基于均值置信区间带的高光谱特征波段选择与树种识别

以柏木、雷竹和无患子野外高光谱数据为基础,在统计学理论和实践分析的基础上,提出了利用均值置信区间带筛选树种间最佳特征区分波段及利用Manhattan距离和Min-Max区间相似度识别树种的问题。研究结果表明:(1)柏木与雷竹之间的最佳区分波段为358～386,452～1 145和1 314～2 500 nm,柏木与无患子之间的最佳区分波段为350～446,497～527,553～1 330,1 355～2 400和2 436～2 500 nm,雷竹与无患子之间的最佳区分波段为434～555,580～1 903,1 914～2 089,2 172～2 457和2 475～2 500 nm;(2)在最佳区分波段内,同种树种间的Manhattan距离远小于异种树种间的Manhattan距离,同种树种间的Min～Max区间相似度远大于异种树种间的Min～Max区间相似度,Manhattan距离和Min～Max区间相似度可以有效区分和识别不同类型的树种。     

基于叶片高光谱特性分析的树种识别

高光谱遥感技术的出现将为解决森林树种的精细识别难题提供有效的途径。利用高光谱遥感技术进行树种鉴别时,光谱特征的选择及提取是个非常重要的过程。与多光谱数据相比,高光谱数据具有波段多、数据量大、冗余度大等特点。该文利用光谱微分法对原始光谱数据进行处理,分析不同树种原始光谱、光谱一阶微分和光谱二阶微分曲线图,从中选择差异较大的波段用于鉴别不同树种。最后利用欧氏距离对所选择的波段进行检验识别不同树种的效果,检验的结果显示选择的波段能有效地区分不同树种。区分不同树种的有效波段大都位于近红外波段, 并且差异最大的波段也是近红外波段,其分别为1 657～1 666和1 868～1 877 nm。     

基于近红外高光谱技术和特征波谱分析方法的竹类判别研究

竹叶含有丰富的功能性成分,具有良好的抗氧化、调节血脂、抗癌、保护心脑血管等功效,在食品和药品等领域具有较高的应用价值,但不同品种的竹叶其功能性成分差异较大。传统对于竹类品种的鉴别主要是通过观察竹叶大小、纹理、竹枝分枝和竹竿高度等,效率低且错误率较高,因此,快速准确的区分不同品种的竹叶,是竹类资源开发和加工过程中的重要任务之一。采用近红外高光谱(900～1 700 nm)技术对我国不同产地的12种竹叶进行鉴别分析。用主成分分析(PCA)对竹叶进行聚类分析,应用主成分因子中X-loading(XL)和random frog(RF)算法进行特征波段的提取,分别得到6条(931,945,1 217,1 318,1 473和1 653 nm)和12条(1 052,1 140,1 163,1 177,1 180,1 193,1 230,1 241,1 477,1 483,1 629和1 649 nm)特征波段,并基于全波段(238条波长)及采用以上算法所得的特征波段建立最小二乘-支持向量机(LS-SVM)判别分析模型,其识别率分别为99.17%(全波段),95.83%(XL算法),95.83%(RF算法)。最后,采用受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic curve, ROC curve)对LS-SVM模型的判别效果进行验证,结果表明,曲线下面积(AUC)均在0.98以上,说明近红外高光谱结合LS-SVM可以很好地实现竹类的鉴别分析,这为竹叶的食用和药用价值的开发利用提供理论参考。     

基于近红外光谱和模式识别技术鉴别大米产地的研究

利用近红外光谱和模式识别技术建立了大米产地的快速鉴别方法。首先对119个地理标志产品响水大米和90个其他产地的大米(即非响水大米)的近红外光谱进行一阶导数和平滑处理,利用主成分分析法(PCA)对数据进行降维,通过前三个主成分的载荷图确定了相关性最大的特征波段(7 700～6 700 cm-1与5 700～4 300 cm-1)。在全波段内,凝聚层次聚类和Fisher’s判别鉴别方法都可以100%正确的鉴别响水大米和非响水大米;对于非响水地区的大米的具体产地判别,聚类分析正确率为91.9%,Fisher’s判别分析方法的正确率为96.7%。同时,在特征波段内,对大米产地聚类分析的准确度高于全波段范围内分析结果,说明选取的特征波段具有较强的代表性,是优化模型的有效方法之一。     

