柿子可溶性固形物含量的可见-近红外光谱检测

为了实现柿子（Diospyros kaki thunb）可溶性固形物含量的快速无损检测,提出了一种采用可见-近红外光谱分析技术无损检测柿子可溶性固形物含量的方法。采用Field Spec 3光谱仪对3种不同品种的柿子进行光谱分析,共获取66个样本数据。利用平均平滑法对样本数据进行预处理,再采用主成分分析法,依据可信度获取光谱的6个主成分数据。将样本随机分成51个建模样本（每种各17个）和15个验证样本（每种各5个）,把6个主成分数据作为BP神经网络的输入变量,柿子的可溶性固形物含量作为输出变量,隐含层的节点数为11,建立3层BP神经网络检测模型,并用该模型对15个验证样本进行预测。结果表明,所建校正模型的校正标准差（SEC）为0.232,对预测集样本可溶性固形物含量的预测相对误差在3%以下,预测值和实测值的决定系数（R2）为0.99,预测标准差（SEP）为0.257。结果表明应用近红外光谱技术结合主成分分析和神经网络算法检测柿子的可溶性固形物含量是可行的。     

农产品产地加工与储藏工程技术分类

生鲜牛肉的含水率对其牛肉的加工、储藏、贸易与食用质量有重要影响,为了提高牛肉的经济价值和食用品质,需要研究牛肉含水率的无损检测技术。以取自不同超市的内蒙小黄牛和鲁西黄牛背最长肌为研究对象,有效样本86个,其中,75%的样本作为校正集,25%的样本作为验证集。采集牛肉新鲜切口处400～1170 nm波长范围内的漫反射光谱,用国标方法测定牛肉含水率。经过多元散射校正（multiplicative scatter correction, MSC）、变量标准化（standard normalized variate, SNV）和直接正交信号校正（direct orthogonal signal correction, DOSC）等方法预处理,在400～1170 nm范围内分别建立多元线性回归（multiple linear regression, MLR）模型、主成分回归（principal component Regression, PCR）模型和偏最小二乘回归（partial least squares regression, PLSR）模型。结果表明使用MSC预处理方法建立的模型预测效果最佳,其中用PLSR建模结果最好,校正集的相关系数和校正标准差分别是0.92和0.0069,验证集的相关系数和验证标准差分别是0.92和0.0047,外部验证的相关系数和验证标准差分别是0.85和0.0054。结果表明,可见/近红外光谱结合MSC预处理方法建立的PLSR模型,可以对牛肉含水率进行准确的快速无损评价,为生鲜牛肉含水率快速无损检测技术的应用提供理论参考。     

基于极限学习机利用可见-近红外光谱数据判别土壤类型的方法研究

为了实现土壤类型的快速无损识别,提出了一种利用可见-近红外光谱、基于极限学习机的土壤类型鉴别方法。首先,获取4种不同类型土壤的320个样本波长在325～1075 nm范围内的可见-近红外光谱数据;其次,用主成分分析的数学方法对数据进行降维处理,最终提取了三个主成分来代表原光谱数据;再次,将320个样本的数据随机分为测试集和预测集两个部分,建立极限学习机模型,利用该模型对土壤类型进行识别。实验结果表明,将极限学习机应用于土壤类型的识别精度可达100%,其训练速度和泛化性优于BP神经网络和支持向量机,能够快速、准确、无损鉴别土壤类型,使用方便,具有推广价值。     

