近红外漫反射光谱的主成分分析

本文研究了主成分分析的应用，说明了在主成分分析过程中所产生的新变量如何提供新的光谱信息，该信息能改善对原光谱的解释。     

典型块状煤的可见-近红外光谱特征研究

因可见-近红外波段反射光谱测试方便,仪器成本较低,适用于在线分析,为此针对煤在可见-近红外波段的反射光谱曲线特征规律及其产生机理进行了研究分析。从晋、鲁、宁、吉地区煤矿收集了无烟煤、烟煤、褐煤三大类型中的12种典型煤样,按煤阶从高到低具体包括无烟煤一号、无烟煤二号、贫煤、贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、气肥煤、气煤、褐煤一号、褐煤二号,在实验室利用地物光谱仪采集了块状煤样在可见-近红外波段的反射光谱曲线。通过对光谱曲线特征分析,发现无烟煤的反射光谱曲线整体上趋于水平方向,吸收谷特征不明显,随煤阶的降低,光谱反射率、近红外波段光谱斜率整体上呈增加趋势,较明显的吸收谷特征增多且吸收强度增加,有13个较明显的吸收谷特征波段。通过X射线衍射分析（XRD）测定了煤样的碳材料结构和矿物成分,煤非晶质性分子结构的芳构化趋势对煤阶升高时光谱反射率降低、反射曲线趋于平缓起到主要作用。当煤阶降低时,以脂肪侧链为主的有机吸收基团的中红外波段基频在近红外波段的倍频和合频产生众多吸收叠加,绝大多数吸收谷特征不明显,相对较为明显的吸收谷产生在1 700和2 300 nm附近。同时含Fe等过渡金属的矿物、H₂O、粘土矿物等无机物成分也是煤反射光谱曲线吸收谷特征增多的因素。通过对实验煤样X射线荧光分析（XRF）和工业分析测定了煤样中Fe和Al等矿物元素成分含量和空气干燥基水分、灰分、挥发分、固定碳含量,得出煤反射光谱曲线的近红外波段光谱斜率与挥发分产率、固定碳含量分别呈正、负相关性。H₂O谱带吸收深度之和与内在水分含量线性相关性较好,Fe和Al含量与相关波段吸收谷深度之和基本呈线性关系,而主要由有机基团倍频和合频所产生的1 700和2 300 nm附近两处吸收谷深度之和与挥发分产率线性相关性较差。获得典型块状煤种的可见-近红外波段反射光谱特征,为煤矿区高光谱遥感以及煤光谱数据库的建立提供依据,也为直接利用可见-近红外波段的反射光谱曲线波形特征快速、低成本、定性地识别煤种类提供参考;同时对煤矿用煤炭探测光谱传感器的研制具有重要意义。     

基于可见/近红外光谱技术的番茄叶片灰霉病检测研究

利用可见/近红外光谱技术对感染灰霉病的番茄叶片感染程度进行了检测。提出了主成分分析结合BP神经网络的数据处理方法。采用主成分分析进行数据的降维,减少了计算量,提高了建模精度。通过主成分分析中的载荷值,定性地分析了不同波段对病害程度检测的重要性。将得到的最主要的几个主成分输入BP神经网络进行建模,预测结果显示,当主成分数为8,隐含层结点数为11的时候,病害程度的检测模型对未知样本预测的相关系数达到0.930,SEP为0.068 7,模型具有良好的检测效果。说明基于光谱技术和化学计量学方法的灰霉病检测模型具有很好的检测能力,为光谱技术应用于病害检测提供了新的方法。     

基于主成分分析结合拉曼光谱快速识别血液归属的研究

以3种不同的动物(3×10)血样以及21个人血液作为分析对象,采用主成分分析(PCA)结合拉曼光谱进行血液定性识别检测,通过矢量归一化对拉曼信号进行预处理,以及杠杆值与残差值得分图剔除异样点,使得人与动物血样的识别率均高于95%,并在此基础上进一步采用PCA进行动物血样之间的识别,使得个体的识别率高于90%。实验结果表明PCA在血液识别检测中具有较好的应用前景和可行性,该方法也可以为刑侦、生命科学等应用领域提高借鉴。     