秦岭大熊猫主食竹叶片不同花期内源激素变化及与高光谱的响应关系

选取佛坪保护区不同开花状态的大熊猫主食竹种巴山木竹(Bashania fargesii)、秦岭箭竹(Farge-sia qinlingensis)和龙头竹(Fargesia dracocephala)进行高光谱测定,并利用酶联免疫吸附法测定分析竹叶的内源激素(赤霉素、生长素、玉米素核苷和脱落酸)的差异,并建立关系模型。结果为:(1)巴山木竹和龙头竹在未开花状态下的赤霉素含量高于开花状态下的,而秦岭箭竹相反;三种竹子未开花竹的生长素和脱落酸含量都低于开花竹;未开花竹的玉米素核苷高于开花竹的。(2)除巴山木竹的生长素和玉米素核苷含量与一定波段的原始光谱显著相关,三种竹子的其他激素含量仅与光谱一阶导数在一定波段极显著相关。(3)利用特征波段得到的线性模型精度高。研究表明激素含量与光谱的相关性能预测竹子开花。     

红外光谱结合偏最小二乘法定量分析毛竹/聚丙烯复合材料的主成分

木塑复合材料(wood plastic composites, WPC)中生物质和塑料的比例影响其物理力学性能和价格。建立一种快速、准确的方法预测WPC中生物质和塑料的含量对于WPC市场的进一步发展具有重要作用。现有的检测方法主要为热分析法,然而,热分析法固有的缺陷(包括检检测时间长、测精度低、操作复杂等)严重限制了其应用范围。为此,本研究采用红外光谱(FTIR)结合偏最小二乘法(PLS)对毛竹/聚丙烯(PP)复合材料样品中毛竹及PP的含量进行了快速测定。以毛竹为生物质填料、PP为基体材料,同时加入一定量的添加剂,采用挤出成型法制备了42个不同毛竹/PP比例的WPC样品。采用KBr压片法收集42个WPC样品的红外光谱数据,利用PLS-2和完全交互验证方式建立样品中毛竹及PP含量和光谱数据间的相关性模型。内部交互验证结果表明,对原始光谱进行一阶导数和SNV预处理后,选择1 800～800 cm-1 波段建立的模型性能最佳。毛竹和PP含量的校正模型决定系数R2均为0.955,校正标准偏差SEC分别为1.827和1.848。毛竹和PP含量的预测模型决定系数R2均为0.950,交互验证标准偏差SECV分别为1.927和1.950,RPD值均为4.45。外部验证结果表明,毛竹和PP含量相对预测偏差均低于6%,FTIR结合PLS法可以同时快速、准确地预测毛竹/PP复合材料中毛竹及PP含量。     

滇中三类典型地表植被的机载高光谱特征分析

高光谱遥感技术因为具有图谱合一的优势,并且相较于传统多光谱遥感技术,可以实现对目标的精确识别,逐渐运用于地表植被的探测。选择以滇中地区的竹林、华山松、杂木林这三类典型地表植被为研究对象,基于机载高光谱影像数据,通过对原始高光谱、一阶微分处理光谱、连续统去除处理光谱进行处理与对比分析,获得滇中三类典型地表植被类型高光谱特征的初步探测认识。主要结果包括：(1）基于对原始光谱特征分析得出,三类典型地表植被的原始高光谱的最佳波段窗口出现在690~946 nm,且在该波段范围内光谱反射率特征为竹林>华山松>杂木林;(2）运用一阶微分处理光谱特征分析得出,利用光谱微分变换处理能够增强植被的光谱差异。经过一阶微分处理后光谱的最佳波段窗口出现在670~774 nm,在该波段范围内的一阶微分系数为竹林>华山松>杂木林。且发现718 nm为三类植被的敏感波段,即可用718 nm敏感特征波段区分开三类植被类型;并且综合运用一阶微分光谱特征参数中的红边位置,蓝边幅值、黄边幅值、红边幅值、蓝边面积、黄边面积和红边面积可以将三类植被类型进行区分;(3）最后基于连续统去除处理光谱特征分析得出,连续统去除方法能够有效地增强植被光谱曲线反射和吸收的特征。经过连续统去除处理后的光谱,三类典型植被的最佳波段窗口在458~554和570~690 nm,这两个波段范围内的连续统去除系数均为竹林>华山松>杂木林,且发现502和674 nm为三类典型植被的敏感波段,即可用此特征综合区分三类植被类型。该研究结果有助于对滇中森林植被精细判别提供技术方法,同时,为今后发展天-地-空的高光谱影像数据一体化遥感植被精细分类提供技术支撑。     

