药阿给12种必需元素分配的影响

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC,2007)指出,伴随着全球变暖,氮沉降的现象也日益加剧。通过野外控制实验,使用红外辐射器增温(+2℃)和人工添加NH4NO3(+10g N·m-2.a-1),模拟未来气候变暖与氮沉降状态,设计对照(CK)、增温(IR)、施氮(N)、增温施氮(IRN)四种处理,结合ICP-AES法研究气候变暖与氮沉降对传统蒙药材——阿给12种必需元素在生殖(营养)部位中分配的影响。结果表明:增温与施氮处理改变阿给对必需元素的吸收与分配。增温条件下12种元素含量虽有波动,但基本上呈现出负效应大于正效应的趋势。施氮处理明显改善磷、锰的吸收。同时,增温与施氮处理之间的交互作用不显著。生殖枝与营养枝之间,只有氮、钾、钙、镁四种元素表现出显著性差异。     

吉林省西部典型盐渍化土壤偏振反射高光谱特征与模型研究

近年来,吉林省西部盐渍化土壤面积不断扩大,土壤质量退化日趋加剧,不但对该区域的土地资源造成了严重的破坏,而且对农业生产和生态环境构成巨大的威胁。该研究将遥感信息中的偏振信息和高光谱信息相结合,通过对吉林省西部盐渍化土壤光谱特征的获取,选择合适的波段,建立普适模型,并进行科学验证。研究表明,盐渍化土壤的偏振高光谱信息与其理化属性参数具有一定的相关关系,并具有规律性,这对盐渍化土壤表面反射机理研究、盐渍化土壤目标与背景的识别、分类,土壤偏振传感器的研制、偏振光遥感信息的利用以及定量遥感的发展均具有重大理论意义。     

三维荧光光谱在蓝宝石成因及产地指示作用中的研究——以斯里兰卡和老挝蓝宝石为例

判别蓝宝石成因及产地是宝石学研究中的重要内容,区分蓝宝石属于变质岩型或玄武岩型通常需要使用光谱学分析、内含物分析、化学成分分析结合的方法.选取斯里兰卡变质岩型蓝宝石和老挝玄武岩型蓝宝石进行研究.两地蓝宝石的紫外-可见-近红外吸收光谱测试、化学成分分析结果分别符合变质岩型和玄武岩型蓝宝石的基本特征.三维荧光光谱测试表明,...     

洱海水-陆界面溶解性有机氮组成结构及生物有效性-以永安江为例

利用紫外与三维荧光光谱技术,研究了洱海水-陆界面溶解性有机氮(DON)组成结构及生物有效性特征,并探讨了其对湖泊水质影响。结果表明：(1)水-陆界面经由永安江输入洱海DON浓度在0.25～1.39 mg·L-1之间,从河流到湖内以夏秋两季DON浓度较高;经由永安江输入洱海DON负荷量在0.48～2.34 t之间,其中以夏季DON负荷量最高,表明经由入湖河流输入洱海的DON对洱海水质影响潜在风险较大,尤其夏季明显。(2)水-陆界面经由永安江输入洱海的DON组成主要以类腐殖质物质为主,永安江沿程到湖内衰解特征明显且生物有效性为15.27%,而类蛋白和可溶性微生物代谢产物则出现不同程度累积,累积率分别为42.00%和20.68%;DON组分的分子腐殖化程度经由永安江到洱海湖内呈渐降趋势且降低了14.97%。同时,分子芳香环取代基从以脂肪链为主逐渐向以羰基、羧基、羟基、酯类为主转变,尤其在夏季表现明显。(3)水-陆界面经由永安江输入洱海DON组成特征参数(P_{(Ⅲ+Ⅴ, n)}/P_{(Ⅰ+Ⅱ, n)}和A₂₅₃/A₂₀₃值)与其不同形态氮含量显著相关(R2=0.64～0.74, P<0.1,P<0.05),即永安江输入洱海DON结构影响其生物有效性;水-陆界面DON不同结构特征参数与水质呈显著正相关(R=0.82～0.96, p<0.05,p<0.01),表明水-陆界面经由永安江入湖DON组成结构及生物有效性对洱海水污染有一定贡献,尤其在夏季受陆源等人类活动影响较大时,影响更为突出;由此可见,洱海水-陆界面经由永安江入湖DON组成结构变化(如P_{(Ⅲ+Ⅴ, n)}/P_{(Ⅰ+Ⅱ, n)},A₂₅₃/A₂₀₃)可在一定程度上反映洱海水质状况。     

基于多种光谱学分析技术的地质样品宏微观组构特征研究——以钦杭成矿带南段金山银金矿床岩石样品为例

地质过程的复杂性造就了地质样品宏观和微观特征的不均一性,这些地质样品的不均一特征可以通过光谱学分析技术予以有效的揭示。研究以钦杭成矿带南段金山银金矿床的矿石与围岩样品为例,开展了基于X射线荧光光谱(XRF)和等离子体质谱(ICP-MS)分析技术的宏观地球化学特征和基于拉曼光谱(Raman)分析的微区特征分析。宏观地球化学分析结果表明,矿石与围岩的主量元素组成差别较大,但稀土元素配分模式和微量元素分布模式基本相似,这反映微量元素和稀土元素在成矿作用过程中表现出了较高的地球化学稳定性。关于石英的拉曼分析结果显示,矿石的石英存在507 cm-1附近的峰位,而围岩样品均没有出现,这应该反映了二者结晶过程中具有不同的温度和压力等条件并导致石英结构存在差异,该拉曼位移的存在与否构成了成矿过程相关地质作用的判别标志。矿石与围岩中石英463 cm-1附近拉曼位移的半高宽(FWHM)及拟合峰积分强度比对结果显示,矿石样品中石英结晶程度与有序度明显优于围岩样品中石英,这反映了成矿过程中热液活动对石英微观结构的改造。围岩中石英受后期热液影响大,部分成矿物质源于热液从围岩中带出,且成矿流体存在多期性,不同阶段矿物结晶程度不同,从而造成了特征拉曼位移FWHM值的不同。