基于可见-近红外光谱的可乐品牌鉴别方法研究

提出了一种采用可见-近红外光谱分析技术快速鉴别可乐品牌的新方法。采用美国ASD公司的便携式光谱仪对三种不同品牌的可乐进行光谱分析,各获取55个样本数据。将样本随机分成150个建模样本和15个预测样本,采用平均平滑法和标准归一化方法对样本数据进行预处理,再用主成分分析法对光谱数据进行聚类分析并获得各主成分数据。将建模样本的主成分数据作为BP网络的输入变量,可乐品牌作为输出变量,建立三层人工神经网络鉴别模型,并用模型对15个预测样本进行预测。结果表明,预测准确率为100%,实现了可乐品牌快速、准确的鉴别。     

基于改进的主成分分析法宽带光谱反射率重建

为了降低光谱反射率重建设备的复杂度和成本并且在宽带光谱上进行更高精度的反射率重建,采用宽带多光谱成像的方法,将投影仪的红、绿、蓝三色光作为光源,用彩色数码相机对光谱图像进行采样。在主成分分析法的基础上引入加权系数,以及误差校正函数,利用改进后的方法重建色卡、染色纸张、油画表面的反射率。选取表征反射率重建精度的均方根误差、拟合度系数、光谱匹配偏度指数3个指标,对所提方法与主成分分析法和加权伪逆法的重建结果进行对比,结果表明：所提方法的重建精度较主成分分析法提高了约45%,较加权伪逆法提高了约30%;由所提方法计算的反射率重建的颜色色差值也优于后两者。     

近红外光谱结合主成分分析鉴别不同产地的南丰蜜桔

采用近红外光谱结合主成分分析(PCA)建立不同产地南丰蜜桔鉴别模型,实现不同产地南丰蜜桔的快速鉴别。分别研究一个果园内不同位置的蜜桔,洽湾、市山和白舍等南丰县三个不同乡镇的南丰蜜桔,福建邵武、广西柳城和江西南丰等三个不同省份的南丰蜜桔之间的差异,蜜桔保存时间对主成分分析模型的影响。结果表明同一个果园内不同位置的蜜桔不存在明显差别,不同产地的蜜桔有很好的分类效果,蜜桔的短时间保存对近红外光谱的主成分分析模型不会产生明显影响。不同的光谱预处理方法对主成分分析模型产生较大影响,多元散射校正(MSC)结合二阶导预处理得到的主成分分析投影具有最佳的分类效果。该研究可为南丰蜜桔的产地鉴别提供一种参考方法。     

近红外光谱主成分分析与模糊聚类的典型地面目标物识别

近红外光谱技术在遥感监测领域中应用广泛,针对典型地面目标物遥感监测识别需要,提出了光谱主成分分析(PCA)与模糊聚类结合的分类识别方法,提高了识别算法效率及准确性。以四类典型地面目标物作为研究对象,分别测量其在1 100～2 500 nm范围内漫反射光谱,首先对漫反射光谱进行主成分分析,得到代表光谱特征的主成分分量,然后将其作为模糊聚类分析模型输入参数,计算样品主成分集合之间贴合度,最后利用择近原则对样品进行匹配分类。结果表明,主成分分析可以有效提取光谱特征并且降低数据维度,结合基于择近原则的模糊分类方法,可有效提高算法准确性与效率,为遥感光谱在地面目标物识别应用提供了有益的参考。     

应用可见/近红外光谱进行黄酒品种的判别

为了实现对黄酒品种的快速判别,采用可见/近红外光谱对不同品种的黄酒获取光谱曲线,然后采用主成分分析方法对光谱数据进行聚类分析,并将其提取的主成分作为BP神经网络的输入值,建立了黄酒品种鉴别模型。该模型将前6个主成分作为神经网络的输入变量,加速了神经网络的学习速度,提高了模型的预测精度。随机选取每个品种的15个黄酒样本,共45个样本组成预测集,剩余的145个黄酒样本组成训练集建立训练模型,并用预测集样本对其进行验证。将品种鉴别的偏差标准定为±0.1,结果表明,只有1个未知样本超出偏差范围,该方法的品种鉴别正确率为97.78％,获得了满意的结果。说明文章提出的方法具有很好的分类和鉴别作用,为黄酒品种的快速鉴别提供了一种新方法。     

