基于近红外光谱的粳稻种子快速鉴别方法研究

黑龙江省是我国最大的粳稻产区和商品粮生产基地。水稻种植过程中,选择合适的水稻品种是实现高产的关键环节。在农业生产中,水稻品种的选择受多方面因素影响,一般说来,同一积温带所种植的不同水稻品种在外观上差别不大,甚至没有差别,很难通过肉眼观察进行准确区分。为了快速鉴别肉眼不便区分的不同类别粳稻种子,提出了一种基于近红外光谱技术的粳稻品种快速无损鉴别方法。以黑龙江垦区大量种植的3种不同品种的粳稻种子（垦粳5号、垦粳6号和绥粳4号）作为研究对象,每个品种选取40个样本,其中30个样本做为建模集,10个样本作为预测集,扫描获取全部120个样本的近红外光谱数据。对原始光谱数据（11 520～4 000 cm-1）两端进行裁剪,选取吸光度较强的8 250～5 779cm-1范围内的光谱数据进行研究。首先建立参照模型,即直接对光谱数据建立BP模型1, 同时光谱数据经过一阶导数和Savitzky-Golay平滑预处理后建立BP模型2。模型1的分类正确率为93.3%,预测集均方根误差RMSEP=0.232 8,迭代时间t=3 882.9 s。模型2的分类正确率为100%,RMSEP=0.070 6,迭代时间t=954.5 s。比较两种模型的评价参数RMSEP发现FD+SG预处理可以提高模型的预测能力,但是由于两种模型未进行降维处理,数据量过大,模型的输入节点过多,迭代时间太长,不利于实际应用。因此利用小波变换多分辨率的特点对数据进行降维处理,采用预测集残差平方和Press值作为评价指标,在多个小波类别和参数中选取分解尺度为5的sym2（symlet2）小波对光谱数据进行压缩和降维处理,将光谱数据由601维降到21维。以小波变换结果作为神经网络输入,建立模型3,并与模型1比较,模型3的分类正确率为93.3%, RMSEP=0.225 0, 迭代时间t缩短至198.9 s,比较结果显示小波降维可以减少神经网络的输入,简化神经网络的结构,从而提高迭代速度,但对提高模型的预测能力效果不明显。上述三种模型比较结果表明,FD+SG预处理可以提高模型的预测能力,小波降维可以提高模型的迭代速度,综合上述三种模型的比较结果分析,最终建立“FD+SG+小波降维”的21输入、15个隐层、3个输出的神经网络鉴别模型4,其分类正确率达100%,RMSEP=0.029 3, 迭代时间为98.8 s,表明模型4能够完全实现对三种不同水稻品种的快速、准确、无损鉴别。因此,所提出的基于近红外光谱的小波降维和反向传播人工神经网络鉴别模型的方法完全可以用于粳稻种子的快速无损鉴别,同时也为其他农作物种子的快速鉴别提供了参考。     

高光谱小波能量特征估测土壤有机质含量

土壤高光谱在采集过程中难以避免噪声干扰,造成高光谱数据信噪比较低,影响土壤有机质含量估测精度。尝试探究小波能量特征方法,降低高光谱噪声,提升土壤有机质含量高光谱估测模型性能。选取湖北省潜江市运粮湖管理区为试验区,于2016年9月采集80份深度为0~20 cm的水稻土样本;土壤样本经风干、碾磨、过筛等一系列处理后,在实验室内采集样本光谱,并通过重铬酸钾-外加热法测定土壤有机质含量;利用浓度梯度法,将总体样本集（80个样本）划分为建模集（54个样本）和验证集（26个样本）;以mexh为小波基函数进行连续小波变换（continuous wavelet transformation）,将土壤高光谱转换为10个分解尺度的小波系数（wavelet coefficients）;逐尺度计算小波系数的均方根作为小波能量特征（energy features）,将10个尺度的小波能量特征组成小波能量特征向量（energy features vector）;逐尺度逐波长计算小波系数与有机质含量的相关系数,将达到极显著水平（p<0.01）的小波系数作为敏感小波系数（sensitive wavelet coefficients）;利用主成分分析法（principal component analysis）分别计算土壤高光谱和小波能量特征向量的各主成分载荷,通过比较两者第一主成分贡献率的高低和两者前三个主成分得分的空间离散程度,判断小波能量特征转换前后建模自变量的主成分信息变化趋势;基于小波能量特征向量和敏感小波系数分别建立多元线性回归和偏最小二乘回归土壤有机质含量估测模型。结果表明,土壤有机质含量越高,全波段反射率越低,但不同土样的光谱反射率曲线特征相似,近红外部分的反射率（780~2 400 nm）高于可见光部分（400~780 nm）;敏感小波系数对应的波长为494,508,672,752,1 838和2 302 nm;土壤高光谱与小波能量特征向量的第一主成分贡献率分别为96.28%和99.13%,小波能量特征向量的前三个主成分散点较土壤高光谱的主成分散点在空间上更为聚集,表明小波能量特征方法有效减少了噪声影响;比较全部土壤有机质含量估测模型,以小波能量特征向量为自变量的多元线性回归模型具有最佳估测精度,其验证集决定系数（R2）、相对估测误差（RPD）和均方根误差（RMSE）分别为0.77,1.82和0.82。因此,小波能量特征方法既能够提高数据的信噪比,提升土壤有机质含量的估测精度,又实现了土壤高光谱数据降维,降低了模型复杂度,可用于土壤有机质含量快速测定和土壤肥力动态监测等研究。     

