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《光谱学与光谱分析》2024年，第42卷，第01期
发布时间:2024-01-05]
阅读次数：299次
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| 1 | 光声光谱技术应用于痕量气体浓度测量的研究进展 |
|  | 郑洪全，戴景民* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0001-14 |
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| 光声光谱技术作为实现痕量气体浓度高效率、高精度测量的重要气体传感技术，因其响应速度快、灵敏度高、选择性好等优点被广泛应用到大气环境检测、电力系统故障诊断、医疗健康诊断等领域当中。首先介绍了光声光谱技术痕量气体浓度测量的基本原理，对应用光声效应实现痕量气体浓度测量的机理进行了简要的描述，同时，介绍了基于光声光谱技术的典型痕量气体浓度测量装置的结构。其次，从光声信号强度的理论分析出发，引出国内外学者在光声光谱痕量气体浓度测量领域的研究热点，为了实现基于光声光谱技术的痕量气体浓度测量装置更强的抗干扰能力、更紧凑的结构、更低的检测下限、更高的检测灵敏度，国内外学者的研究重点可以总结为以下三点：（1）辐射光源的选取和设计，以实现更佳辐射光源的输出波长、更宽的调谐范围、更高的辐射光源输出功率。（2）更优秀的光声池设计，以实现更高效的声能量积聚、更紧凑的结构和更强的抗干扰能力。（3）声敏探测器的设计，以实现更高的声音灵敏度、更高的信噪比。详细介绍了基于光声光谱痕量气体浓度测量装置的三个核心元件：辐射光源，主要介绍了相干光源和非相干光源的应用研究进展；光声池，主要介绍了光声池的设计原则以及非共振式和共振式光声池的应用研究进展；微音器，主要介绍了电容式微音器、压电式微音器的应用研究进展，并对近期研究热点石英增强光声光谱技术进行简要的介绍。在介绍目前辐射光源、光声池、微音器应用研究进展的同时，分析了各元件的优势和需要解决的问题。最后，总结了光声光谱技术应用于痕量气体浓度测量领域装置存在的信噪比不高、结构复杂、检测灵敏度和检测下限易受混合气体之间的交叉干扰等问题，并且对未来测量装置中的三个核心元件：辐射光源、光声池、微音器的发展趋势进行了展望。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 1-14 [摘要] ( 33 ) RICH HTML PDF (17606 KB) ( 27 ) |
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| 15 | 红外光谱技术在矿产勘查中的应用 |
| | 成嘉伟1, 2，刘新星1, 2*，张 娟1, 2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0015-07 |
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| 红外光谱技术具有快速、经济、高效等特点，是现阶段国内外地质找矿工作中被广泛应用的一项高新技术。通过研究矿物在红外波段上的差异性吸收特征，开展红外光谱填图和波谱参数分析工作，进而确定矿化区域内的特征矿物组合以及指向矿化热液中心的矿物波谱参数变化范围。近年来，随着光谱分辨率的提高和解混算法的优化，越来越多的波段被应用于岩矿信息提取工作，其中发展成熟的短波红外技术（SWIR，1 100~2 500 nm），对于绢云母、高岭石、明矾石和绿泥石等中低温黏土矿物有较好的识别效果，通过这些矿物的波谱参数变化规律成功在斑岩型、浅成低温热液型、VMS型等矿床中建立了找矿勘查模型；热红外技术（TIR，6~15 μm）主要针对长石、石英、石榴子石和辉石等中高温矿物有更好的探测能力，近几年在矽卡岩型矿床中有着出色的表现；中红外技术（MIR，3~6 μn）在地学领域找矿勘查工作中还处于研究阶段，没有形成一套完整的矿物信息提取方法。对红外光谱技术在地学领域的发展历程进行了综述，对各个波段引起波形变化的原因、常用的波谱参数及其表征的含义、四类测试仪器进行了总结，描述了常作为找矿指标的四种矿物——绢云母、绿泥石、石榴子石和碳酸盐类矿物的波谱特征。说明了红外光谱技术在矿产勘查工作中两大核心内容以及目前可能存在的问题。最后对未来红外光谱技术在地质找矿工作中的应用提出了几点建议，即加强规律验证工作，建立多波段、多平台综合光谱勘查模型和建立矿区的波谱库与参数提取标准。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 15-21 [摘要] ( 19 ) RICH HTML PDF (1158 KB) ( 25 ) |
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| 22 | 基于电子顺磁共振谱的残磁测量应用及进展 |
| | 张全哲1，邹 升1，张 红1, 2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0022-07 |
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| 电子顺磁共振类似于核磁共振，是一种基于电子磁矩在外磁场中的顺磁性及塞曼分裂的方法，该方法与物质中未成对电子和外磁场相联系，通过获取和分析物质的电子顺磁共振谱，能够得到物质的结构信息或环境的磁场信息，因此其常被用来分析物质结构、探测磁场等。极弱磁场通常指nT或以下量级的磁场，目前一些科学研究的进行常常要求在极弱磁环境下进行，例如基础物理研究、心脑磁探测等，因此稳定可靠的磁屏蔽常被用来创建所需的极弱磁环境。磁屏蔽包括被动磁屏蔽和主动磁补偿，被动磁屏蔽指利用磁屏蔽室屏蔽外界磁场，其内部往往有一定量的残余磁场，因此为方便进一步主动磁补偿，探测屏蔽后的残余磁场是有必要的。目前屏蔽室内残余磁场的测量手段主要分为商用化磁强计测量和装置原位测量，商用化磁强计测量方法简单，但精度低、噪声大，且不利于小型化，利用装置原位测量能够减少噪声，是目前主要的研究方法。由于碱金属原子最外层含有一个未成对电子，其成为电子顺磁共振实验的理想样品。而随着激光和光泵技术的发展，利用法拉第旋光效应作为光学手段探测气体原子的电子顺磁共振谱已经成为了可能。通过测量碱金属原子气体的电子顺磁共振谱进行残余磁场的原位测量效果好、精度高，具有极大的应用前景。通常基于电子顺磁共振的残磁测量系统包括残磁环境和样品模块、光学探头模块、信号调制模块、环境监测模块以及信号收集与处理模块，核心是光学探头模块，决定了磁场测量的灵敏度。简要描述了电子顺磁共振技术的原理，以光泵磁力计为主介绍了基于该技术的典型磁力计和目前的发展，重点概述了基于电子顺磁共振谱的残磁测量系统、各个组成模块以及相关技术近年来的发展现状。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 22-28 [摘要] ( 17 ) RICH HTML PDF (2126 KB) ( 7 ) |
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| 29 | 基于改进K均值聚类的光谱重建训练样本选择研究 |
| | 刘 振1*，刘 莉2*，樊 硕2，赵安然2，刘思鲁2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0029-07 |
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| 光谱反射率重建过程中，训练样本的选择方法及样本容量与重建精度密切相关，寻找一种高效的训练样本选择方法是光谱重建的目标之一。K均值聚类计算复杂度小，计算效率高，但因聚类初始值选择的随机性，以及离群点的影响致使聚类结果不稳定，进而影响光谱重建的精度。基于此，提出了一种改进K均值聚类的训练样本选择方法。首先，将训练样本集的几何中心作为聚类中心的初始值；其次，基于高斯函数构建样本空间分布概率密度函数，并以欧几里德（欧式）距离作为其他聚类中心的度量依据；最后，在训练样本集中，基于簇内平方差度量光谱反射率样本间的相似度，将每个聚类子集中与中心距离最近的样本作为训练样本。为验证该方法的有效性，通过主成分分析法进行光谱重建。实验结果表明，所提的方法相较于传统的方法，光谱重建精度有一定的提高，重建光谱的平均均方根误差小于4％，CIE DE2000色差小于3.756 7。提出的改进的K均值聚类的训练样本选择方法，能够一定程度上提高了光谱重建精度，基本满足复制再现图像的要求。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 29-35 [摘要] ( 22 ) RICH HTML PDF (3685 KB) ( 42 ) |
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| 36 | 基于光谱分析的AMOLED蓝光危害与节律效应随年龄变化研究 |
| | 杨超普1, 2，方文卿3*，吴庆丰3，李 春1，李晓龙1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0036-08 |
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| 当前光生物安全研究多针对光谱分布恒定的人工照明，且较少考虑人眼透射率随年龄变化的影响。未来20年AMOLED可能将逐步成为智能手机的主流显示屏。为了探索AMOLED的蓝光危害与节律效应与使用者年龄的关系，为AMOLED个性化设计及使用提供理论参考，我们根据CIE 203-2012A给出的人眼透射率随年龄变化的函数表达式，得到了11个不同年龄（1—100岁，每间隔10岁）人眼透射率。采集了6个不同色温（2 300、2 700、3 400、4 100、5 000和6 500 K）AMOLED 380～780 nm可见光波段的原始光谱分布数据，对不同色温下AMOLED的原始光谱分布数据进行归一化处理，由不同色温下AMOLED的归一化光谱分布数据乘以不同年龄人眼透射率，得到不同年龄下不同色温AMOLED在人眼视网膜上的有效光谱分布。利用人眼视网膜有效光谱分布，代替蓝光危害因子与节律因子计算公式中的原始光谱分布，计算了AMOLED在不同年龄人眼视网膜上有效光谱分布的蓝光危害因子与节律因子。通过高质量函数拟合分析，研究了AMOLED的蓝光危害与节律效应随年龄变化。研究分析结果表明：AMOLED的蓝光危害与节律效应均随使用者年龄的增大而降低；对于色温为6 500 K的AMOLED，使用者年龄由1岁增加至100岁，视网膜有效光谱的蓝光危害因子与节律因子分别降低为原来的0.290 7和0.403 8倍；当年龄大于40岁时，各色温的蓝光危害因子与节律因子随年龄增加而降低的速度均明显加快；6个不同色温下，40—100岁的蓝光危害因子与节律因子随年龄增加而降低的平均速度，分别是1—40岁的2.748 2和2.993 3倍；当年龄由1岁增加至100岁，6个色温的平均蓝光危害因子与平均节律因子分别下降为原来的0.305 6和0.452 0倍。由以上结果知：AMOLED对年轻人的蓝光危害与节律效应较大，特别是年龄小于40岁的年轻使用者，应减少使用时间，注意蓝光危害与节律效应；蓝光危害受年龄的影响大于节律效应；该结论可为相关研究提供一定的理论参考。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 36-43 [摘要] ( 14 ) RICH HTML PDF (7188 KB) ( 11 ) |
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| 44 | 基于可见/近红外光谱与化学计量学的杏品种无损鉴别方法 |
| | 高 峰1，2, 邢雅阁3，4, 罗华平1，2, 张远华3，4, 郭 玲3，4* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0044-08 |