霉变稻谷脂肪酸含量的光谱检测模型构建与优化分析

为了实现霉变稻谷脂肪酸含量无损、快速检测,该文研究应用可见/近红外光谱技术检测霉变稻谷的脂肪酸含量。考虑到直接选用霉变稻谷可见/近红外光谱数据构建脂肪酸含量预测模型存在建模费时、预测失准等问题,研究提出了霉变稻谷脂肪酸含量的可见/近红外优化校正模型。研究中通过光谱-理化值共生距离(sample set partitioning based on joint xy distance,SPXY)算法结合偏最小二乘法初步分析了不同校正集样本预测霉变稻谷脂肪酸含量的差异;利用连续投影算法(SPA)提取了反映霉变稻谷脂肪酸含量变化的特征波段;采用偏最小二乘法(partial least square,PLS)和多元线性回归法(multivariable linear regression,MLR)分别建立了基于特征波段光谱反射值的霉变稻谷脂肪酸含量预测模型,并对比分析了采用SPXY样本集划分的模型预测效果。结果表明:采用SPXY法筛选出的65个校正集样本分布与初始校正集相近,脂肪酸含量变化范围为18.55~127.26 mg,其标准差为32.39;SPA算法最终从256个全光谱波段中优选出9个特征波段,实现了光谱数据的压缩;分别建立的SPXY-SPA-PLSR模型和SPXY-SPA-MLR模型预测霉变稻谷脂肪酸含量相关系数RP为0.922 1和0.915 9,预测均方根误差RMSEP为13.889 3和14.261 0;SPXY筛选校正集所构建模型预测精度与初始校正集所建模型相当,但校正集样本数量减少为初始校正集的41%,运算时长缩短为初始样本集的32%,提高了模型的校正速度。     

土壤有机质含量可见-近红外光谱反演模型校正集优选方法

土壤有机质含量可见-近红外光谱反演过程中校正集的构建策略对模型的预测精度有重要影响。以江汉平原洪湖地区水稻土为研究对象,采用Kennard-Stone(KS)法,Rank-KS(RKS)和Sample set Partitioning based on joint X-Y distance(SPXY)法,构建样本数占总校正集不同比例的子校正集,通过偏最小二乘回归,建立土壤有机质含量的可见—近红外光谱反演模型。结果表明:KS法无法提高模型预测精度,但可以在保证标准差与预测均方根误差比(ratio of performance to standard deviation,RPD)2.0的前提下减少30%的校正样本;基于SPXY法的模型,当子校正集样本比例为总校正集的50%时达到最佳的模型预测精度,RPD为2.557;RKS法能够在保证预测精度的情况下(RPD2.0),最多减少总校正集70%的样本,对应模型RPD为2.212。当校正集与验证集的有机质含量分布相近时,能够以较少的建模样本达到与总校正集相近甚至更高的模型预测精度,提升土壤有机质光谱反演模型的实用性。     

基于近红外光谱技术的茶油原产地快速鉴别

为研究茶油原产地溯源问题,维护其市场秩序,促进公平竞争。该文利用近红外光谱技术采集湖南、江西、安徽和浙江4个不同产地茶油的光谱数据,并运用 Savitzky-Golay 平滑（savitzky-golay, SG）、多元散射校正（multiplicative scatter correction, MSC）、一阶导数（first derivation, FD）和矢量归一化（vector normalization, VN）等4种方法对其进行预处理。采用偏最小二乘法（partial least squares, PLS）提取最佳主成分,构建 PLS 回归模型;同时,采用主成分分析（principal component analysis, PCA）和 PLS 算法提取最佳主成分,作为 BP 人工神经网络（BP artificial neural network, BPANN）输入变量,构建 PCA-BPANN 和 PLS-BPANN 模型。以验证集相关系数 RP 和验证集均方根误差 RMSEP 为模型的评价指标,分别优选最佳 PLS 和 BPANN 模型。试验结果表明,SG-PLS-DA 和 SG-PLS-BPANN-DA 模型对未知样本的整体分类准确率均大于90%。其中,SG-PLS-BPANN-DA 的鉴别效果优于前者,其建模集相关系数 RC、均方根误差 RMSEC 分别为0.974、0.170,验证集相关系数 RP、均方根误差 RMSEP 分别为0.972、0.172,对上述两类样本集的总体分类准确率分别为98.15%、95.83%,该模型能较准确鉴别茶油原产地。研究结果可为快速辨别茶油原产地提供参考。     