高光谱成像技术的库尔勒梨早期损伤可视化检测研究

利用高光谱成像技术对库尔勒梨早期损伤进行快速识别检测。以60个库尔勒梨为研究对象,采集380～1 030 nm波段范围内完好样本和损伤后1～7天样本的480幅高光谱图像。提取图像中感兴趣区域(ROI)的平均光谱信息,利用小波变换(WT)对光谱数据进行去噪平滑,将去噪后的全部样本按2∶1的比例分成建模集(320个)和预测集(160个)。利用二阶导数从全谱信息中提取出19个特征波长,分别基于全谱和提取出的特征波长对建模集和预测集进行支持向量机(SVM)建模分析。结果表明,基于全谱和特征波长的判别分析模型中,两者预测集的识别率都达到93.75%,表明提取的特征波长包含了光谱数据中的关键信息。然后,基于特征波长运用波段比运算挑选最佳波段比,根据波段比F值的分布确定光谱图像分割的最佳波长684和798 nm。对最佳波段比(684/798 nm)下的图像,利用选择性搜索(SS)对高光谱图像中样本的完好和损伤区域进行分割,从分割结果来看,1～7天损伤样本的受损区域能够被准确检测出来。研究结果表明：基于高光谱成像技术对库尔勒梨进行损伤鉴别是可行的,该研究所获得的特征波长和波段比为研发在线实时的库尔勒梨损伤检测系统提供支撑。     

基于谱聚类与类间可分性因子的高光谱波段选择

随着遥感技术和成像光谱仪的发展,高光谱遥感图像的分辨率不断提高,其庞大的数据量在提高其遥感探测能力的同时,也给分析和处理带来了很大的困难。高光谱波段选择可以有效减少数据冗余,提高分类识别精度和处理效率。因此如何从多达数百个波段的高光谱图像中选择出具有较好分类识别能力的波段组合是亟待解决的问题。针对上述问题,采用基于图论的谱聚类算法,将原始高光谱图像中的波段作为待聚类的数据点,利用互信息描述两两波段间的相似度,生成相似度矩阵。再根据图谱划分理论,将相似度矩阵生成的非规范化图拉普拉斯矩阵进行谱分解,得到类间相似度小且类内相似度大的类簇;然后根据地物类型计算各波段的类间可分性因子,将其作为类簇内进一步选择代表性波段的参考指标,达到降维的目的;最后通过支持向量机与最小距离分类方法对波段选择后的图像分类。该方法区别于传统的无监督聚类方法,采用基于图论的谱聚类算法,并根据先验知识计算类间可分性因子来选择波段。通过与自适应波段选择算法和基于自动子空间划分的波段指数算法的对比实验,结果表明：两组实验当聚类数目达到相对最佳时,该波段选择方法支持向量机图像总分类精度达到94.08%和94.24%以上,最小距离分类图像总分类精度达到87.98%和89.09%以上,有效保留了光谱信息,提高了分类精度。     

傅里叶近红外光谱的雪青梨酸度偏最小二乘法定量分析

利用近红外漫反射光谱测定法获取了完整雪青梨的近红外光谱(12 500～4 000 cm-1), 采用多元校正算法偏最小二乘法(PLS)方法,选取不同的波段范围对漫反射光谱进行有效信息提取和分析,得出了不同因子数时PLS方法进行酸度分析的结果及其因子数与交互有效检验标准偏差(RMSECV)关系,确定了最佳回归的因子数和用于定量分析的最佳波段范围。实验结果表明: 校正模型的预测精度在5 452～12 285 cm-1波段范围内,最佳主因子数为7时,雪青梨总酸的预测精度最好,其预测集的相关系数达到了0.79, 预测标准偏差为0.018 6。     

The effect of cross-channel synchrony on the perception of temporal regularity

Temporal models of pitch are based on the assumption that the auditory system measures the time intervals between neural events, and that pitch corresponds to the most common time interval. The current experiments were designed to test whether time intervals are analyzed independently in each peripheral channel, or whether the time-interval analysis in one channel is affected by synchronous activity in other channels. Regular and irregular click trains were filtered into narrow frequency bands to produce target and flanker stimuli. The threshold for discriminating a regular target from an irregular distracter click train was measured in the presence of an irregular masker click train in the target band, as a function of the frequency separation between the target band and a flanker band. The flanker click train was either regular or irregular. The threshold for detecting the regular target was 5-7 dB lower when the flanker was regular. The data indicate that the detection of temporal regularity (and thus, pitch) involves cross-channel processes that can operate over widely separated channels. Model simulations suggest that these cross-channel processes occur after the time-interval extraction stage and that they depend on the similarity, or consistency, of the time-interval patterns in the relevant channels.     