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| 新疆南疆是全国杏种植面积最大的地区，杏品种繁多。在杏果品市场中，不同品种杏的品质和价格差异较大，以次充好、品质参差不齐等现象严重制约了新疆杏果业的发展。为探究利用可见/近红外光谱快速检测杏品种的可行性，基于样品的可见/近红外光谱与化学计量学方法，对新疆南疆地区的6个品种杏进行定性判别分析，建立一种杏品种的无损鉴别方法。采用光谱仪采集6个品种杏(“黄杏”、“橄榄杏”、“小白杏”、“小米杏”、“库买提杏”、“小吊干杏”)在350～1 000 nm(VIS/NIR)和1 000～2 500 nm(NIR)两个范围内的光谱数据，去除原始光谱首端的噪声后，对保留的光谱使用Savitzky-Golay(SG)卷积平滑和多元散射校正(MSC)处理以消除光谱存在的干扰信息，采用主成分分析(PCA)、竞争性自适应重加权算法(CARS)、随机蛙跳(RF)、连续投影算法(SPA)对原始光谱降维，结合线性判别法(LDA)、朴素贝叶斯(NB)、K最近邻(KNN)和支持向量机(SVM)对全光谱和降维后光谱建模对比。结果表明：基于全光谱数据建立的模型有较为准确的分类结果，在VIS/NIR范围，SVM模型分类正确率为95.7%，NIR范围内，LDA模型分类正确率为97.8%；采用PCA、CARS-SPA、RF-SPA与SPA方法对光谱数据降维后，模型仍能保持较高的分类精度，在VIS/NIR范围，PCA-LDA模型的分类正确率为97.8%，NIR范围内，RF-SPA-LDA模型的分类正确率高达95.7%。不同模型的结果表明，VIS/NIR范围内的模型分类效果优于NIR范围内模型；4种降维方法中，PCA方法降维效果最优；4种分类器中，LDA与SVM模型的正确率高于NB与KNN模型，更适用于杏品种的鉴别。结果表明，基于VIS/NIR范围光谱结合主成分分析和线性判别法可以实现杏品种的快速无损鉴别，为杏果实的在线分拣鉴定提供了新途径。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 44-51 [摘要] ( 13 ) RICH HTML PDF (5507 KB) ( 12 ) |
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| 52 | 黄渤海沉积物有机碳光谱分析在不同仪器间的差异 |
| | 范萍萍，李雪莹，邱慧敏，侯广利，刘 岩* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0052-04 |
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| 光谱仪作为可见-近红外光谱分析核心工具，对于光谱分析的影响还有待深入研究。这里，以黄渤海沉积物为研究对象，利用安捷伦Cary 5000、ASD FieldSpec 4、海洋光学QEPro三种光谱仪，研究有机碳含量的反射光谱及其光谱分析在不同光谱仪间的差异。其中，Cary 5000为室内台式光谱仪，FieldSpec 4和QEPro是便携式光谱仪；QEPro只能采集200～1 000 nm的反射率，而且反射率在三种光谱仪中最高；Cary 5000和FieldSpec 4能够采集完整的可见-近红外反射率（350～2 500 nm），光谱曲线几乎完全一致，尤其是近红外部分，但Cary 5000采集的反射率高于FieldSpec 4。三种光谱仪的光谱分析能力也存在显著差异，其中，Cary 5000的光谱分析能力最强，其光谱模型具有很强的预测能力，建模集r2高达0.99，验证集r2高达0.86，均方根误差（RMSE）在建模集和验证集分别为0.04、0.11，相对分析偏差（RPD）高达2.6，显示了对黄渤海沉积物有机碳强大的预测能力。FieldSpec 4的建模集r2很高，达到0.98，但验证集r2仅为0.56，RMSE从建模集的0.06降为预测集的0.19，RPD仅为1.4，显示在黄渤海沉积物有机碳的预测中准确度很低。QEPro的建模集和验证集r2都很低，分别为0.75、0.59，RMSE保持稳定，均为0.18，RPD刚超出1.5（RPD=1.6），显示在黄渤海沉积物有机碳的预测上具有一定的准确度。可见，室内光谱仪比便携式光谱仪具有更强的光谱分析能力，可能是因为室内光谱仪的配置更好。同为便携式光谱仪，在黄渤海沉积物有机碳的光谱分析方面，QEPro具有和FieldSpec 4一样的光谱分析能力，甚至在稳定性上更好。由于QEPro的价格相对低廉，因此在室外沉积物/土壤碳氮光谱分析中，具有更好的性价比。该研究深入比较了不同光谱仪在相同样品的光谱分析中的差异，为不同研究的光谱分析及其模型转移提供了有效参考。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 52-55 [摘要] ( 15 ) RICH HTML PDF (1950 KB) ( 8 ) |
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| 56 | CdSe/ZnS量子点和量子点-受体分子复合物的超快动力学研究 |
| | 白西林1, 2，彭 越1, 2，张雪东1, 2，葛 晶1, 2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0056-06 |
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| 量子点（QD）作为一种新型的半导体纳米发光材料，由于其独特的光学性质，如发光颜色可调、尺寸可调、激发光谱宽和发射光谱窄等优点，自被发现以来一直备受关注。相比于单量子点而言，核/壳量子点更为优异的光学性能使其成为光伏器件应用中的理想材料，例如在量子点敏化太阳能电池中，Ⅰ型核/壳量子点太阳能电池器件表现出更高的稳定性和转换效率。然而，界面电荷转移和电荷复合过程如何影响器件性能一直是大家关注的焦点，相关方面认知的匮乏阻碍了量子点光伏器件的进一步发展。为了对电荷转移（CT）和复合过程有更加清晰的认识，通过利用飞秒时间分辨瞬态吸收（TA）光谱和量子化学计算相结合的方法，对Ⅰ型CdSe/ZnS核/壳量子点和三种量子点-电子受体分子（如1-氯蒽醌（1-CAQ）、蒽醌（AQ）和甲基紫（MV2+））复合物的载流子动力学进行了全面而细致的研究。通过光谱分析表明，QD-MV2+复合物发生了最快的电子转移（ET）和俄歇复合（AR）过程，并且ET速率与AR速率呈正相关关系。此外，根据Marcus ET理论和密度泛函理论计算，证明了电子受体的带隙和给受体之间的能级差作为驱动力是共同影响ET速率的关键因素。该研究为电子受体的选择提供了新的见解，对光伏器件的改进设计具有重要的指导意义。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 56-61 [摘要] ( 22 ) RICH HTML PDF (3558 KB) ( 3 ) |
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| 62 | FTIR结合ELM对黑果腺肋花楸黄酮、多糖含量快速预测 |
| | 杨承恩1，2，李 萌3，卢秋宇2，王金玲4，李雨婷2*，苏 玲1* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0062-07 |
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| 黑果腺肋花楸是继蓝莓后的又一小浆果，因其黄酮含量高于蓝莓受到关注，已获进入新资源食品名单，并在饮料行业中使用。黑果腺肋花楸黄酮、多糖是其果汁及果渣中的主要生物活性成分，也是影响其品质的重要因素。以中红外光谱技术结合化学计量学方法对黑果腺肋花楸黄酮、多糖含量进行预测，为建立简便、快捷的黑果腺肋花楸产品质量检测方法提供基础。采集15个产区共750份黑果腺肋花楸红外光谱数据，测量每份样品黄酮、多糖含量，采用K-S样本划分法按4∶1的比例将样本划分为校正集和验证集，并对分组后的光谱信息进行多元散射校正（MSC）、标准正态化（SNV）、平滑（SG）、一阶导数（FD）、二阶导数（SD）等光谱预处理，与原始光谱进行极限学习机（ELM）建模预测效果对比，确定最佳光谱预处理方法。采用竞争性自适应重加权算法（CARS）和连续投影算法（SPA）进行黑果腺肋花楸黄酮、多糖特征光谱波段选取，将2种方法选取的光谱数据结合偏最小二乘回归法（PLS）、极限学习机（ELM）、支持向量机（SVM）进行建模对比，选出预测效果最佳的算法模型。结果表明，7种光谱预处理方法中，MSC对原始光谱的处理效果最佳，在此处理下黄酮含量预测模型RPD值为6.201 7，多糖含量预测模型RPD值为5.447 3，预测模型的误差显著下降。经CARS、SPA提取特征光谱后，进行3种算法的建模结果对比，确定CARS-ELM为效果最佳的含量预测模型，其中黄酮含量预测模型的RC为0.997 2，RMSEC为0.017 5，RP为0.991 2，RMSEP为0.031 1，RPD为10.631 5；而多糖含量预测模型中的RC为0.996 5，RMSEC为0.017 3，RP为0.986 7，RMSEP为0.033 7，RPD为8.664 7。中红外光谱结合化学计量学方法，尤其是CARS-ELM模型能够更准确地对黑果腺肋花楸黄酮、多糖含量进行预测，此方法的开发为黑果腺肋花楸质量评价提供了快速、简便的方法。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 62-68 [摘要] ( 12 ) RICH HTML PDF (4630 KB) ( 7 ) |
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| 69 | 重庆市南川区土壤锰元素遥感反演 |
| | 徐 天1, 2，李 敬1, 2，刘振华1, 2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0069-07 |
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| 土壤中的锰元素对植物生长起着重要作用，土壤锰含量过高或者缺少都将对植物产生不良影响，因此快速监测土壤中的锰含量尤为重要。目前利用遥感技术监测土壤锰含量的相关研究主要集中在利用土壤光谱估算土壤锰含量，而对于植被常年覆盖的南方地区，难以从卫星影像中获取土壤光谱。因此，引入植被光谱，探索植被覆盖区域土壤锰元素的快速监测方法。首先从Landsat 8影像中提取11种植被光谱指标，并运用皮尔逊相关系数（Pearson correlation coefficient）结合方差膨胀因子（VIF）筛选出最佳植被光谱指标；在此基础上，利用偏最小二乘回归（PLSR）、多元逐步回归（MSR）和BP神经网络（BPNN）算法构建最佳植被光谱指标与土壤锰元素之间的光谱响应模型，分析比较三个模型的估算效果从而确定最佳反演模型；最后，基于最佳反演模型进行土壤锰含量空间制图。以重庆市南川区为例，研究结果表明：3个植被光谱指标（比值植被指数，归一化植被指数和可见光大气阻抗植被指数）被确定为土壤锰元素最佳的光谱响应指标；BPNN光谱响应模型（R2为0.78，RMSE为334.24，RPD为2.13）为土壤锰含量最佳反演模型，其土壤锰含量的制图精度（R2为0.69，RMSE为567.64，RPD为1.30）。表明通过植被光谱指标反演土壤锰含量可行，该研究为区域尺度的土壤锰含量监测开拓了新思路。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 69-75 [摘要] ( 11 ) RICH HTML PDF (16129 KB) ( 8 ) |
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| 76 | DFT方法研究木质素单体及二聚体的结构与拉曼光谱 |
| | 王方原1, 2，韩 森1, 2，叶 松1, 2，银 珊1, 2，李 树1, 2，王新强1, 2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0076-06 |
