基于以太网机群的海量高光谱数据处理系统平台设计

在一些大型图像处理系统中,通过构建服务器机群网络,可实现多台服务器并行处理图像数据流。针对高光谱遥感数据及处理算法特点,设计了基于以太网的服务器机群海量高光谱数据处理系统平台,平台由7台服务器和1台千兆网交换机构组成,其中选择CPU核数不低于8核的4台HP刀片服务器作为并行处理服务器,在服务器机群软件设计中,通过任务分解、算法流水化处理及网络负载均衡等方法来实现并行处理。该系统已应用在某遥感数据处理系统中,多台服务器同时写入SAN盘阵,可实现6 000 Mbps的写入能力。     

基于中红外光谱技术鉴别转基因大豆的方法研究

转基因技术对于实现粮食增产,保护生物多样性,减少化学农药使用量等方面有着重大意义,但也可能存在一定的安全隐患。因此,转基因作物检测鉴别技术的研究愈发受到重视。本文采用中红外光谱分析技术,研究对不同品种的转基因大豆及其亲本进行鉴别的可行性。实验采集了三种不同的非转基因大豆亲本(HC6, JACK和W82)及其转基因大豆品种在3 818～734 cm-1范围内的光谱信息。采用偏最小二乘-判别分析(partial least squares-discriminant analysis, PLS-DA)进行判别分析,三种大豆的建模集的判别正确率分别为96.67%, 96.67%和83.33%,预测集的判别正确率分别为83.33%, 85%和85%。研究中采用X-loading weights、变量投影重要性(variable importance in the projection,VIP)和二阶导数(second derivative,2-Der)三种特征波数选择方法对光谱数据进行处理,并根据得到的特征波数分别建立PLS-DA模型进行判别分析,三种大豆的建模集和预测集的判别正确率均超过76.67%和75%。采用主成分分析(principal component analysis,PCA)和独立组分分析(independent component analysis,ICA)两种特征信息提取方法对光谱数据进行处理,分别建立PCA-PLS-DA和ICA-PLS-DA模型进行判别分析,三种大豆的建模集和预测集的判别正确率均超过80%和75%。研究表明中红外光谱分析技术可以较为准确地鉴别非转基因亲本与转基因品种,为转基因大豆的无损鉴别提供新的思路。同时结合特征波数选择方法与特征信息提取方法可以有效地降低模型复杂度,减少程序运算量。     

基于高光谱技术的厌氧发酵液固形物含量检测的研究

实时监测发酵液中固形物含量的变化,对控制厌氧发酵过程的稳定性具有重要作用。研究中采用近红外高光谱技术结合化学计量学方法,对水葫芦和稻草秸秆混合厌氧发酵过程中的固形物含量进行定量检测研究。与传统2540G(APHA,1990)标准方法相比,近红外高光谱技术具有无损、快速的优点。实验过程中,首先获取发酵液样本的高光谱信息,应用移动平均平滑法(MAS)进行光谱预处理,并采用竞争自适应重加权采样算法(CARS)、连续投影算法(SPA)和Random frog算法提取光谱特征信息,然后基于全谱和所选特征波长下的光谱信息分别建立总固形物含量(TS)和挥发性固形物含量(VS)的校正模型,建模方法包括偏最小二乘回归(PLSR)和最小二乘-支持向量机(LS-SVM)。研究表明,SPA-LS-SVM模型的预测结果最好,其中TS的预测均方根误差(RMSEP)及相关系数(R_p)分别为0.005 8和0.841;而VS的RMSEP和R_p分别为0.004 1和0.874。结果表明,利用近红外高光谱结合化学计量学方法可以实现厌氧发酵液中的固形物含量的检测,为布置光谱传感器以便定量检测厌氧发酵过程中的固形物含量奠定了理论依据。     