Non-parametric identification of non-linear oscillating systems

The problem of system identification from a time series of measurements is solved by using non-parametric additive models. Having only few structural information about the system, a non-parametric approach may be more appropriate than a parametric one for which detailed prior knowledge is needed. Based on non-parametric regression, the functions in the additive models are estimated by a penalized least-squares approach using backfitting. The optimal smoothing parameters are determined via generalized cross-validation, making this approach completely adaptive to the data. The procedure is applied to identify the non-linear restoring force of vibrationally excited helical wire rope isolators.     

利用高光谱图像技术评判茶叶的质量等级

针对茶叶品质无损检测时内外品质难以同时兼顾的问题,利用高光谱图像技术检测茶叶质量.设计一套基于光谱仪的高光谱图像系统采集数据;通过主成分分析,从海量数据中优选出三个波长段的特征图像;从每个特征图像中分别提取平均灰度级、标准方差、平滑度、三阶矩、一致性和熵等6个基于统计矩的纹理特征参量,每个样本共有18个特征变量;再通过主成分分析对这18个特征变量进行压缩,提取8个主成分因子建立基于反向传播神经网络的茶叶等级判别模型.模型训练时的总体回判识别率为97%;预测时总体识别率为94%.结果表明,高光谱图像技术可以用于茶叶质量等级水平的评判.     

Estimating leaf chlorophyll and nitrogen content of wetland emergent plants using hyperspectral data in the visible domain

Increasing amounts of recycled water have been used in wetlands; as such, monitoring the growth status of wetland plants with remote sensing technology is of great significance to restore and reconstruct wetland added by recycled water. In this paper, Phragmites australis and Typha angustifolia were selected. Spectral reflectance was determined in the visible domain to avoid the influence of leaf water on the established model; chlorophyll and nitrogen contents were measured as data sources. Statistical analysis, including correlation analysis and stepwise regression analysis, was conducted to estimate chlorophyll and nitrogen contents with different derivative transform spectra, namely, first derivative reflectance spectrum (FDS), band depth (BD), continuum-removed derivative reflectance (CRDR), band depth ratio (BDR), and normalized band depth index (NBDI). After the selected bands were statistically analyzed, we found that the range of 550–750 nm, particularly 700–750 nm (red edge range), was the key range to estimate biochemical parameters. Single removal cross-validation results showed that the optimum models of chlorophyll content inversion in reeds, cattails, and combined samples were BD, CRDR, and NBDI, respectively; the corresponding R² were 0.87, 0.83, and 0.81. The respective RMSE values were 0.16, 0.15, and 0.33; the optimal models of nitrogen content inversion in reeds, cattails, and combined samples were BD, CRDR, and BD, respectively; the corresponding R² were 0.69, 0.72, and 0.79. The respective RMSE values were 0.15, 0.11, and 0.17. Kruskal–Wallis non-parametric test and multi-way ANOVA were then performed; results revealed that data types and biological differences greatly influence the inversion model; by contrast, spectral derivative transform and vegetation type difference did not significantly affect the inversion model. Our results could be used as a scientific basis of the non-destructive growth status monitoring of wetland plants. It also provided a reference for restoration and management of wetlands supplied with recycled water.     

基于近红外光谱反射率特征的木材树种分类识别系统的研究与实现

提出了一种基于木材表面光谱反射率的新型木材树种分类识别系统,它解决了下面三个问题。首先,考虑到实际采集的光谱反射率曲线在某些波长噪声较大,这些波长应该被删除。另外,木材光谱反射率曲线波段为350~2 500 nm,原始实验数据为一个2 150维的向量(光谱采样间隔设定为1 nm),所以要对光谱数据进行特征选择和降维处理。为高效和同时地解决这两个问题, 使用了一种散步矩阵求解特征值方法进行了光谱特征波长的特征选择,同时还对噪声波长进行了滤波处理。该方法收到了较好的效果, 具有一定的新颖性。最后,为了使光谱仪采集到的光谱反射率曲线具有最佳的模式可分性信息,还对室内照明光源的安装高度进行了最优化设计,使用遗传算法求解出光源的最佳安装高度,使得采集的光谱反射率曲线具有最佳的树种分类信息。因此,提出的这种照明光源安装高度优化设计方法,在一定程度上提高了树种分类识别的精度,它具有较好的可行性和一定的新颖性。针对东北地区常见的五种树种(白松、樟子松、落叶松、杨木和桦木)木材进行大量的(约10万次)分类测试,实验结果表明五种树种木材的混合识别率达到了95%以上,具有较好的分类识别精度和速度。特征选择的波长主要集中在近红外波段。     