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| 木质素是自然界中第二丰富的天然聚合物，广泛存在于各种陆地植物的木质部中，利用木质素拉曼光谱对植物种类进行快速无损鉴别具有重要的应用价值。但由于木质素大分子构型非常复杂，对其拉曼特征光谱的仿真研究一直存在困难。利用Gaussian16W中包含的B3LYP密度泛函方法结合6-311G(d, p)基组，构建出三种木质素单体及其三种同种木质素单体构成的二聚体以及三种异种木质素单体构成的二聚体，提出了一种利用木质素的三种基本结构单体及其二聚体仿真分析木质素大分子拉曼光谱特征的方法。首先计算了三种单体的基本构型、轨道能级和电子空间分布，并分析了三种木质素单体拉曼光谱和振动模式的特点。随后利用不同组合方式的β-O-4二聚体的光谱谱峰特征，解释了特征谱峰信号位置漂移的成因，提出了判断木质素大分子信号特征的主要依据。研究结果表明，1 712 cm-1谱峰信号最强且位置稳定，振动归属为碳碳双键伸缩振动，该振动归属引起的特征峰可以作为木质素大分子最主要的信号特征；1 642 cm-1谱峰信号振动归属为芳香环骨架振动，仅受芳香环甲基数量影响产生劈裂，该振动归属引起的特征峰不仅可以作为识别木质素大分子最主要的信号特征也可以作为木质素内三种单体含量的判据；1 352 cm-1谱峰信号振动归属为HC═CH原子链摇摆振动，附近的特征峰受单体种类和聚合方式共同影响，在木质素大分子拉曼光谱中会形成信号包络，可以作为鉴别木质素的一个辅助判据。该研究对于复杂分子的光谱特征及其物理机制的仿真具有一定的借鉴价值，同时也能为植物检材的拉曼光谱分析方法提供理论指导。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 76-81 [摘要] ( 13 ) RICH HTML PDF (3631 KB) ( 3 ) |
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| 82 | 紫外吸收光谱结合SPA-ELM算法的水体磷酸根离子检测研究 |
| | 郑培超，尹义同，王金梅*，周椿棪，张 莉，曾金锐，吕 强 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0082-06 |
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| 在工业锅炉中随着水蒸气蒸发，大量的钙镁离子留在炉水中，如果不加处理，在水冷管中会形成水垢，造成爆管停炉。为了保障设备的安全运行，消除安全隐患，工业上通过维持水中一定含量的磷酸根离子来去除锅炉中的钙、镁水垢。传统的磷酸根离子检测技术主要有比色法、分光光度法、色谱法、电位法等，这些方法前期处理步骤较繁琐且耗时较长。光谱法是通过测定物质的吸收光谱并建立和浓度关系的数学模型，对物质浓度定量的一种分析方法。为了满足磷酸根离子快速、实时测量的要求，提出了一种基于紫外吸收光谱结合SPA-ELM算法快速测量磷酸根离子的方法。按照我国《工业锅炉水质GB/T 1576—2018》中所规定的进入热水锅炉前的水质参数要求，配置37份浓度范围在5~100 mg·L-1磷酸根溶液，使用搭建的实验装置，采集紫外吸收光谱。使用SPXY将样品按照7∶3的比例随机划分训练集、测试集；使用Savitzky-Golay（S-G）滤波对数据预处理以提高光谱的信噪比；通过连续投影算法（SPA）压缩光谱数据，筛选出5个与磷酸根强相关的特征波长；使用极限学习机（ELM）将特征波长处的吸光度与样本浓度进行拟合，以决定系数R2和均方根误差RMSE作为模型评价指标，建立磷酸根离子的回归模型。采用所提出的建模方法所建立的模型训练集的R2与RMSE分别为0.997 2和1.301 5 mg·L-1，测试集的R2与RMSE分别为0.999 5和0.517 4 mg·L-1。为了验证所提出的SPA-ELM预测模型效果，另外建立了LASSO-ELM、PCA-ELM、SPA-PLS和SPA-SVR四种预测模型进行对比。实验结果表明，SPA-ELM建立的预测模型的R2和RMSE均优于其他四种预测模型，说明采用的特征选择方法和回归方法均为最优，能够对磷酸根浓度范围为5~100 mg·L-1的水体进行准确预测，为水中磷酸根离子的检测提供了一种新的解决方法。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 82-87 [摘要] ( 14 ) RICH HTML PDF (4415 KB) ( 4 ) |
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| 88 | 基于光声光谱气溶胶吸收测量的标定方法研究 |
| | 徐秋怡1, 3, 4，朱文越3, 4，陈 杰2, 3, 4，刘 强3, 4*，郑健捷3, 4，杨 韬2, 3, 4，杨腾飞2, 3, 4 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0088-07 |
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| 大气气溶胶吸收太阳辐射，直接影响地气系统辐射平衡，降低能见度，改变局地气候效应。光声光谱技术具有灵敏度高、原位测量、结构简单等优势，是研究气溶胶吸收特性最为直接、有效的方法。光声光谱近红外气溶胶吸收系数测量系统的精度与标定方法密切相关，为了探究不同标定方案的差异，选择NO2气体（532 nm）和单分散苯胺黑气溶胶（532、1 064 nm）分别开展气溶胶吸收系数标定实验。其中，单分散苯胺黑气溶胶的标定方法主要基于Mie理论，结合苯胺黑气溶胶粒子数浓度、苯胺黑气溶胶粒子的复折射率、苯胺黑粒子粒径分别计算532和1 064 nm单分散苯胺黑气溶胶吸收系数。实验结果表明：NO2气体获取的标定系数介于苯胺黑气溶胶在532和1 064 nm波长处获取的标定系数之间，与532 nm波长处粒径225 nm的苯胺黑单分散气溶胶、1 064 nm波长处粒径125 nm的单分散苯胺黑气溶胶标定系数相近，在其他粒径处存在一定差异。尽管NO2气体与苯胺黑气溶胶在特定波长处具有相似的连续吸收特征，对于同一标定系统，标定气体和气溶胶性质、状态不同导致标定过程仍然存在光声效应之外的光与物质的相互作用、标定介质损耗、测量环境等不确定因素，这些都会导致这两种标定介质的标定结果差异；苯胺黑气溶胶采用不同波长光源得到的标定系数明显不同, 同一粒径的单分散苯胺黑气溶胶在532 nm波长处获取的标定系数约为1 064 nm波长处标定系数的1.5～2倍。导致该结果的可能原因有两个，一是未准确获取1 064 nm波长处苯胺黑的复折射率，二是标定过程中532 nm光束、1 064 nm光束与谐振腔的匹配模式不一致导致；标定系数与单分散气溶胶的粒径存在反比关系，随着苯胺黑气溶胶粒径每增大50 nm，532 nm波长光源的标定系数减小19%，1 064 nm波长光源的标定系数减小12%。标定系数与粒径的反比关系可能由不同粒径的苯胺黑气溶胶粒子经过管道和光声池的损耗不同导致。由此可见，气体标定方法与气溶胶标定方法各有其优势与不足，但两种标定方式都可以获取相应的标定系数，在实际标定方法的选择上，需要综合考虑多种因素，选择合适的标定方法。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 88-94 [摘要] ( 15 ) RICH HTML PDF (4031 KB) ( 3 ) |
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| 95 | 基于比色法和表面增强拉曼光谱双传感系统检测水中的芘 |
| | 邢海波1，郑博文1，李欣悦1，黄波涛2，向 霄2，胡晓钧1* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0095-08 |
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| 设计了一种基于AgNPs-AuNPs的核-卫星纳米结构检测水样中多环芳烃芘的比色和SERS双通道传感系统。首先将单巯基β-环糊精修饰到纳米金颗粒和纳米银颗粒的表面。受益于氧化态的四甲基联苯胺的触发，当体系中存在多环芳烃芘时，纳米颗粒会自组装形成AgNPs-pyrene-AuNPs的核-卫星结构。芘分子在其中充当分子桥的作用，拉近纳米粒子距离，使得纳米粒子发生一定的聚集。所以芘分子的个数直接影响AgNPs-pyrene-AuNPs的核-卫星结构数量，使溶液颜色发生变化，能够通过目测法建立溶液颜色与芘浓度的关系；组装形成的的核-卫星结构具有非常丰富的“热点”而表现出较强的表面增强拉曼光谱（SERS）活性，可通过SERS方法实现芘分子的高灵敏高特异检测。此结构可通过比色法和SERS方法实现水中芘的高灵敏高特异性检测。该方法可以在25 min内快速完成微量芘的检测，比色法对芘的检出限为3.4 μmol·L-1，SERS法的检出限为0.42 μmol·L-1。根据上述原理，基于AgNPs-PAHs-AuNPs核-卫星结构的SERS传感器可用来检测水样中的多种多环芳烃。这一双通道传感系统提供了一种检测水样中多环芳烃芘的新方法，并为开发多路复用的传感系统提供了新的思路。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 95-102 [摘要] ( 13 ) RICH HTML PDF (9266 KB) ( 4 ) |
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| 103 | 偏最小二乘辅助紫外可见光谱法同时测定烟草中的葡萄糖与木糖含量 |
| | 李 宇1，张克灿1，彭丽娟2*，朱正良1，何 亮1* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0103-08 |
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| 烟草中含有葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、木糖等多种糖类物质，占据烟草干重的25%~50%，是烟草的重要组成部分，也是评估烟草内在品质的重要指标。不同的糖类物质在卷烟燃烧过程中会生成不同产物，从而直接或间接地影响卷烟的香气和口感。建立烟草中各种单糖的测定方法，对烟草制品的质量控制具有现实意义。传统的检测方法如费林试剂法、连续流动分析法只能对烟草中的水溶性糖或总糖含量进行测定，无法对单一糖组分进行定量检测；气相色谱、液相色谱等方法虽能检测出不同单项，但是存在样品前处理过程麻烦、检测耗时较长等局限性。该工作在传统间苯三酚显色法测定木糖的基础上，以显色机理对该方法进行改进，解决了该检测体系下葡萄糖显色效果不佳的技术问题，可通过紫外可见光谱技术简单、高效地实现对烟草及卷烟制品中葡萄糖和木糖含量的精准测定。当同时测定上述两种糖组分时，由于二者的紫外可见光谱出峰位置相近，会相互影响彼此的测量准确性。为消除这一干扰，采用偏最小二乘回归法（PLS）建立光谱分析的多元校正模型，辅助改进后的间苯三酚法对烟草及其制品中葡萄糖和木糖含量进行同时检测。研究结果表明：改进后的间苯三酚法对于葡萄糖和木糖的单糖溶液，浓度分别在0.05～0.4和0.10～0.80 mmol·L-1范围内时线性关系良好，该方法的检出限和定量限分别为0.001 7、0.005 7 mmol·L-1和0.007 2、0.024 mmol·L-1，批内变异系数的范围为0.69%～3.03%，加标回收率范围为96.72%～102.85%，提取液中木素含量对测定结果没有显著干扰。对于葡萄糖和木糖组成的混糖溶液，采用外部检验对模型效果进行评价，外部检验集的预测值与理论值的相关系数R2=0.994 7，相对偏差小于10%。该方法能够快速准确的测定烟草及烟草制品中葡萄糖和木糖含量，为烟草行业提供一种有效的单糖分析方法。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 103-110 [摘要] ( 16 ) RICH HTML PDF (3387 KB) ( 4 ) |
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| 111 | 重金属污染水体背景下的底质反射率光谱特征及其对离水反射率贡献影响分析 |