漫反射和透射光谱检测马铃薯黑心病的比较

针对马铃薯黑心病不易检测,提出马铃薯黑心病的光学无损检测方法,并比较了马铃薯黑心病的漫反射光谱和透射光谱检测方法。通过高光谱图像采集系统、透射光谱采集系统和傅里叶变换近红外光谱仪获取合格马铃薯与黑心病马铃薯的可见/近红外漫反射光谱、可见/近红外透射光谱以及近红外漫反射光谱,并采用偏最小二乘-线性判别分析方法建立马铃薯黑心病的识别模型。透射光谱采集系统采集的可见/近红外透射光谱所建模型的判别正确率最高,对测试集样本的识别正确率为98.46%;高光谱图像采集系统获取的可见/近红外漫反射光谱经二阶导与标准化组合预处理后所建模型对测试集样本的识别正确率为92.31%;傅里叶变换近红外光谱仪获取的漫反射光谱经标准正态变量变换与标准化组合预处理后所建模型对测试集样本的识别正确率90.77%。试验结果表明:采用光谱检测马铃薯黑心病,透射光谱系统优于高光谱成像系统,高光谱成像系统优于傅里叶近红外光谱仪。研究结果为马铃薯内部缺陷的光谱定性判别及便携式仪器的研制提供了参考。     

特征波长筛选在近红外光谱测定梨硬度中的应用

为了提高应用近红外光谱分析技术快速测定梨硬度的精度和稳定性,该研究采用联合区间偏最小二乘和遗传算法（siPLS-GA）在校正模型中用来筛选特征光谱区域和波长,通过交互验证法确定模型的主成分因子数和筛选的波长,并以预测均方根误差（RMSEP）和相关系数（Rp）作为模型的评价标准。基于siPLS-GA的最优模型包含4个光谱区、96个变量和10个主成分因子。该模型结果显示：最佳预测模型相关系数（Rp）和RMSEP分别为0.9083和0.5573。研究结果表明,近红外光谱技术结合siPLS-GA建模用于无损、快速测定梨的硬度是可行的。     

基于可见/近红外反射光谱的梨树叶片钾含量的快速测定研究

利用可见/近红外反射光谱定量分析技术对梨树鲜叶钾素含量进行快速测定研究。对150个梨树叶片样本进行光谱扫描,其中120个做建模集,30个做验证集。通过对样品的可见/近红外光谱进行多种预处理,并建立钾素预测模型,探讨了可见/近红外光谱数据预处理对预测精度的影响。结果表明,通过原始光谱与S-G(3)平滑相结合的预处理方法,用17个主成分建立的偏最小二乘法模型最好,其交叉验证集和预测集模型的决定系数(R2)分别为0.722 7和0.679 1,交叉验证均方根误差(RMSECV)为1.171,预测的平均相对误差为6.81%,能高效、快速地预测梨树叶片钾素含量,为梨树钾素快速测定提供了新的手段。     

土壤硝态氮含量原位检测系统设计

针对现阶段土壤硝态氮测量成本较高、无法长期原位测量等问题,该研究提出了一种使用钛烧结滤芯收集土壤溶液,通过近红外光谱法检测土壤溶液中的硝酸根浓度进而得到土壤中硝态氮含量的方法,并设计了相应的检测装置。通过试验对比陶土头与钛烧结滤芯在不同土壤条件下的土壤溶液收集效果,选用钛烧结滤芯作为土壤溶液采集器收集土壤溶液,以近红外LED作为测量光源,采集人工配置土壤溶液的光谱数据,利用BP神经网络进行预训练建立硝态氮含量预测模型。建立的硝态氮含量预测模型其训练集皮尔逊相关系数、测试集皮尔逊相关系数、预测均方根误差分别达到0.997、0.995、3.43。实地测量土壤溶液并与硝酸根离子电极以及土壤养分速测仪进行对比,最大相对偏差为5.9%,可满足实际测量准确性要求。该套检测设备在深度为10～40 cm、含水率为15%以上的土壤中有较好的土壤溶液采集效果;检测装置的长期测量标准差为0.006,动态响应时间为1.4 s,具有良好的特性。试验结果表明,使用溶液吸光度数据建立的硝态氮预测模型具有较好的预测效果,可以应用于土壤溶液硝态氮原位监测,为长期自动测量土壤硝态氮及水肥一体化系统的搭建提供了一种可行的方案。     