同色异谱破坏特性及其在相似异物检测中的应用

由于相似异物与所处背景的外观特征极其相近,现有的光谱成像检测技术遇到新的挑战。针对复杂背景中相似异物检测难题,提出了利用同色异谱破坏特性的透反射光谱图像检测方法。在分析同色异谱破坏过程中异物与背景光谱特性差异基础上,建立了波长优选函数筛选最优波长的透反射光源构建成像检测系统。以棉花中的白色丝状异物作为实验对象,利用最佳波长透反射成像系统获取异物特征,采用图像决策层融合增强异物图像特征,最后利用二值化处理提取异物目标。实验结果表明,在利用390 nm反射波长与580 nm透射波长的双波长图像检测中,成像系统获取的相似异物图像特征明显,异物提取后检测结果与实际相符。此方法可有效检测棉花中多种白色丝状异物,为相似异物检测提供了一种新思路。     

小兴安岭主要树种冠层光谱季相变化研究

森林每年随季节变化而出现形态和生理机能的规律性变化,该变化在一定程度通过其光谱特征有规律地展现。准确地掌握森林冠层光谱特征随季节变化的规律不仅是遥感解译的关键,也为树种识别、动态监测和生化参数反演提供理论基础。利用地物光谱仪对研究区9个主要树种的冠层光谱数据进行长期观测,获取了春夏秋冬四个季节的反射光谱曲线并生成一阶导数曲线,同时还计算了常用的植被特征参数,进而分析不同树种在相同季相和不同季相的光谱特征,对比不同树种在可见光和近红外波段的季相变化特征和差异,探索遥感手段用于树种分类识别的最佳波段、最佳时相。结果表明：不同树种在各生长季光谱具有独特的特征,落叶树种光谱特征因季节的改变而呈现有规律的变化, 而常绿树种光谱特征年变化不明显。光谱特征的变化有效地反应了物候的变化,应用多季相的数据进行分类可以取得最好的效果,常绿树种和落叶树种光谱特征在冬季差异明显,而夏季是采用单季相遥感数据进行树种识别的最佳时节。     

高光谱成像的水稻螟虫蛀入检测方法

为了控制水稻螟虫预警和喷洒农药用量,实现对水稻螟虫虫害的无损检测,提出了基于主成分分析特征波段检测方法和基于迭代阈值的最优波段检测方法,确定了水稻茎秆螟虫检测的特征波段和最优波段,提取出单波段和组合波段的图像来分割虫孔,从而实现水稻螟虫的精准的无损检测。首先通过高光谱得到的120个样品反射率信息分析确定了光谱区域为450～1 000 nm。基于主成分分析特征波段检测方法,对高光谱图像进行主成分分析,通过前五个主成分图像比较确定第三主成分图像为最佳,然后根据第三主成分图像中各个波段的贡献率来选取特征波长（668.8和750 nm）,最后结合全局阈值分割和图像掩膜等图像处理方法实现对虫孔区域的判别。而利用基于迭代阈值的最优波段检测方法,在可见光波段450～750 nm范围和近红外波段750～1 000 nm范围内应用混合距离挑选最佳的单波段,通过单波段来确定组合波段,对单波段和组合波段进行迭代阈值分割,其中753.5 nm波长分割效果最好,故确定753.5 nm为最优波长,然后提取该波长的图像采用一种基于迭代阈值虫孔提取方法和形态学处理,最后能对水稻茎秆虫孔区域进行判别来实现水稻茎秆虫害是否存在。对60个虫害水稻茎秆和60个正常水稻茎秆进行检测,应用基于主成分分析特征波段检测方法在668.8和750 nm波长处检测率分别为95.8%和93.3%,而应用基于迭代阈值的最优波长检测方法在753.5 nm波长处检测率高达96.7%。说明利用基于迭代阈值的最优波长检测方法对水稻螟虫的检测更加精确,也说明所获取的特征波段和最优波段为以后水稻螟虫虫害的多光谱成像技术提供了理论参考。     

Experimental realization of maximum confidence quantum state discrimination for the extraction of quantum information

We present the first experimental demonstration of the maximum confidence measurement strategy for quantum state discrimination. Applying this strategy to an arbitrary set of states assigns to each input state a measurement outcome which, when realized, gives the highest possible confidence that the state was indeed present. The theoretically optimal measurement for discriminating between three equiprobable symmetric qubit states is implemented in a polarization-based free-space interferometer. The maximum confidence in the measurement result is 2/3. This is the first explicit demonstration that an improvement in the confidence over the optimal minimum error measurement is possible for linearly dependent states.