| | 梁业恒1，邓孺孺1, 2*，梁钰婕1，刘永明3，吴 仪4，袁宇恒5，艾先俊6 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0111-07 |
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| 水体重金属遥感反演是水环境遥感领域中的难题，目前仍有相当多的基础性问题有待解决，而浅水区底质对离水反射率贡献规律是将来遥感反演模型精度其中一个重要影响因素，尤其在重金属污染这种特殊的背景下，揭示其贡献规律对提升水体重金属遥感模型精度有重要作用，测量结果对研究重金属尾矿底泥的反射率光谱特征以及区分常见水底底质有参考意义。首先利用光谱仪测量获得广东大宝山尾矿底质反射率，发现其在波长755、1 280、1 620和2 200 nm存在反射峰，有明显光谱特征，并与河床常见的粗沙、淤泥和石头三类底质反射率进行了对比分析，结果表明：一方面，粗沙和淤泥反射率呈一缓慢上升的曲线，与存在多个特征反射峰的矿区底泥有明显区别；另一方面，石头反射率则在波长范围550~650 nm出现一个宽而扁平的反射峰后随即在波长675 nm处出现波谷然后增大至波长750 nm后趋于平缓，其特征波长与矿区底泥均不一样。上述特征波长可作为重金属污染背景下底泥光谱的重要区分波段。测量水深为1 cm、10 cm和深水区的离水反射率，结合水质遥感模型计算出1 cm水深情况下底质反射光、水体散射光，并将其对离水反射率贡献进行讨论。离水反射率测量结果表明，底质对浅水区影响极大，随着水深变浅，离水反射率总体不断被抬升。而水底反射光和水体散射光对离水反射率贡献规律则以波长515 nm为分界线，向短波方向以水体散射光贡献为主，向长波方向则以水底反射光为主，贡献量由底质反射能力和水体散射能力共同决定。对考虑了底质反射光后的遥感模型精度进行评价，模型计算得到波长范围350~950 nm内的离水反射率与野外测量值对比结果，二者具有显著的线性相关（R2=0.964 2），相对误差在波长范围560~830 nm低于10%，甚者可低于5%，模型总体模拟精度较好，远比在不考虑底质影响时精度高，模型满足将来水中重金属遥感反演要求。研究结果对今后水体重金属遥感反演时处理底质影响提供了重要的参考数据和理论依据，有助推动该领域进一步发展。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 111-117 [摘要] ( 17 ) RICH HTML PDF (10643 KB) ( 2 ) |
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| 118 | 含钙添加剂处理下不同秸秆腐解产物可溶性有机质三维荧光特征变化 |
| | 夏明明1, 2, 刘 佳3, 吴 萌1, 2, 樊剑波1, 2, 刘晓利1, 2, 陈 玲1, 2, 马昕伶1, 2, 李忠佩1, 2, 刘 明1, 2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0118-07 |
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| 秸秆是优质的有机资源，研究含钙添加剂种类及添加量对不同秸秆腐解产物可溶性有机物（DOM）组成性质差异，可为秸秆高效腐熟利用提供理论依据和技术参考。以花生秸秆和水稻秸秆为供试物料，通过添加不同含钙添加剂草酸钙（CaC2O4）和氢氧化钙[Ca(OH)2]及不同添加量（4%、8%），进行秸秆腐解试验。测定腐解产物养分含量，并利用三维荧光光谱（3DEEM）技术和平行因子方法（PARAFAC）探究秸秆腐解产物DOM的化学组成变化特征。结果表明：（1）总体上，草酸钙处理的秸秆腐解物总碳含量显著大于氢氧化钙处理；高量添加剂处理的秸秆腐解产物总碳含量小于低量处理；花生秸秆腐解产物的总氮、总磷和总钾高于水稻秸秆腐解产物。（2）通过3DEEM-PARAFAC方法分析腐解产物DOM组成，共识别出类胡敏酸（C1）、类胡敏酸（C2）和类色氨酸（C3）三种荧光组分；不同添加剂类型、添加量和不同秸秆类型对腐解产物DOM荧光组分的影响较为复杂，没有明显规律，但是总体上氢氧化钙处理的秸秆腐解产物DOM的C1和C2组分比例大于草酸钙处理，而草酸钙处理的秸秆腐解产物DOM的C3组分比例显著高于氢氧化钙处理；秸秆腐解产物DOM中组分C1、C2与组分C3呈显著负相关；组分C2含量与总碳含量呈显著负相关。（3）氢氧化钙处理的秸秆腐解产物DOM的腐殖化指数（HIX）明显高于草酸钙处理，而草酸钙处理的秸秆腐解产物DOM生物源指数（BIX）明显高于氢氧化钙处理；高量草酸钙处理秸秆腐解产物DOM主要来自于微生物的转化，而其他处理DOM来自于微生物转化和陆生植物；不同添加量处理下秸秆腐解产物DOM的荧光指数没有明显变化规律；花生秸秆腐解产物DOM的HIX、BIX和荧光指数（McKnight index）均高于水稻秸秆；秸秆腐解产物DOM中McKnight和HIX 呈显著负相关，和BIX间呈极显著正相关，而秸秆腐解产物DOM中BIX和总碳含量呈显著正相关。上述结果表明，氢氧化钙可以促进秸秆腐解以及腐解产物的腐殖化，其中高量氢氧化钙处理的花生秸秆效果较好。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 118-124 [摘要] ( 11 ) RICH HTML PDF (3799 KB) ( 5 ) |
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| 125 | 红外、拉曼光谱的变压器油中糠醛检测方法对比研究 |
| | 李 杰，周 渠*，贾路芬，崔萧森 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0125-09 |
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| 变压器油中的糠醛含量是电力变压器中绝缘老化的重要指标之一，在物质有效识别上红外及拉曼光谱具有检测速度快、分析速率快及无损检测等优势，开展了基于红外、拉曼光谱的变压器油中糠醛检测方法对比，探究适用于变压器油中糠醛红外、拉曼光谱的预处理及定量分析方法。基于傅里叶变换红外光谱仪和激光共聚焦拉曼光谱仪器对实验室配置的糠醛变压器油样检测并采集其光谱数据，采用小波变换、多项式最小二乘法和局部加权回归拟合对采集到的红外及拉曼光谱图进行预处理，综合考虑噪声、分辨率及有效信息丢失等，确定了多项式最小二乘法预处理效果最佳。基于高斯软件建立了糠醛分子模型，通过密度泛函仿真计算，研究了糠醛的红外及拉曼光谱吸收峰归属，结合实验测试光谱图，确定了变压器油中糠醛拉曼、红外检测特征峰分别为1 703和1 704 cm-1。开展了红外及拉曼检测的重复性实验，两种检测方法的相对标准偏差分别为7.21%、8.67%。通过绘制糠醛红外及拉曼的3D原位光谱图，分析红外及拉曼特征峰面积与不同糠醛浓度变压器油之间的关系，基于最小二乘法建立了变压器油中糠醛检测的红外及拉曼定量分析模型，拟合优度分别为0.998和0.885。对比两种检测方法的定量分析模型预测结果，表明拉曼光谱法检测下限低于红外光谱法，通过多项式最小二乘法预处理的光谱数据所构建的变压器油中糠醛检测红外及拉曼定量分析模型可以很好地预测变压器油中糠醛含量，为相关领域研究提供技术参考。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 125-133 [摘要] ( 18 ) RICH HTML PDF (14938 KB) ( 6 ) |
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| 134 | 水化学离子对溶解有机物三维荧光光谱影响及分类预处理方法 |
| | 雷宏军1, 杨 光1, 潘红卫1*, 王逸飞1, 易 军2, 王珂珂2, 王国豪2, 童文彬1, 史利利1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0134-07 |
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| 三维荧光光谱在水环境原位监测领域具有广阔的应用前景。但由于其预处理方法简单，不能完全排除水环境中水化学离子的干扰，会降低水质识别结果的准确性。目前尚无相关研究对这种干扰情况进行分类。为定量解释天然水环境中水化学离子对溶解性有机质（DOM）荧光特性的干扰，本研究以腐殖酸为研究对象，设置不投加离子为对照，其他样品中分别投加3种离子浓度（1~100 mg·L-1）的9种水化学离子（Na+、Cl-、NO-3、Ca2+、Mg2+、K+、CO2-3、HCO-3、SO2-4）。通过平行因子法和区域积分法对不同离子浓度下DOM荧光光谱数据进行解析，得到水化学离子对DOM荧光特性（荧光区域积分、组分最大荧光强度、荧光参数）的影响。根据对荧光特性的影响程度，采用系统聚类分类方法，将水化学离子的干扰作用分为三类：第一类 （10、100 mg·L-1 CO2-3），增强；第二类（10、100 mg·L-1 SO2-4和100 mg·L-1 NO-3），减弱；第三类 （1、10 mg·L-1 NO-3、未添加离子、1 mg·L-1 CO2-3、SO2-4和1、10、100 mg·L-1 Ca2+、Mg2+、K+、HCO-3、Na+、Cl-），无显著影响。结果表明，当天然水环境中的水化学离子属于第三类离子时，可采用三维荧光光谱进行水环境监测。在其他情况下，应优先考虑在预处理过程中去除水化学离子干扰的方法，例如离子回旋共振质谱法等；或者加强三维荧光光谱技术与其他技术的联合，在减少单一技术局限性的同时，获得更全面的信息。该研究为还原真实荧光光谱提供了数据基础，为三维荧光与其他技术的联合应用提供科学依据。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 134-140 [摘要] ( 16 ) RICH HTML PDF (22558 KB) ( 7 ) |
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| 141 | 激光诱导击穿光谱技术对钕铁硼永磁材料中多元素的定量表征 |
| | 刘 佳1, 2，郭飞飞2，于 雷2，崔飞鹏2，赵 迎2，韩 冰2，沈学静1, 2，王海舟1, 2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0141-07 |
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| “磁王”钕铁硼是现今性能最为优异的永磁体，因其优异的磁性能被广泛应用于工业互联网、新能源、5G通讯等诸多高新科技领域。目前研究钕铁硼材料中元素成分的主要分析方法有电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）和X射线荧光光谱（XRF），其中ICP-OES是湿法分析，样品前处理复杂，测试周期长，而XRF法可实现直接分析，但受制于其轻元素的检测能力很难满足对钕铁硼材料中主要轻元素B的分析需求。激光诱导击穿光谱（LIBS）技术具有分析效率高，样品前处理简单，多元素直接分析，适用于现场分析、在线分析等技术优点，使其在快速定量表征方面展现出其独有的优势。运用LIBS分析技术开展对钕铁硼材料中多元素定量表征的直接、快速分析的方法研究，首先针对钕铁硼材料中定量表征的九个元素Nd、Co、B、Dy、Tb、Pr、Cu、Al、Ga完成特征谱线的筛选，通过对系统激光器电压、激光剥蚀方式等因素在不同条件下对钕铁硼材料光谱信号稳定性的影响分析，优化并确立了分析条件，最终选用720V的激光器电压，15个预剥蚀脉冲15个剥蚀脉冲的激光剥蚀方式为钕铁硼样品的分析条件；其次，选取8个通过ICP-OES法定值的烧结钕铁硼样品，样品具有元素成分的梯度差异化特征，作为建立分析方法的标准样品，采用标准曲线法通过相对强度与浓度的关联方式，建立钕铁硼样品中Nd、Co、B、Dy、Tb、Pr、Cu、Al、Ga九个元素的定量分析校准曲线；最后选取两个烧结钕铁硼试样，运用建立的定量分析方法完成九个元素的定量表征，分析时间小于30 s，其定量结果与ICP-OES法测定结果的比对，具有较好的一致性。运用激光诱导击穿光谱分析技术实现了对钕铁硼材料中多元素成分的直接、同时、快速定量表征，为钕铁硼材料的快速定量表征提供了新的技术思路和表征方法。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 141-147 [摘要] ( 16 ) RICH HTML PDF (6901 KB) ( 5 ) |