一种基于室温工作的量子点光电探测器的微光读出和应用研究

针对量子点光电探测器线列进行微光检测研究,量子点探测器采用AlAs/GaAs/AlAs双势垒结构,GaAs宽阱中分别有一个InAs量子点(QDs)和In_0.15Ga_0.85As量子阱(QW),建立一个简单的器件模型进行分析。常温下,在632.8 nm He-Ne激光照射下,当光功率为 0.01 pW时,器件偏压-0.5 V,积分时间80.2 μs,电压响应率达到7.0×1011 V·W-1,具有非常高的灵敏度,这种光电探测器在300 K温度下可以探测光功率小于10-14 W极弱光。以这种量子点光电探测器为核心研制的高灵敏度光谱仪和分子超光谱系统结合对生物组织样本进行检测,研制了一种图谱相互验证,互为校正的生物组织光谱测量系统。     

Monitoring insect pest infestation via different spectroscopic techniques

Nowadays, monitoring and observing insect pest populations is a major and crucial issue in agriculture, especially for crop protection. Spectroscopic techniques are well recognized for detecting and monitoring insect pests in the field and also the internal quality of fruit. There are several spectroscopic techniques with specific characteristic features, including mass spectrometry, ultraviolet–visible spectroscopy, infrared spectroscopy, and nuclear resonance spectroscopy. Nevertheless, limitations and complexity are the constraints of these technologies. In this paper, the spectroscopic and imaging spectroscopic techniques are discussed, compared, and investigated, namely fluorescence light detection and ranging (LIDAR) to study the fluorescence of diverse types of planthopper (Hemiptera) and moth (Lepidoptera), visible and near-infrared (Vis/NIR) spectroscopy to detect internal insect-infested jujubes, NIR spectroscopy to determine spectral properties of oil palm bagworms, hyperspectral transmittance image for detecting insect-damaged vegetable soybeans, and remote sensing measurement to detect bagworm infestation in oil palm plantations. These techniques are found to be reliable methods for better monitoring of insect pest movement in the harvested plant and in the ground, for the detection of insect-damaged vegetable soybeans and internal insect infestation in jujubes, and for the determination of oil palm bagworm spectral properties.     

高光谱成像技术鉴别菠菜叶片农药残留种类

利用高光谱成像技术无损鉴别菠菜叶片农药残留种类。采用高光谱成像仪采集900~1 700 nm波段内的光谱数据,采用多元散射校正对光谱数据进行预处理。利用主成分分析对不同种类菠菜样品的光谱数据进行分析,结果表明主成分分析能在可视化层面对不同种类的农药残留菠菜样品进行有效判别。另外,将卡方检验特征选择算法分别与支持向量机、朴素贝叶斯、决策树和线性判别分析算法结合,并采用10-fold交叉验证评价方法,筛选出最佳波段和最优判别模型（线性判别模型）。筛选出的8个特征波长为1 439.3,1 442.5,1 445.8,1 449,1 452.3,1 455.5,1 458.7,1 462 nm,模型的预测准确率达到0.993且10次交叉验证的标准差为0.009。结果表明,基于高光谱成像技术能准确地识别菠菜叶片上的农药残留种类。     

基于空间可分辨光谱的番茄成熟度判别方法研究

对基于空间可分辨光谱的番茄成熟度分类判别方法进行了试验研究。首先根据番茄的内部颜色,将600个番茄分为6个不同成熟度 (green, breaker, turning, pink, light red and red) ,然后用自行开发的多通道高光谱成像探头采集番茄的空间可分辨(SR)光谱,建立基于空间可分辨光谱的番茄成熟度偏最小二乘判别(PLSDA) 模型和支持向量机判别(SVMDA)模型。结果显示,对于PLSDA模型,SR光谱15为最佳分类光谱,分类正确率达到81.3%;对于SVMDA模型,SR光谱10为最佳预测分类光谱,分类正确率为86.3%。对六个成熟度等级番茄的判别分类,SVMDA模型要明显优于PLSDA模型。此外,相对于较小的光源-检测器距离SR光谱,较大的光源-检测器距离SR光谱可以获得更好的判别效果,显示出空间可分辨光谱在果蔬品质检测方面的应用潜力。     