基于近红外反射光谱的外来入侵植物的辨识

提出了一种利用可见一近红外反射光谱技术对婆婆纳、波斯婆婆纳、直立婆婆纳等3种入侵植物和本地杂草宝盖草的植物辨别方法,可以对外表相似度极高的这4种植物进行有效鉴别.研究在对光谱曲线进行预处理和聚类分析后,随机采用30×4个样本作为建模样本,其余的20×4个样本作为预测样本,应用独立软模式法SIMCA(soft independent models of class analogy)进行分类,在显著性水平为5%下,其预测分辨率为78.75%,去除婆婆纳后的预测分辨率为90%.根据变量建模能力(modeling power)值,找到敏感波段496～521,589～626和789～926 nm,并将相应的波段的光谱值作为最小二乘的支持向量机LS-SVM(least squares support vector machine)的输入,进行建模预测,并以预测结果作为目标函数值,进行遗传算法GA(genetic algorithm)优化,结果发现,预测分辨率达95.35%,辨识效果好,能快速正确区分外来入侵植物.     

基于可见光光谱的装饰纸表面视觉特征的模式识别研究

装饰纸作为现代家居产品中必不可少的重要饰面材料之一,不仅具有良好的装饰效果,还可以大大地改善材料的表面性能。然而,装饰纸外观质量的控制(如色差的评价和控制),仍然是制约装饰纸产业发展的重要因素之一。利用人眼来判别和控制往往因人而异,偏主观而非客观。因此,寻找一种客观、有效的方法来代替人的视觉感官来快速判别具有重要意义。本研究利用可见光光谱结合主成分分析法对不同类别装饰纸进行了模式识别分类研究,探讨了该技术的可行性。结果表明:(1)可见光光谱与表征装饰纸表面视觉特性的参数之间呈现出显著的相关性,相关系数都达到了0.85以上,多数均达到0.99,说明可见光光谱中包含有描述装饰纸表面视觉特征的参数;(2)利用装饰纸表面的可见光光谱结合主成分分析方法所建立的模式识别模型,对不同装饰纸表面视觉特征类型进行模式识别时,正确率达到94%~100%,说明可见光光谱分析技术有潜力成为装饰纸表面视觉特征快速、客观、有效识别和分类的新技术。     

冬小麦冻害胁迫高光谱分析与冻害严重度反演

对冬小麦冻害严重度的精确反演是及时采取补救措施降低损失的关键,同时及时预测产量损失对政府职能部门也具有积极意义。针对冬小麦冻害群体严重度评估方法在经典统计反演模型存在估算效果不理想的情况下,以冬小麦为试验对象,首先对冬小麦冠层光谱反射率数据进行重采样平滑处理,再用主成分分析(PCA)技术对高光谱数据进行分析,进一步实现综合原始光谱主成分信息作为自变量参与冬小麦冻害严重度反演过程,最后采用决定系数R2、均方根误差RMSE、准确度Accuracy三种模型精度验证方法对模型进行评价。结果显示,基于主成分分析法建立冬小麦冻害严重度模型精度分别达0.697 5,0.184 2和0.697 5;同时对反演模型进行验证,其精度也分别达到0.630 9,0.350 3和1.339 6。因此,该方法能有效地对冬小麦冻害严重度进行快速、精确的反演。     