黑土养分含量的航空高光谱遥感预测

为监测黑龙江省黑土典型区土壤的养分元素含量,综合利用统计理论与光谱分析方法,研究建三江农场黑土土壤的3类养分含量与土壤光谱之间的关系,建立土壤全氮、有效磷、速效钾含量高光谱反演模型,实现土壤养分元素含量定量预测。对黑土土壤航空高光谱数据进行处理,应用偏最小二乘回归（PLSR）和BP神经网络方法分别建立土壤养分元素含量的高光谱定量反演模型,结果表明：全氮PLSR和BP神经网络预测模型的RPIQ值（样本观测值第三和第一四分位数之差与均方根误差的比值）分别为2.42和2.80;有效磷PLSR和BP神经网络模预测型的RPIQ值分别为0.83和1.67;速效钾PLSR和BP神经网络模型的RPIQ值分别为2.00和2.33。试验证明土壤全氮和速效钾的光谱定量预测模型具备较好的精度和预测能力。但有效磷的预测效果不是特别理想,仅可达到近似定量预测的要求;全氮、有效磷和速效钾的预测精度,BP神经网络建模相比偏最小二乘建模有更好的精度和预测能力,预测精度分别提高6.5%、10.1%和6.6%。     

灌溉水中悬浮固体对土壤水分入渗性能的影响

为监测黑龙江省黑土典型区土壤的养分元素含量,综合利用统计理论与光谱分析方法,研究建三江农场黑土土壤的3类养分含量与土壤光谱之间的关系,建立土壤全氮、有效磷、速效钾含量高光谱反演模型,实现土壤养分元素含量定量预测。对黑土土壤航空高光谱数据进行处理,应用偏最小二乘回归（PLSR）和BP神经网络方法分别建立土壤养分元素含量的高光谱定量反演模型,结果表明：全氮PLSR和BP神经网络预测模型的RPIQ值（样本观测值第三和第一四分位数之差与均方根误差的比值）分别为2.42和2.80;有效磷PLSR和BP神经网络模预测型的RPIQ值分别为0.83和1.67;速效钾PLSR和BP神经网络模型的RPIQ值分别为2.00和2.33。试验证明土壤全氮和速效钾的光谱定量预测模型具备较好的精度和预测能力。但有效磷的预测效果不是特别理想,仅可达到近似定量预测的要求;BP神经网络建模相比偏最小二乘建模有更好的精度和预测能力,预测精度分别提高6.5%、10.1%和6.6%。     

苹果糖分含量的近红外漫反射检测研究

应用近红外漫反射技术探讨水果糖分含量检测方法并建立其光谱漫反射测量系统,重点对0,2,4 mm和6 mm 4种不同测量距离对苹果糖分含量无损检测的影响分析.试验结果为:当光纤贴紧苹果表面(0 mm测量距离)时建立的校正方程对未知样品的预测效果最好.利用主成分回归多元校正技术,建立在0 mm时红富士苹果样品糖分含量的预测数学模型,其样品预测值和实测值之间的相关系数为0.844,标准校正误差(SEC)为0.729,标准预测误差(SEP)为0.864,偏差(Bias)为0.318.通过本次试验研究表明,应用近红外光谱漫反射技术进行苹果糖分含量无损检测具有可行性,并得到了较为满意的预测效果.     

基于EPO算法去除水分影响的土壤有机质高光谱估算

野外进行土壤有机质的光谱快速预测时需考虑土壤含水量的影响。在室内设计人工加湿实验分别获取9个土壤含水量梯度(0~32%,间隔4%)的土壤光谱数据,分析土壤含水量变化对光谱的影响,再利用外部参数正交化法(external parameter orthogonalization,EPO)进行湿土光谱校正,并结合偏最小二乘回归和支持向量机回归分别建立土壤有机质预测模型。结果表明,土壤光谱反射率随着土壤含水量的增加呈非线性降低趋势,偏最小二乘回归模型的预测偏差比为1.16,模型不可用;经EPO算法校正后,各土壤含水量梯度之间的光谱差异性降低,能实现土壤有机质在不同土壤含水量梯度的有效估算,偏最小二乘回归和支持向量机回归模型的预测偏差比分别提高至1.76和2.15。研究结果可为田间快速预测土壤有机质提供必要参考。     