近红外高光谱成像技术用于转基因大豆快速无损鉴别研究

以近红外高光谱成像技术,结合化学计量学方法,研究了转基因大豆的快速、无损检测方法。实验以3种不同非转基因亲本(HC6, JACK, TL1)及其转基因大豆作为研究对象。采用高光谱成像系统采集874~1 734 nm波长范围的256个波段范围的高光谱图像,提取大豆的光谱信息,剔除明显噪声部分后,采用Moving Average(MA)平滑预处理的941~1 646 nm范围光谱数据进行分析。采用偏最小二乘判别分析算法(partial least squares-discriminant analysis, PLS-DA),对3种非转基因亲本大豆建立模型进行判别分析,其相应的建模集和预测集的判别正确率分别为97.50%和100%,100%和100%,96.25%和92.50%,结果表明,高光谱成像技术可用于非转基因大豆的识别。对非转基因亲本及其转基因大豆进行判别分析,基于全谱,3种的建模集和预测集的判别正确率分别为99.17%和99.17%,87.19%和81.25%,99.17%和98.33%;以x-loading weights提取非转基因亲本及其转基因大豆判别分析的特征波长并建立PLS-DA模型,3种的建模集和预测集的判别正确率分别为72.50%和80%,80.63%和79.38%,85%和85%,该结果表明非转基因亲本与转基因品种的判别分析是可行的,特征波长的选择也可用于非转基因亲本与转基因品种的判别分析。研究表明采用近红外高光谱成像技术对非转基因大豆、非转基因亲本及其转基因大豆进行鉴别是可行的,为转基因大豆的快速无损准确鉴别提供了一种新方法。     

基于光谱知识库的TM影像冬小麦条锈病监测研究

基于高光谱信息的冬小麦条锈病严重度反演模型通常不能直接应用在宽波段卫星影像上,而拥有高光谱波段信息的航空遥感影像又因数据尺度小、成本高难以应用于大规模监测。文章提出一种通过构建冬小麦条锈病光谱知识库,利用TM影像实现病情识别和监测的方法。该方法以包含各种不同病情严重度的试验田的三幅小麦关键生育期PHI航空遥感影像为媒介,利用病情指数DI的经验反演模型和基于波谱响应函数的TM波段模拟,建立DI和TM波段模拟反射率间的光谱知识库。在此基础上,通过马氏距离法和光谱角度填图(SAM)法将待检象元的光谱信息与光谱知识库进行匹配分析从而实现对病情识别和监测。监测的精度利用模拟TM象元进行评价,识别的效果利用TM影像象元进行检验。结果表明,该方法在一定生育期范围内具有较佳的监测精度和识别效果。其中,使用模拟TM象元在小麦灌浆期精度最佳,评价的R2达到0.93,乳熟期次之,拔节期最差,基本不能用于监测。使用TM影像象元在灌浆期和乳熟期可较好地识别染病象元,在拔节期无法有效识别染病象元。匹配方法马氏距离法略优于光谱角度匹配法。     

基于高光谱特征的迷彩伪装评价

伪装效果分析是伪装设计和识别的重要环节,为了对高光谱探测下的目标伪装效果进行有效评价,结合高光谱图像光谱分辨率较高的特点,提出了一种基于高光谱特征的迷彩伪装评价方法。在光谱维,分析并提取伪装目标的光谱特征。在空间维,对图像第一主成分进行多层小波分解,提取高频分量和低频分量的比值、水平分量和垂直分量的比值以及低频图像的对比度、相关性、能量、同质性等6个特征作为纹理特征。利用欧氏距离分别计算光谱特征距离与纹理特征距离,最后将二者进行综合,距离越小说明伪装效果越好。实验数据表明:本文的方法可以量化高光谱成像下的迷彩伪装效果,评价客观。得到迷彩雨衣与草坪背景之间的综合距离为1.3225,两者融合效果最好。