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| 148 | 基于改进哈里斯鹰优化算法的光谱特征波段选择模型研究 |
| | 鲍 浩1, 2，张 艳1, 2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0148-10 |
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| 特征波段选择是近红外光谱分析的关键步骤之一，有效的特征波段选择能提高建模效率与模型性能。传统的特征波段选择算法存在运行时间长、选择特征冗余的缺陷，在实际工程应用中难以达到期望的效果。哈里斯鹰优化（HHO）算法具有原理简单、参数少的优点，但同时也存在收敛精度低且易陷入局部最优的不足。在HHO算法的基础上提出了一种基于改进哈里斯鹰优化（IHHO）算法的近红外光谱特征波段选择模型。针对HHO算法只能用于求解连续空间的优化问题，采用离散化策略对HHO算法进行修正，使其能求解离散形式的特征波段选择问题；考虑到HHO算法初始种群的质量差，使用混沌映射、反向学习提高初始种群的质量，以增强算法的全局探索能力；由于HHO算法在局部搜索时的收敛精度低，提出了新的猎物能量衰减模型与跳跃策略，以进一步增强算法在局部搜索时的寻优能力；为避免算法在寻优过程中落入局部最优，借鉴了遗传算法的变异方式对HHO算法进行扰动。使用竞争性自适应重加权采样法（CARS）、连续投影算法（SPA）、粒子群优化（PSO）算法、遗传算法（GA）、HHO算法与IHHO算法进行比较，并以4个定性分析近红外光谱数据集与2个定量分析近红外光谱数据集分别建立了支持向量机（SVM）识别模型和偏最小二乘回归（PLSR）模型。在定性分析实验中，IHHO算法得到的平均准确率相对于全波段时分别提高了0.83%、9.55%、17.65%以及0%，平均特征波段数仅占全波段的9.97%、2.59%、1.36%以及0.59%。在定量分析实验中，IHHO算法得到的平均决定系数分别较全波段提高了10.57%、1.47%、4.41%、3.66%以及3.06%，平均均方根误差分别较全波段较低了0.162、1.266 3、1.868、1.869 4以及0.408 4，平均特征波段数仅占全波段的9.24%、10.53%、6.54%、6.91%以及7.14%。实验结果表明，IHHO算法在选择特征波段时能够去冗余，针对性选择最重要的特征波段，其性能均优于比较的几种算法。IHHO算法具有良好的应用前景。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 148-157 [摘要] ( 16 ) RICH HTML PDF (20864 KB) ( 14 ) |
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| 158 | 基于SMOTE和Inception-CNN的种植和组培金线莲鉴别 |
| | 蓝 艳1，王 武1，许 文2，柴琴琴1*，李玉榕1，张 勋2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0158-06 |
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| 金线莲是一种珍贵中药材，其治疗、保健作用十分显著。金线莲培育方式主要有种植、组培等，不同培育方式的金线莲，在性状上仅表现出细微差异，但药用、市场价值差异显著，培育方式鉴别能有效保证药用疗效、维护良好市场秩序，然而由于不同品系、产地、培育时间等复合差异的影响，增加了培育方式鉴别难度与复杂度。提出一种基于改进1D-Inception-CNN模型的金线莲培育方式鉴别方法。采用近红外光谱仪采集种植、组培金线莲的光谱，首先使用合成少数类过采样技术（SMOTE）进行过采样以解决种植品、组培品样本比例不平衡问题，其次构建基于改进Inception结构的一维卷积神经网络对来自不同品系、产地、培育时间的金线莲进行种植品、组培品鉴别，最后采用贝叶斯优化方法对构建的卷积神经网络模型超参数进行优化；最终五折交叉验证平均鉴别准确率、精确率、召回率、综合评价指标高达97.95%、96.16%、100%、98.02%。研究表明，实验提出的鉴别模型为快速鉴别金线莲种植品、组培品提供一种有效方法。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 158-163 [摘要] ( 14 ) RICH HTML PDF (4506 KB) ( 3 ) |
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| 164 | 纤维素拉曼光谱的单体仿真方法研究 |
| | 王新强1, 3，储佩珠1, 3，熊 伟2, 4，叶 松1, 3，甘永莹1, 3，张文涛1, 3，李 树1, 3，王方原1, 3* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0164-05 |
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| 纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，是世界上最丰富、最便宜、最容易获得的天然聚合物。纤维素作为最古老最丰富的天然高分子在研究中备受关注，纤维素的可控性取决于其分子量、大小和结构，而拉曼光谱具有“指纹特性”，可以对不同的纤维素纤维进行鉴别，也能对历史老化的纺织纤维材料进行鉴别。然而纤维素作为大分子多糖对其做理论仿真较为困难，该研究提出采用基本单元模拟大分子光谱这一方案，使用纤维素单体仿真拉曼光谱来分析纤维素大分子的光谱性质。使用Gaussian 16软件基于密度泛函理论，在B3LYP/6-31g(d, p)的基组条件下，计算了不同外电场(-0.01～0.03 a.u.)下的纤维素单体的拉曼光谱，以及纤维素双链节的拉曼光谱。研究表明，在无外电场作用下，纤维素单体的拉曼光谱主要在449、597、842、1 127、1 361、1 395和3 005 cm-1处有特征峰，对其做振动分析，结果表明这些拉曼峰分别是由环 (C6—C4—O20) 伸缩振动、C—C—H扭曲振动、环(C4—O20—C2) 伸缩振动、糖苷键(C2—O1—C8)的伸缩振动、CH2的弯曲振动、CH2的弯曲振动、CH2的伸缩振动产生。通过与实验值比较，纤维素单体仿真拉曼光谱与天然纤维素的实测拉曼光谱相吻合，故可通过对纤维素单体的第一性原理计算来反映纤维素大分子的拉曼光谱特性。当外电场由负方向变为正方向且逐渐增大时，597 cm-1对应的环C—C—H扭曲振动的振幅无明显变化，以无电场为基准，施加外电场时，振动能量减小光谱红移；1 127 cm-1对应的糖苷键(C2—O1—C8)的伸缩振动振幅明显减小，光谱呈蓝移；CH2的弯曲振动在1 395 cm-1处的特征峰光谱呈蓝移，在1 361 cm-1处产生的光谱先蓝移再红移又再次蓝移，推测是弯曲振动区域更容易受到骨架振动和环境变化的影响。对比纤维素单体与双链节拉曼光谱的差异，除单体明显的特征峰外，双链节分子的在1 041和151 cm-1处有明显的特征峰，其分别为仲醇C—O伸缩振动，C—O—H弯曲振动所产生，可对纤维素单体的拉曼光谱进行补充说明。这些结论为研究纤维素在外电场作用下的光谱提供理论依据，同时为其他大分子聚合物的拉曼光谱研究分析提供一种新的方法。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 164-168 [摘要] ( 12 ) RICH HTML PDF (3420 KB) ( 3 ) |
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| 169 | 新疆和田玉子料表皮次生矿物谱学研究 |
| | 刘淑红1, 2, 王露丝3*，王礼胜3，康志娟1, 2，王 磊1, 2，徐 麟1, 2，刘爱琴1, 2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0169-07 |
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| 和田玉子料是经过长期的河流冲刷、搬运、沉积而成的和田玉次生矿石，因独特的皮色特征深受消费者喜爱。一段时期以来，和田玉子料价格不断上涨导致市场上出现不少人工制作的和田玉仿子料。对和田玉子料与仿子料的鉴别成为了消费者、从业者乃至鉴定实验室经常面临的难题。选用一组具有代表性的新疆和田玉子料样品开展研究，这些样品来源可靠并根据形态学和皮色分布特征进行了子料属性的确认，在此基础上通过宝石显微镜观察、激光拉曼光谱测试、红外光谱测试、X射线粉晶衍射光谱测试和紫外-可见光漫反射光谱测试对和田玉子料表皮的次生矿物进行了研究。宝石显微镜观察结果表明，和田玉子料表皮除了可见红-黄色皮及棕褐色树枝状矿物集合体外，可见裂隙内存在平行排列的片状矿物集合体，表皮凹坑内存在纤维状矿物、具极完全解理面矿物和不均匀薄膜状分布矿物等次生矿物。拉曼光谱测试表明，和田玉子料表皮基础矿物与其内部主要矿物一样仍为透闪石。和田玉子料表皮拉曼光谱的荧光强度和被测试区域的风化程度有关，强烈风化作用产物的荧光不仅使次生矿物的拉曼谱峰被掩盖，甚至使表皮原生矿物透闪石的次要谱峰也被弱化。红外光谱和X射线粉晶衍射测试显示，和田玉子料样品裂隙内、凹坑内等表皮部位存在的片状集合体、纤维状、具极完全解理以及呈薄膜状分布的次生矿物均为斜绿泥石。红、黄色皮紫外-可见光漫反射光谱的一阶导数谱图具430 nm附近和520～541 nm附近的谱峰，部分样品有575 nm附近的谱峰，指示着致色矿物为针铁矿和赤铁矿。子料的表皮次生矿物谱学研究表明，子料在大气、水等地质营力的长期作用下经历了一系列表生地质作用，形成了斜绿泥石、针铁矿等次生矿物，为子料和仿子料的鉴别提供了科学依据。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 169-175 [摘要] ( 15 ) RICH HTML PDF (20116 KB) ( 8 ) |
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| 176 | 新疆和田硬水铝石-蓝宝石谱学研究 |
| | 刘 佳，郑亚龙，王成博，尹作为*，潘少逵 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0176-05 |
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| 研究一种以籽料形式出现的被称为蓝色和田玉的宝石，其产量稀少，市场价格极高。因无前人研究，无规范命名，交易市场中其商业名称混乱。使用静水称重确定其相对密度为3.85 g·cm-3，长波紫外灯下，白色矿物部分呈橘色荧光，其他部位荧光为惰性。经显微观察，样品可见平直蓝色-白色色带、角状蓝色-白色色带以及深蓝-浅蓝色带，并可见大量白色脉状矿物。经正交偏光及微分干涉观察，确定脉状矿物与基底为不同矿物，且形成于基底之后。使用显微红外光谱仪，确定蓝色基底和白色色带红外吸收峰位于812/817、652/655、613/620 cm-1，符合刚玉特征振动；脉状矿物可见3 019、2 950、2 129、1 990、1 121、1 030、799、733、648和598 cm-1吸收，符合硬水铝石特征振动。通过显微紫外-可见-近红外分光光度计测定样品不同部位吸收光谱，其中白色色带未见明显吸收，脉状矿物见Fe3+的d电子跃迁6A1→4E, 4A1(4G)导致的429和453 nm吸收及OH振动引起的1 810、2 030和2 235 nm吸收，蓝色基底部位分别见Fe3+的d电子跃迁6A1→4E, 4A1(4G)、Fe2+-Ti4+离子对电荷转移及Fe2+-Fe3+离子对电荷转移导致的421/418、562/566和702/709及868/889 nm吸收，且随着颜色加深，蓝区421 nm吸收发生蓝移，500～900 nm吸收发生红移，且吸收峰积分面积增加。通过X射线粉晶衍射定量分析确定样品中蓝宝石占比约66.9%，硬水铝石占比约33.1%，根据国家标准珠宝玉石名称（GB/T 16552—2017），建议命名为硬水铝石-蓝宝石。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 176-180 [摘要] ( 16 ) RICH HTML PDF (33434 KB) ( 14 ) |