应用SPAD和光谱技术研究油菜生长期间的氮素变化规律

为了掌握油菜生长期间氮素的变化规律和指导科学施肥，应用SPAD仪对从顶部算起的第3分枝处完全展开叶进行了跟踪测试，得出了蕾苔期与开花期的过渡期为田间氮肥管理和检测的最佳时期。采用可见-近红外光谱仪分析了油菜叶片的光谱特性，建立了油菜叶片光谱反射率与SPAD值之间的定量分析模型。结果表明，684 nm处一阶微分光谱的线性回归模型可较好地预测油菜叶片的SPAD值，预测样本的相关系数达到0.801。     

基于近红外光谱的土壤全氮含量估算模型

土壤全氮是诊断土壤肥力水平和指导作物精确施肥所需的重要信息,建立土壤全氮的近红外光谱估测模型并对建模波段进行优化选择对于土壤养分信息快速获取和精确农业发展具有重要意义。该研究以中国中、东部地区5种主要类型土壤为研究对象,利用近红外光谱仪采集土壤样品的光谱信息,结合近红外区域分子振动特点选取全谱、合频、一倍频、二倍频和N-H基团及其组合的8个波段,采用多元散射校正等多种预处理方法组合进行处理,结合偏最小二乘法(PLS)对每个波谱区域进行定标建模。结果表明,利用4000～5500cm-1波谱区域结合附加散射校正处理过的原始光谱建立的模型精度表现最好,其内部互验证决定系数达到0.90,均方根误差为0.16。经不同类型土壤的观测资料检验,模型验证决定系数为0.91,均方根误差为0.15,相对分析误差RPD为3.40,表明模型具有极好的预测能力。因此,利用近红外光谱可以实现土壤全氮的快速估测,且以合频波段(4000～5500cm-1)为建模区域可以得到更好的预测效果。     

基于可见光光谱分析的土壤参数分析

利用光谱分析技术，进行了农田原始状态土壤样品的可见光光谱与土壤参数之间的相关、回归分析。土壤样品采集于一块水分较低的玉米地和一块水分较高的牧草地，所分析的土壤参数有土壤水分、土壤有机质含量、土壤硝态氮含量、土壤电导率以及土壤pH值，土样的可见光光谱由精密分光光度计测量。分析结果显示，有效的光谱特性值为反射光谱的一次微分，所有5个土壤参数都可以利用土样的可见光光谱特性进行分析和检测。对于土壤水分、土壤有机质含量、土壤电导率以及土壤pH值，线性模型是有效的；而对于土壤硝态氮含量，则需要利用多元指数模型进行分析或检测。     

基于GA-SVM的耕地土壤重金属含量高光谱反演方法的研究

为提高耕地土壤重金属含量高光谱反演模型精度,以岳阳县某地区耕地土壤重金属铁（Fe）、砷（As）、铬（Cr）为例,提出了一种遗传算法（GA）优化支持向量机（SVM）的重金属含量反演模型。在对光谱进行SG平滑和10 nm重采样后,利用一阶/二阶微分、倒数对数和连续统去除光谱变换方法增强光谱特征,通过相关性分析筛选最优变换光谱,使用皮尔森相关系数与主成分分析提取各重金属光谱特征变量,分别建立SVM和GA-SVM土壤重金属高光谱反演模型并进行精度验证。结果表明,二阶微分变换光谱与各重金属含量相关性整体最突出;三种重金属在可见光波段490 nm、500 nm、510 nm和530 nm具有共同敏感特征;经GA算法优化SVM参数后,对比SVM回归模型,预测精度有明显提高,其重金属Fe、As和Cr的验证集R2分别为0.968、0.821和0.976;研究结果可为应用遥感技术反演耕地土壤重金属含量提供新的参考。