主成分分析排序和模糊线性判别分析的生菜近红外光谱分类

贮存时间是影响生菜品质的一项重要因素,传统的贮存时间鉴别方法主要依靠人工经验,但是这种方法的准确率和可信度并不高。研究的目标是建立一种基于模糊识别的模型进行生菜光谱分析以实现生菜贮存时间的鉴别,并与其他鉴别方法作比较。为此,在当地超市购买60份新鲜生菜样品,存放于冰箱中待用。首先,通过AntarisⅡ近红外光谱检测仪采集生菜样品的近红外光谱数据,每隔12小时检测一次,每个样本检测重复三次,并取三次平均值作为实验数据。其次,利用多元散射校正(MSC)减少近红外光谱中的冗余信息。为了进一步去除近红外光谱中的无用信息以及简化随后的数据分类过程,分别运用主成分分析(PCA)和排序主成分分析(PCA Sort)。其中,PCA Sort通过改进对主成分的排序方法能提高分类准确率,同时便于模糊线性鉴别分析(FLDA)进一步提取特征。PCA和PCA Sort的计算仅运用了前15个主成分(能充分反映光谱的主要信息)。最后,利用模糊线性鉴别分析算法(FLDA)和K近邻算法(KNN)进一步分类所得的低维数据。基于PCA和KNN算法的模型鉴别准确率达到43%,而基于PCA, FLDA和KNN算法的模型鉴别准确...     

花生种子品质的可见-近红外光谱分析

利用600～1 100 nm波段研究花生品种的可见-近红外反射光谱,对选取的三种具有代表性的花生种子进行实验。使用近红外光纤光谱仪采集光谱数据,对原始光谱进行小波分析以提取光谱特征,再用主成分分析方法进行聚类分析,最后把每一个样品的前4个主成分得分作为识别模型的输入,品种类别作为模型的输出,以马氏距离作为判别函数,建立了线性判别分析模型。对于每个品种的50个样品,随机挑选30个样本作为训练集,剩余的20个样本作为预测集。该识别模型对3个花生品种的平均正确识别率为95%。表明该方法能有效的识别花生种子,得到较好的分类效果,为花生种子品质的区分和鉴别提供了一种新方法。     

基于主成分分析和径向基网络的水稻胡麻斑病严重度估测

对植被病害严重度的精确预测是采取植保措施的关键,同时对减少农药使用量也具有积极意义。该研究首先对叶片光谱反射数据进行重采样和求一阶、二阶微分,再用主成分分析PCA技术对上述变换光谱进行分析,最后结合径向基函数神经网络RBFN对水稻胡麻叶斑病严重度进行预测。将全部的光谱数据和病害严重度分为两组,75％用于网络训练,25％用作网络性能测试。文中对预测结果准确性有重要影响的径向基函数扩展速率和不同的数据处理方法进行了讨论,研究发现,一阶微分光谱经PCA压缩后,获得主分量光谱,输入RBN,病害严重度的预测均方根误差仅有7.73％。表明：主成分分析和径向基函数神经网络（PCA-RBFN）相结合,可以对水稻胡麻斑病严重度进行快速、精确的估算。     

基于同色异谱黑理论的非线性复合模型光谱重建研究

同色异谱现象是光谱反射率重建与颜色再现中的一个重要问题。采用三基色CCD相机采集CIE标准光源D65下的颜色样品信号,建立非线性复合模型,使用主成分分析结合神经网络的方法(PCA-NET)改进基于同色异谱黑理论的R矩阵算法,对标准Munsell色卡光谱重建进行研究。在保证给定照明条件下的色度精度同时,对光谱重建的结果进行了实验评价和讨论。实验结果表明,在给定的照明条件下,PCA-NET算法能够准确的拟合相机输出信号与主成分系数之间的非线性关系, 将其代替线性算法应用于R矩阵算法中时,测试集的平均均方根值是未改进R矩阵算法的0.76,平均标准差是R矩阵算法的0.85,可有效提高光谱反射率的重建精度。改进后的R矩阵算法具有精度较高、操作简单易实现的特点, 可用于对重建色度精度及光谱精度均要求较高的领域。     