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| 181 | 墨西哥黄绿色磷灰石的宝石学和光谱学研究 |
| | 顾一露1, 2，裴景成1, 2*，张誉慧1, 2，尹希严1, 2，余敏达1, 2，赖潇静1, 2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0181-07 |
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| 墨西哥Durango地区是宝石级氟磷灰石最丰富的产地之一，对该地磷灰石的研究集中于地质年代学和矿物学标准，宝石学和光谱学资料较少。作为一种发光材料，早期学者主要利用激光诱导的光致发光光谱对未知产地的磷灰石进行研究，缺乏三维荧光光谱的研究。采用基础的宝石学测试、LA-ICP-MS化学成分分析、红外吸收光谱、激光拉曼光谱、显微紫外-可见-近红外吸收光谱以及三维荧光光谱测试，系统性地对收集到的9颗墨西哥Durango磷灰石进行宝石学和谱学研究，旨在丰富墨西哥磷灰石的光谱学研究数据，并为产地鉴别提供科学依据。化学成分研究表明墨西哥磷灰石中稀土元素丰富，含量较高的La、Ce、Pr、Nd和Sm元素，平均含量分别达3 956、5 430、472、1 596和213 μg·g-1，具有明显的轻稀土元素富集，重稀土元素亏损的特点，δEu平均值为0.29，负Eu异常显著，Ca/P摩尔比接近岩浆磷灰石的标准值1.68，为岩浆作用的产物，且形成岩浆处于中等还原状态。红外吸收光谱指纹区606和575 cm-1吸收峰强度随方向的变化具有明显的规律性，能为晶体定向提供依据，官能团区显示3 482、3 538和3 556 cm-1结构水相关的吸收峰。紫外-可见-近红外吸收光谱中，由Nd3+导致的528 nm的单峰和578 和585 nm的双峰共同造成了黄绿区明显的透过窗，推测黄绿色体色由Nd3+造成；紫外光区298 nm的吸收峰是造成可见光紫区吸收边的原因，推测由Ce3+导致。三维荧光光谱最强荧光峰（λex300 nm/λem356 nm）由Ce3+的电子跃迁造成，红光区603和647 nm的发射峰由Pr3+和Sm3+的电子跃迁造成，与紫外灯下观察到的暗红色荧光现象相对应，推测暗红色荧光由Pr3+和Sm3+造成。该研究中系统的光谱学特征丰富了墨西哥产地磷灰石的谱学数据，并为产地溯源提供了科学依据。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 181-187 [摘要] ( 15 ) RICH HTML PDF (9809 KB) ( 21 ) |
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| 188 | 唐古特大黄FTIR的双指标序列分析及抗炎谱效关系研究 |
| | 郭亚菲1，曹 强1，叶蕾蕾1，张成园1，寇仁博1，王君梅1，郭 玫1, 2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0188-09 |
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| 对于中药材的质量控制研究是中医药现代化的主要研究内容之一。唐古特大黄是一种常用中药，目前对唐古特大黄的质量控制研究多集中在总蒽醌类成分、游离蒽醌类成分以及指纹图谱，基于抗炎效果的质量标准研究尚为少数。采集不同产地、不同采收时间的18批唐古特大黄药材，对其粉末进行傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究，发现16个共有峰，18批次之间具有较高的相似性（0.798～0.900），相同产地（甘南产、青海产）的唐古特大黄相似度较高（相似度大于0.900的达80%以上），但两产地之间的相似度相对较低（相似度大于0.900的仅为69.44%），结合聚类分析发现不同产地唐古特大黄FTIR谱图存在一定差异性，产地可能是主要影响因素。建立双指标分析序列，可在一定程度上区分药材不同产地。脂多糖（LPS）刺激RAW264.7细胞建立炎性细胞模型，以NO抑制率作为炎性指标，测定不同批次唐古特大黄的NO抑制率。以共有峰透过率作为X，NO抑制率作为Y，采用SMICA14.1软件构建PLSR模型建立谱效关系，谱图中X14、X15、X11、X2四个共有峰VIP＞1，其中X2与抗炎效果呈正相关关系，X14、X15、X11与抗炎效果现负相关关系。进一步建立数学模型得共有峰（X）与NO抑制率（Y）的关系Y=237.618+2.992X2-0.845X4+2.979X6-3.722X7+0.433X8-0.957X12-0.759X14-0.632X15（p=0.003＜0.01，R=0.935），p＜0.01代表构建数学模型有意义，R=0.935代表所构建数学模型可解释93.5%的数据。可知X2、X6与抗炎效果呈正相关关系，X4、X7与抗炎效果呈负相关关系，可预测体外抗炎效果，准确率达93.5%，但由于样本量过小，仅可用于解释本研究纳入数据。X6是由甲基的β(C—H)产生，可能与大黄素、大黄酸、大黄素甲醚、芦荟大黄素等蒽醌类成分有关。该研究将抗炎活性与红外光谱数据相结合，引入唐古特大黄质量评价体系，为唐古特大黄产业的健康发展提供新思路。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 188-196 [摘要] ( 14 ) RICH HTML PDF (3404 KB) ( 2 ) |
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| 197 | 无人机多光谱影像的小麦倒伏信息多特征融合检测研究 |
| | 朱文静1, 2，冯展康1, 2，戴世元1, 2，张平平3，嵇 文4，王爱臣1, 2，魏新华1, 2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0197-10 |
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| 为探究多特征融合方法在作物倒伏领域快速精准识别中的适用性，利用无人机获取多田块冠层尺度的不同倒伏率麦田多光谱数据，对原始倒伏图像进行图像拼接、辐射校正、几何校正等预处理，并利用重归一化差值植被指数和阴影指数分别剔除土壤和阴影背景，提取小麦倒伏DSM模型和植被指数分别与多光谱图像进行多特征图像主成分变换融合，筛选差异性较大的纹理特征，采用支持向量机（SVM）、人工神经网络（ANN）和最大似然法（MLC）监督分类模型对多光谱和DSM融合图像、多光谱和归一化植被指数（NDVI）融合图像、多光谱图像和纹理特征图像进行监督分类，并采用总体精度（OA）、Kappa系数和提取误差综合评价各监督模型的分类性能和倒伏提取精度。分类结果表明：各监督分类方法在不同倒伏区域提取结果建模效果趋势一致，SVM和ANN整体提取精度高于MLC，在高倒伏区域，多光谱与NDVI融合图像的SVM监督模型（OA：92.63%，Kappa系数：0.85，提取误差：1.11%）提取效果最好；在中倒伏区域，多光谱与DSM融合图像的SVM监督模型（OA：90.35%，Kappa系数：0.79，提取误差：9.34%）提取效果最好；在低倒伏区域，均值纹理特征图像的ANN监督模型（OA：91.05%，Kappa系数：0.82，提取误差：8.20%）提取结果较好。本研究将DSM模型、植被指数、纹理特征与多光谱图像进行融合对比，并对多特征融合方法能否高精度有效提取小麦倒伏信息进行了探究，结果表明无人机多光谱遥感结合特征融合技术能有效提取小麦倒伏面积，提取效果优于单特征小麦倒伏图像。本研究结果可为助力小麦倒伏灾情调查数据的精确获取方法提供参考。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 197-206 [摘要] ( 11 ) RICH HTML PDF (35414 KB) ( 9 ) |
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| 207 | 无人机遥感的多植被指数土壤水分反演模型 |
| | 李 虎1, 钟 韵1, 2, 冯雅婷1, 林 震1, 朱士江1, 2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0207-08 |
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| 土壤水分是影响农业生产的重要因素, 在作物生长发育和最终产量上起着至关重要的作用，快速、高效地估算土壤水分已成为农林水资源监测的热点问题。利用高光谱反射率的特征波段计算植被指数、构建土壤水分反演模型已获得广泛的认可和应用。针对反演土壤水分受植被覆盖度影响较大的问题，提出用多种植被指数组合削弱植被覆盖度对土壤水分反演的影响。在宜昌市仓屋榜试验基地选取30组柑橘树，在果树滴落线处收集土壤，通过烘干法测定土壤质量含水率，采样4次，共计120组土壤含水率；并利用ASD Field Spectral FR光谱仪（波长范围325~1 075 nm）及大疆精灵4多光谱版无人机获取了120组试验区蓝、绿、红、红边、近红外及短波红外波段光谱反射率，采用移动平均法对光谱数据进行降噪预处理，通过灰色关联法对9种植被指数进行比较分析，筛选出与土壤水分极显著相关的4种植被指数（p<0.01），各指数与土壤水分的相关性从高到低依次为裸土指数(BSI) 、归一化蓝绿差异植被指数(NGBDI) 、绿色归一化指数(GNDVI)、归一化差异植被指数(NDVI)，其中BSI与土壤水分的相关性最高，相关系数为-0.687（N=120）。采用线性逐步回归法和非线性BP神经网络法建立了基于多种植被指数的土壤水分反演模型，依据决定系数（R2）、相对误差绝对值（ARE）、均方根误差（RMSE）作为反演模型的精度评价指标。结果表明：逐步回归模型和BP神经网络模型的土壤水分反演值与实测值之间的R2分别为0.816、0.889，RMSE分别为2.54%、1.53%，ARE分别为21.13%、8.88%，利用多植被指数组合的非线性BP神经网络算法基于植被指数建模对土壤水分反演的精度更高，在一定程度上可以克服植被覆盖度不同对土壤水分反演精度的影响，作为直接测定土壤水分的有效替代方法，为农业灌溉定量决策及科学管理提供科学参数。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 207-214 [摘要] ( 14 ) RICH HTML PDF (3072 KB) ( 10 ) |
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| 215 | 卷积神经网络结合改进光谱处理方法用于马铃薯病害检测 |
| | 李欣庭，张 峰，冯 洁* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0215-10 |