提升小波变换与中值滤波结合的红外光谱消噪

在光谱数据的定量分析中,噪声的存在常常会影响结果的准确性。为提高红外光谱分析精度,需要对光谱数据进行去噪处理。将一种光滑阈值函数和一种分层阈值选取方法应用到提升小波域光谱信号的去噪处理中,并对提升小波重构信号进行中值滤波。对某小麦品种的实测光谱信号,添加信噪比为21.17 dB的噪声后采用该方法进行去噪处理,并利用信噪比(SNR)、均方根误差(RMSE)、峰值平均相对误差(AREPV)以及峰位平均误差(AEPP)四项指标对去噪效果进行评价。结果表明,与软阈值法与硬阈值法相比,该方法能更有效地去除光谱信号中的噪声,保留光谱中的有用信息,提高光谱信噪比,降低均方根误差、峰值平均相对误差以及峰位平均误差,提高光谱的分析能力。     

氧气顶炉口火焰温度多光谱分析

采用多波长分析方法测量氧气顶回转炉口火焰温度的研究。在该方法中,采用USB4000型光纤光谱仪测量火焰在可见光波长范围内的火焰辐射光谱,结合Levenberg-Marquardt最优化算法,得到火焰温度和单色辐射率变化规律。本文还提出了采用小波神经网络处理多光谱测温数据,该方法可以取消发射率与波长之间的假设模型,是一种获得目标真温及发射率行之有效的方法。网络中隐含层的神经元是由S函数和Morlet小波函数的乘积组合构成,在逼近火焰温度中具有良好的表现。     

Optimal reorientation of underactuated spacecraft using genetic algorithm with wavelet approximation

The optimal attitude control of an underactuated spacecraft is investigated in this paper. The flywheels of the spacecraft can somehow only provide control inputs in two independent directions. The dynamic equations are formulated for the spacecraft under a nonholonomic constraint resulting from the constant time-rate of the total angular momentum of the system. The reorientation of such underactuated spacecraft is transformed into an optimal control problem. A genetic algorithm is proposed to derive the control laws of the two flywheels angle velocity inputs. The control laws are approximated by the discrete orthogonal wavelets. The numerical simulations indicate that the genetic algorithm with the wavelet approximation is an effective approach to deal with the optimal reorientation of underactuated spacecraft.     

An application of the wavelet analysis technique for the objective discrimination of two-phase flow patterns

This paper presents an application of the wavelet analysis technique for two-phase flow pattern identification by using the void fraction signals obtained from a multi-channel Impedance Void Meter (IVM) in a vertical-upward air–water flow. A new method for the objective discrimination of the two-phase flow pattern has been developed to provide information regarding the local energy of void fraction signals at a given scale on the joint time–frequency diagram. The void signals are processed with Continuous Wavelet Transform (CWT) to get the local wavelet energy coefficients map on the time–frequency diagram. The effective local wavelet energy and the effective scale are then calculated. Then the criteria for flow pattern identification are, finally, obtained. A series of void fraction measurements were conducted over a wide range of air–water vertical-upward flow condition to provide an extensive database to cover several types of flow patterns. The results show that the proposed method has a high precision for characterizing different flow regimes in two-phase flow, and is considerably more promising for the online recognition of two-phase flow patterns due to the short time of data processing.     

基于谱线特征匹配的恒星光谱自动识别方法

我国正在实施的大型巡天项目(LAMOST项目),急需恒星光谱的自动识别系统。文章给出了一种基于谱线特征匹配的恒星光谱自动识别方法。该方法由以下主要步骤组成：(1) 利用小波变换的方法对观测光谱进行谱线特征提取;(2) 将提取出的特征和恒星谱线的特征模板进行相关匹配;(3) 根据相关匹配结果进行恒星光谱识别。通过对Sloan Digital Sky Survey (SDSS),Data Release Four (DR4)中的大量真实光谱数据实验表明,该方法具有对噪声鲁棒等特点,正确识别率高达96.7%。该方法可对相对定标的巡天光谱进行自动识别,符合LAMOST数据的要求,可为天文学家进行恒星和银河系的结构等研究提供帮助。     

DNA测序信号去噪分析的一种新方法

在DNA荧光测序中,噪声会影响分析的准确度和检出限。相比其他滤波方法,小波分析具有良好的时频域分辨特性。在小波去噪处理中,正确选择合适的小波基函数、去噪阈值和分解层数直接关系到信号去噪处理的质量。为了真实构建噪声模型并准确评价去噪算法的有效性,实验中通过实际系统中采集到的噪声信号叠加理想荧光信号构建DNA测序仿真信号,去噪分析的结果表明：选择sym7小波基函数、分解层数(lev＝5)与使用固定格式软阈值,有效去除了DNA测序信号的噪声;处理后,信号的信噪比提高了5倍以上。将其用于处理实际的DNA电泳荧光信号,相比基于随机噪声模型的算法,去噪后的信号更加真实可靠。     

微流控电泳芯片中化学发光信号的分段门限小波降噪

采用分段门限小波降噪(STWD)方法对化学信号中的异方差噪声进行降噪处理.用STWD法和统一门限小波降噪法同时处理两种模拟信号(其中之一包含异方差噪声).结果显示,优化参数的STWD法能够更有效地提高降噪效果.采用STWD法对微流控芯片化学发光检测信号中的异方差噪声进行处理,取得了满意的降噪效果.     

多尺度边缘检测方法提取近红外光谱信息特征的研究

利用小波变换中的多尺度边缘检测方法对甲硝唑药片近红外光谱进行了信息特征的提取。通过偏最小二乘法建立所提取的特征与甲硝唑浓度之间的数学模型,并进行精度分析。结果表明,小波变换多尺度边缘检测能够有效分离并提取光谱信息特征,降低噪声,为一种有效的光谱信息特征提取方法,为解决近红外光谱中光谱叠加严重和信息率低等难题提供了一种思路。