基于主成分分析和支持向量机的太赫兹光谱冰片鉴别

利用主成分分析方法结合支持向量机建立了太赫兹时域光谱冰片种类鉴别模型。冰片是一些常用中成药的重要成分,由于其来源多、真假易混淆,在制药和交易环节,迫切需要快速、简便、准确的检测、鉴别方法。太赫兹时域光谱技术是利用太赫兹脉冲表征物质性质的一种新兴光谱技术。实验使用透射式太赫兹时域光谱系统分别获得了艾片、合成冰片和梅片三种冰片在0.2～2 THz之间的吸收谱线。通过主成分分析,做出了第一、第二主成分二维得分图以及第一、二、三主成分三维得分图,两者对三种不同种类冰片都具有很好的聚类效果。用前十个主成分的得分值矩阵代替原光谱数据,通过对三种冰片的60组样本训练,对未知的60组样本鉴别,建立了四种不同核函数的支持向量机模型。对比结果表明,径向基核函数构建的支持向量机对三种冰片的分类鉴别准确率均为100%,由此我们确定选择具有径向基核函数的支持向量机建立冰片种类的鉴别模型。此外,在含噪情况下,四种核函数SVM获得的总分类准确率都在85%以上,说明支持向量机具有很强的泛化能力。主成分分析结合支持向量机方法对冰片太赫兹光谱具有很好的分类和鉴别效果,为冰片等中成药剂的种类鉴别提供了一种新思路。     

基于主成分分析的光谱重建训练样本选择方法研究

训练样本构成是影响光谱重建精度的一个重要因素,针对学习型光谱重建算法中训练样本选择问题,提出了一种基于主成分分析的训练样本选择方法。为了保证训练样本与重建样本的相似度,首先根据欧式距离最小原则从待选样本集中选择与重建样本相机响应值相似的样本,并去掉其中的重复样本;然后进行主成分分析;设定阈值筛选各主成分系数较大的样本作为训练样本,最后得到与主成分个数相同的训练样本子集。为验证该方法的有效性,通过在镜头前加载宽带滤色片搭建多通道图像获取系统采集多通道图像信息,将得到的各样本子集用作训练样本,利用伪逆法重建光谱信息,最后将重建的光谱精度与常用的训练样本及训练样本选择方法得到的重建光谱精度进行比较。实验结果表明：提出的方法显著提高了光谱重建的色度精度和光谱精度,优于常用的样本选择方法,能较大程度满足高精度颜色复制要求。     

基于主成分分析和人工神经网络的激光诱导击穿光谱塑料分类识别方法研究

研究了人工神经网络在激光诱导击穿光谱(LIBS)塑料分类识别方面的应用。选用七种常见的塑料作为实验样品,获得每种样品的170组LIBS光谱数据,利用主成分分析获得前五个主成分的得分矩阵。用每种塑料样品的130组光谱数据的主成分得分矩阵作为训练集,建立反向传播(BP)人工神经网络模型。将其余40组主成分得分作为测试数据输入训练好的模型进行分类识别,其识别准确度达到97.5%。实验结果表明,通过采用主成分分析与BP人工神经网络相结合的方法,可以很好地进行塑料激光诱导击穿光谱的分类识别,对塑料的回收利用有重要价值。     

基于主成分分析和神经网络的近红外光谱苹果品种鉴别方法研究

提出了一种用近红外光谱技术快速鉴别苹果品种的新方法,首先用主成分分析法对苹果品种进行聚类分析并获取苹果的近红外指纹图谱,再结合人工神经网络技术进行品种鉴别。主成分分析表明,主成分1和主成分2的累积可信度已达98％,以主成分1和2对所有建模样本的得分值做出的得分图,对不同种类苹果具有很好的聚类作用。利用主成分分析得到的载荷图可以得到对于苹果品种敏感的特征波段,用特征波段图谱作为神经网络的输入建立三层BP人工神经网络模型。每个品种各25个苹果共75个用来建立神经网络模型,余下的共15个用于预测。对未知的15个样本进行预测,品种识别准确率达到100%。说明文章提出的方法具有很好的分类和鉴别作用,为苹果的品种鉴别提供了一种新方法。