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| 针对马铃薯早疫病不同染病时期光谱数据受到杂散光和噪声等因素的干扰，以及波段数众多、数据量大且谱带复杂会对光谱的定量和定性分析产生不利影响，研究9种光谱预处理方法，结合实验结果，将预处理方法进行排列组合，扩展改进为16种光谱预处理方法，并与连续投影算法、竞争自适应重加权算法和遗传算法3种特征波段提取方法进行组合得到64种光谱处理方法对原始光谱数据进行优化处理。在卷积神经网络（CNN）分类模型中，大部分经过光谱处理方法优化后的光谱数据分类精度相比原始数据的总体分类精度86.67%明显提高，其中12种光谱处理方法的分类精度达到100%，实现对马铃薯早疫病不同染病时期的理想分类。为进一步对马铃薯早疫病不同染病时期进行定量分析，将经过光谱处理方法处理后的光谱数据使用构建的CNN定量估算模型进行定量分析，结果表明，光谱预处理在优化数据的同时，也会损失数据中对目标变量有用的光谱信息，从而导致经过光谱分析方法处理后的数据结果相对于原始光谱数据的R2和RMSE会出现下降的结果，通过研究使用的融合光谱处理方法对原始光谱数据优化能够进一步提升模型性能，其中基于均值中心化、多元散射校正、移动平均平滑相结合的光谱处理方法的CNN定量估算模型取得了最好的结果，其R2为1说明估算的马铃薯早疫病不同染病时期和实际值拟合程度达到100%拟合，其RMSE仅为0.001 1，表明马铃薯早疫病不同染病时期的估算值与真实值之间的偏差接近0，说明该模型能够对马铃薯早疫病不同染病时期进行完美预测。结果表明提出的CNN能够对马铃薯早疫病不同染病时期进行有效地分类检测和定量分析，将各类预处理和特征波段提取方法按优化目的进行有效组合能够有效提高建模效果，为农作物病害无损、精准、智能化检测提供理论和技术支持。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 215-224 [摘要] ( 12 ) RICH HTML PDF (12868 KB) ( 3 ) |
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| 225 | 基于X射线荧光光谱法快速鉴定贵州不同地区林下土壤的无机元素 |
| | 韩 雪1, 2, 刘 海1, 2, 刘佳微3, 吴明开1, 2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0225-05 |
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| 无机元素通过改变农作物生长过程中的次生代谢途径而对农作物的产量和质量造成至关重要的影响。贵州环境特点复杂，不同地区林下土壤的无机元素差异大，因此，寻找一种快速有效的方法来鉴定贵州不同地区林下土壤无机元素差异，为林下种植农作物的品种选择以及种植要求提供理论依据十分必要。研究针对贵州7个地区的12份林下土壤，采用X射线荧光光谱法（XRF）对其中无机元素进行检测，并选择了SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Ti、K2O、Co、P、Zn、Cl这11个与植物生长发育息息相关的无机元素对土壤种植农作物的适应性进行评价，结果表明：贵州不同地区林下土壤中共含有23种元素成分，其中Si、Al、Fe等常量元素占据了土壤中的70%左右，甚至有些地区超过了90%以上；聚类分析发现土壤中无机元素与地区有一定的相关性，当欧氏距离为6时，可聚为4类；主成分分析的结果显示，毕节市大方县与黔东南州黎平县的土壤的得分更高，有利于林下作物的种植，可能为林下种植类产业重点发展的区域。X射线荧光光谱法能够快速、简便、有效地鉴定土壤中多种无机元素的成分，探究贵州林下土壤的元素特征差异，为林下农作物种植提供参考依据。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 225-229 [摘要] ( 11 ) RICH HTML PDF (3206 KB) ( 8 ) |
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| 230 | 分布式多光谱高温计光学系统设计 |
| | 张南楠1, 3，陈茜雅1，常馨方1，邢 键1，郭佳博1，崔双龙1*，刘奕彤2*, 刘志军1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0230-04 |
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| 多光谱辐射测温技术具有不干扰被测场、测量无上限以及响应速度快等优点，是高温测量领域的最有力工具之一。目前，多光谱高温计以点温测量为主，光路通过物镜、光阑、棱镜等光路通道将待测点辐射分光后进入探测器阵列，实现单点的多光谱信息采集。随着工业智能化程度的不断提高，更加需要实时获得大量的温度分布信息，如特种金属材料的冶炼过程、高温合金激光自动焊接过程、半导体晶体生长过程、火箭发动机尾喷焰温度诊断等领域都需要实时获得某条线乃至整个二维表面的温度，从而提高产品性能和质量，因此通过多光谱辐射测温技术测量待测表面某条线的温度分布十分重要。但是，简单将光阑变为狭缝，实现待测线表面的辐射经透镜、棱镜等传统光路分光后，由于光学系统球差的作用，会使得分光后的狭缝光谱由于离轴传输而呈现严重的弯曲现象，不利于矩形光电探测器阵列的完全接收。为此，提出基于正交柱状透镜组的多光谱线温光路系统，利用正交柱状透镜在不同位置成像可以实现由圆到椭圆再到直线的特殊作用，较好地解决了传统多光谱辐射高温计光路所存在的球差问题。利用ZEMAX光学设计软件，基于S4111-16Q的光电探测器阵列实际大小进行反向光学系统设计，确定了狭缝、物镜、棱镜、正交柱状透镜等光学器件关键的参数，基于这些参数所实际加工的光学器件，搭建了多光谱线温高温计光学系统，并进行了无正交柱状透镜和有正交柱状透镜成像情况下的对比实验，结果表明，在没有柱状透镜的情况下，狭缝成像明显弯曲，在加入正交柱状透镜的情况下，狭缝成像弯曲现象消失，经狭缝分光后的线光谱明显呈直线状态，这为整条线的光谱辐射信息完整进入各探测器阵列提供了技术支撑，从而为后续线温测量提供了有力的光谱辐射数据信息。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 230-233 [摘要] ( 11 ) RICH HTML PDF (7265 KB) ( 6 ) |
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| 234 | 基于深度学习、小波变换和可见光谱的茶树冻害程度评估 |
| | 李 赫1，王 玉2，范 凯2，毛艺霖2，丁仕波3，宋大鹏3，王梦琪3，丁兆堂1* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0234-07 |
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| 茶树冻害鉴定是评价茶树抗逆性、指导茶园越冬管理的基础。茶树冻害鉴定的传统方法主要通过人工观察茶树叶片的冻害数量和冻害程度，存在准确率低，效率低，主观性强等缺点。提出一种基于深度学习、小波变换和可见光谱的茶树冻害程度评估框架。首先，采集了1 000张茶树受冻后的树冠图像，并且按照4∶1分为训练集和测试集，并对训练集图像的冻害叶片进行标注。其次，采用Faster R-CNN网络对茶树的冻害叶片进行识别提取，并且分别选择了AlexNet、VGG19和ResNet50三种特征提取器，选择鲁棒性最高的特征提取器作为主干网络。然后，将提取到的茶树冻害叶片图像进行小波变换增强处理，从而得到了一张低频率和三张高频率的图像。将小波变换处理后的图像和未经小波变换处理的图像分别输入到VGG16、SVM、AlexNet、ResNet50等网络对冻害叶片进行分级，比较四种网络的分类性能。根据冻害叶片的数量、冻害叶片的程度，不同冻害程度叶片的权重系数，对茶树受冻程度打分，从而对茶树整体的冻害程度进行评估。结果表明：（1）基于ResNet50的Faster R-CNN模型提取茶树冻害叶片的性能最好，其查准率为93.33%，查全率为92.57%，高于VGG19和AlexNet作为主干网络的识别性能，可以确保大多数的冻害叶片都能被提取出来，并为叶片的冻害程度进一步分级提供基础。（2）VGG16模型分类不同冻害程度的叶片的整体准确率为89%，高于其他模型（SVM、AlexNet、ResNet50）的整体分类准确率，表明VGG16模型具有较高的鲁棒性。（3）小波变换处理后的冻害叶片图像与未经小波变换处理后的冻害叶片相比较，能提升模型的整体分类准确率2%～6%。说明小波变换增强技术可以提高网络的准确率。因此，本实验框架可以准确和高效地将茶树冻害叶片进行分级，对于茶园冻害程度的评估具有重要价值，为北方茶园的越冬防护提供技术支撑。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 234-240 [摘要] ( 16 ) RICH HTML PDF (34276 KB) ( 13 ) |
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| 241 | 基于高光谱图像波段融合的猕猴桃软腐病早期分类检测 |
| | 高宏盛1，郭志强1*，曾云流2，丁 港2，王逍遥2，李 黎3 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0241-09 |
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| 软腐病是猕猴桃采后贮藏和销售过程中危害最严重的真菌病害，其潜伏期长，在染病早期还未表现出明显病状时，依靠人工筛选很难将其分类。为此应用高光谱成像技术（470～900 nm）对软腐病的早期分类检测展开研究。采集了健康猕猴桃以及感染软腐病的早期和晚期猕猴桃共295个高光谱图像，并采用Kennard-Stone算法将样本按照7∶3划分为训练集和测试集样本。首先对样本进行感兴趣区域的选择，然后取该区域的平均光谱作为样本的原始光谱曲线。对原始光谱曲线采用主成分分析（PCA）、连续投影算法（SPA）和竞争性自适应重加权算法（CARS）进行光谱特征的提取。与此同时，对SPA求解过程中的8个特征波段使用非下采样轮廓波变换（NSCT）进行波段融合获得融合图像，然后使用灰度共生矩阵法（GLCM）提取融合图像的纹理特征。最后将光谱特征和纹理特征进行融合并分别建立最近邻算法（KNN）、随机森林（RF）以及支持向量机（SVM）分类模型进行猕猴桃软腐病的早期分类检测。此外，还与其他文献中使用主成分图像或特征波段提取的纹理特征进行了对比。该研究主要创新点为：使用NSCT对特征波段图像进行融合后再提取其纹理特征，既降低了特征维度，减少了特征冗余，又融合了不同波段图像的互补信息，提高了分类准确率。实验结果表明，SVM是最适合该研究的分类器，单独使用光谱特征或纹理特征进行分类的结果都不够理想，但两种特征融合后分类准确率最高可达到92.05%，多数猕猴桃软腐病早期样本得到了正确识别，这说明两种特征的融合获得了高光谱图像中光谱和图像的差异性信息，体现了高光谱图像的“空谱合一”。该研究对软腐病早期猕猴桃进行了快速、准确的无损检测，可为猕猴桃的采后品质分级提供一定的参考和指导意义。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 241-249 [摘要] ( 10 ) RICH HTML PDF (14992 KB) ( 5 ) |
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| 250 | 基于PSIM机载大视场宽谱段偏振光谱成像系统光学设计 |
| | 李鑫权1，2，张军强1，3*，吴从均1，马 健1，2，卢天姣1，2，杨 斌3 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0250-08 |
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| 为满足偏振光谱成像探测中对于大视场、宽谱段技术要求，设计了一种基于偏振强度调制技术（PSIM）的宽谱段大视场偏振光谱成像仪。针对前置望远镜组，文中对现有国内玻璃材料消色差分析，优选了可见至短波红外的复消色差玻璃，通过控制镜组中PSIM模块光线角度，实现大视场内在PSIM模块上的入射角度需求。结合分析结果，采用光学设计软件优化设计。设计结果表明，前置望远系统能够实现波段为400～1 700 nm，视场角为72°，焦距为20 mm，F数为4的高质量成像，全谱段内探测器截止频率处传递函数优于0.4，PSIM模块上最大入射角度为±4.99°，有效保证了各视场内偏振调制的一致性。后置光谱分光系统采用基于Offner结构的凸面光栅，优化结果显示各波段点列图均小于一个像元，在探测器奈奎斯特频率处中心波长的MTF达到0.6，各项指标均满足设计要求。本文对于基于PSIM宽谱段偏振光谱成像仪器的工程化具有很重要的现实意义，对宽谱段光学系统消色差设计也具有一定指导意义。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 250-257 [摘要] ( 12 ) RICH HTML PDF (11108 KB) ( 5 ) |
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| 258 | 一种波段聚类和多尺度结构特征融合的高光谱图像分类模型 |
| | 王彩玲1，张 静1，王洪伟2*，宋晓楠1，纪 童3 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0258-08 |
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| 高光谱图像包含丰富的地物信息，在农业、工业和军事等领域应用广泛。因此，高光谱图像的识别与分类是一项重要的研究课题。然而，高光谱图像存在光谱维度高、噪声大、标记样本有限等问题，并未取得很好的分类效果。针对以上问题，提出一种波段聚类和多尺度结构特征融合的高光谱图像分类模型 (ASPS-MRTV)。该方法主要包括以下几个步骤，首先，对高光谱数据进行归一化处理，将归一化后的三维图像按光谱维等分为n个子空间；其次，采用粗细划分策略构造自适应子空间光谱特征提取框架，将每个空间波段拉伸为一维向量后用信息散度构造波段的相似性矩阵，按照聚类的思想对n个子空间进行自适应；然后，将每个自适应子空间的光谱波段平均值进行叠加，形成光谱特征；最后，对所得到的光谱特征数据利用多尺度相对全变分技术提取结构特征。为了增强样本的线性可分性，在数据堆叠之后进行核主成分分析，最终形成空谱特征。对比实验中统一使用惩罚参数C和核参数σ都为24.5的SVM进行分类。经测试，ASPS-MRTV网络模型在Indian Pines、University of Pavia两个数据集上分别以5%，1%的训练样本达到了97.06%、98.98%的总体分类精度。实验结果表明，该模型与SVM、ASPS(ED)、ASPS(ID)、ASPS-LBP、ASPS-GlCM、ASPS-BF模型相比，在分类性能和计算效率方面都取得了更优的效果，有效提高小样本下高光谱图像的分类精度。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 258-265 [摘要] ( 16 ) RICH HTML PDF (13474 KB) ( 3 ) |
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| 266 | 面向目标检测的视觉注意机制波段选择研究 |
| | 杨 桄1，金椿柏1，任春颖2*，刘文婧1，陈 强1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0266-09 |
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| 近年来，波段选择在高光谱图像降维处理中得到了广泛地应用，然而常用的数据降维方法并没能将与人类视觉系统相关的信息进行有效利用，如果将人类与生俱来的视觉注意机制能力应用到高光谱图像中目标的视觉显著性特征的增强或识别，对于高光谱图像的目标检测研究无疑会产生相当的促进作用。研究提出引入视觉注意机制理论应用于波段选择研究，构建面向目标检测应用的视觉注意机制波段选择模型。通过分析计算波段图幅的目标与背景的可识别程度，量化所在波段对地物目标与背景的判别能力，提出了基于目标视觉可识别度的波段选择方法；利用LC显著性算法进行空间域的视觉显著性目标分析，计算背景与目标的显著性差异绝对值，提出基于LC显著目标结构分布的波段选择方法。将这两种方法结合提出的改进子空间划分方法，建立面向目标检测的视觉注意机制波段选择模型，并经高光谱遥感AVIRIS San Diego公开数据集进行目标检测实验验证，结果表明所提出的基于视觉注意机制的波段选择模型对于目标检测应用具有较好的检测效果，实现了数据降维和高效的计算处理。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 266-274 [摘要] ( 13 ) RICH HTML PDF (27128 KB) ( 4 ) |
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| 275 | 花青素对植物反射特性的影响及遥感估算：叶片尺度 |
| | 梁守真1, 隋学艳1，王 猛1，王 菲1，韩冬锐1，王国良1，李洪忠2，马万栋3 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0275-08 |
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| 花青素是植物三大色素之一，与植物的生长发育、生长状态以及生长环境状况密切相关，花青素动态变化对生态环境的监测和预警具有重要意义。对叶片光学特性与色素关系的深入理解是估算色素浓度的前提，然而花青素对叶片光学属性的影响并未能得到系统地分析，极大地限制了植物花青素的反演和监测。该研究从机理出发，采用包含花青素参数的新一代植物叶片辐射传输模型PROSPECT-D，结合改进的Sobol'算法，获取输入参数协同变化条件下叶片的光学表现，计算模型参数的全局敏感性指数，全面分析花青素对叶片光学属性的影响，探索花青素的光学敏感波谱区间，在此基础上，以地面实测的叶片波谱和色素数据为样本，发展并探讨叶片尺度花青素的遥感反演方法。结果表明，Sobol'全局敏感性分析结果受样本量变化的影响，总敏感性指数在样本数为3 000时达到稳定；花青素主要影响400～689 nm波谱范围的叶片反射特性，叶片对光子的反射能力随花青素含量的增加而降低；叶绿素、类胡萝卜素与花青素对叶片的反射存在协同作用，在467～589 nm波谱区间，花青素对叶片反射的贡献高于其他参数，花青素总敏感性指数在509 nm处最高（86.64%）；基于叶绿素、类胡萝卜素对叶片反射能力的贡献程度，花青素的波谱敏感区间可分为三个部分：467～505 nm（花青素、叶绿素、类胡萝卜素共同影响区）、506～541 nm（花青素、类胡萝卜素影响区）、542～589 nm（花青素、叶绿素影响区）；叶片花青素含量与敏感区间的高光谱窄波段、波谱指数之间存在显著的线性关系。在所有的窄波段中，样本花青素含量与560 nm的叶片反射率的相关性最好，相关系数为0.948，但由于花青素与叶绿素、类胡萝卜素光谱吸收波段重叠，考虑其他色素干扰的波谱指数ARI、mARI（Sentinel-2波段参考）与花青素表现出了好的相关性（相关系数分别为0.953 2，0.953 6），但由于波段设置的差异，不同卫星的波谱指数表现并不一致。该研究可为未来更大范围的花青素遥感估算奠定重要的理论基础。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 275-282 [摘要] ( 12 ) RICH HTML PDF (4085 KB) ( 4 ) |
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| 283 | 一种基于目标与背景特征分离模型的高光谱目标检测修正算法 |
| | 吴护林1，邓贤明1*, 张天才1, 李忠盛1，岑 奕2，汪家辉1，熊 杰1，陈知华1，林牧春1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0283-09 |
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| 高光谱图像立方体数据可以提供成像场景中地物在可见光和近红外波长范围内的空间信息和地物属性诊断的光谱特征信息，在目标检测与识别方面拥有得天独厚的天然优势。然而，基于高光谱图像数据的目标检测也存在一定缺陷，如经典的高光谱目标检测算法仅利用光谱维度信息检测目标，检测模型要么对背景高维特征矩阵构建的准确度不足，要么对背景先验光谱特征的完备性要求较高，导致算法对不同复杂度的检测场景适应性不强。因此，基于计算复杂度较低、参数需求量较少且检测性能较为优异的经典多目标检测算法—多目标约束能量最小化（MCEM），提出了一种基于目标与背景环境特征分离模型的高光谱目标检测修正算法（R-MCEM）。首先，设计了一个与目标形状、尺寸相近的逐像元移动运算窗口，依次计算窗口中的每个像元与窗口内其他像元的光谱距离之和D1，像元与各类目标的光谱距离之和D2。其次，采用获得D1/D2最小值的像元替换窗口内的所有像元值。然后，自左向右、自上而下逐像元移动窗口，重复窗口内每一个像元与目标、背景像元的光谱距离运算，并确定窗口内与背景相似度最高、与目标相似度最低的像元。直到移动运算窗口遍历整个高光谱图像，大幅提升了基于目标与背景环境特征分离的背景高维特征矩阵准确度。分别设计了基于实测高光谱图像数据和模拟图像数据的修正检测算法性能验证试验，并采用三维操作特征曲线（3D ROC)结合目标与背景分离度（SDBT)开展修正算法的检测精度评估。试验结果表明，提出的修正算法有效减少了虚警率，提高了检测精度。基于实测数据的检测精度、目标与背景分离度由MCEM算法的0.937 7、0.57提升到R-MCEM的0.993 5、0.67，基于模拟数据的亚像元检测能力由MCEM的20%丰度提升到R-MCEM的15%丰度。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 283-291 [摘要] ( 17 ) RICH HTML PDF (50424 KB) ( 19 ) |
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| 292 | 辽宁抚顺和新疆吉木萨尔煤精的显微组成和拉曼光谱对比研究 |
| | 王兰花1, 2，陈义林1*，傅雪海1，简 阔3，杨天宇1, 2，张 博1, 4，洪 勇1，王文峰1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)01-0292-09 |
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| 煤精又称煤玉，是一种资源稀缺且价格昂贵的煤种，可作为工艺美术雕琢材料。采集了辽宁抚顺和新疆吉木萨尔这两个地区的6件煤精样品，测试分析了其煤岩煤质（显微组成、腐植体最大反射率、工业分析、元素分析）和拉曼光谱特征。研究结果表明6件煤精样品中显微组分均以腐植组为主，稳定组次之，惰质组含量最低，腐植体最大反射率（Ro, max）介于0.41%~0.55%；抚顺煤精的稳定组以沥青质体和孢子体为主，而吉木萨尔煤精的稳定组则以角质体为主；这两个地区煤精的拉曼光谱特征差异显著，拉曼结构参数显著受控于煤岩煤质；煤精的拉曼光谱参数D1峰与G峰的强度比（ID1/IG）、面积比（AD1/AG）均随稳定组含量增加而显著增大，随腐植组和惰质组含量的增加而明显减小；吉木萨尔煤精的ID1/IG和AD1/AG值均显著小于抚顺煤精，这是由于抚顺煤精中含有大量沥青质体和孢子体，其大分子结构的芳环生长程度较差；这两个地区煤精的ID1/IG和AD1/AG值均随着Ro, max增大呈现差异化降低趋势；随着煤化程度增大，芳香层片空间排列有序化增强。拉曼光谱参数可有效指示不同产地煤精的大分子结构差异性，可为今后煤精类文物的产地溯源提供科学依据，进而为了解中国古代手工业发展史及商品流通提供启示。 |
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| 2024 Vol. 44 (01): 292-300 [摘要] ( 17 ) RICH HTML PDF (32152 KB) ( 14 ) |
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