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首页/光谱学与光谱分析摘要/ 正文
2024 年 08 月 25 日  （浏览量：3282）

《光谱学与光谱分析》2024年, 第44卷，第07期

      论文

1801法布里-珀罗干涉仪在远程探测领域的应用

金 康1，张 楠1，刘 冰2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1801-12


远程光谱探测是人类探索大尺寸空间和物质的重要手段，在天文、气象、深海等领域发挥着重要的作用，但收集远程光谱对光谱仪的性能也提出了很高的要求。根据Jacquinot提出的光谱性能评价标准，相较于其他光谱系统（光栅光谱仪，棱镜光谱仪等），法布里-珀罗(F-P)干涉仪通光孔径大、多光束干涉的光谱分辨能力强，使其在远程弱光探测领域有着天然的优势。从1914年法布里本人第一次将F-P干涉仪用于天文观测以来，F-P干涉仪已被广泛应用于远程光谱测量领域，并逐渐发展出各种改进型F-P干涉仪。传统F-P干涉仪在远程探测领域主要面临三个问题：自由光谱范围窄，大孔径的F-P干涉仪装调难度大，环状干涉结构能量分散。随着探测需求的不断提升和科学技术的长足进步，解决方案也应运而生，本文介绍了三种典型的改进型F-P干涉仪，分别是：增加自由光谱范围的级联F-P干涉仪，适用于极端环境下的旋转扫描F-P干涉仪以及将能量分散的干涉圆环转换为能量集中的干涉直线的F-P干涉系统(CLIO)。对F-P干涉仪在气象、天文、深海等领域中的重要应用进行了系统的总结。在气象学领域，介绍了用于大气中层和热层风速测量的大口径F-P干涉仪，测量大气中的痕量气体及其同位素体的德国海森堡高精细度F-P干涉仪；在天文学领域，介绍了由美国威斯康星大学设计、用于研究星际物质发射线的级联F-P干涉仪；在海洋学领域，介绍了国内F-P干涉仪测量布里渊散射的主要应用实例：2004年北京师范大学设计的水下布里渊散射系统，2021年上海交通大学设计的星载布里渊散射系统等；在大气污染检测领域，介绍了南开大学设计的F-P干涉仪用于测量飞秒激光远程光丝NaCl气溶胶荧光光谱。最后提出光谱识别精度，热稳定性是未来F-P干涉仪应用在远程光谱测量领域需要进一步突破的难点。


2024 Vol. 44 (07): 1801-1812 [摘要] ( 124 ) RICH HTML PDF (37202 KB)  ( 57 )


1813铀矿区超富集植物可见及短波近红外光谱判别研究

肖怀春1，刘 阳1，魏冰雪1，高家榕1，刘燕德2，肖 慧1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1813-07


随着各国对核能需求的剧增，铀矿勘探成为核能供给中关键环节。铀矿勘探方法主要有放射性物探测量、地球化学测量等传统方法，大都存在探测数据不准确、效率低等的不足。采用近红外光谱技术，结合化学计量学，探索铀超富集植物筛选及确定的可行性。通过铀矿区植物生长情况及特性调查挑选超富集植物，利用近红外光谱分析仪获取不同区域其叶片综合光谱，比较分析光谱响应关系。发现两种超富集植物的吸收峰位于650～700和950～1 050 nm两个波段内，前一个波段为叶绿素的吸收峰主要由C—O与C—H键伸缩振动的组合频产生。后一个波段是水的吸收峰主要由O—H键弯曲振动5级倍频导致。通过PCA与SPA选择特征变量，将两种样本分别按照3∶1的比例随机划分为训练与预测两部分，结合PLS和LSSVM两种方法构建超富集植物铀富集检测模型，并对比预测效果。发现基于PLS的狗尾草铀富集检测模型效果最佳，其判别正确率高达100%，RMSEP为0.115，R2为0.946。两种建模方法中狗尾草检测模型均优于辣蓼，可能是狗尾草富集系数高于辣蓼，导致其铀矿区叶片铀含量浓度高于非铀矿区。结果表明，近红外光谱技术联合偏最小二乘法建立的超富集植物铀富集检测模型效果最好，很好的对铀超富集植物进行无损识别，从而筛选并确定之是可行的。该方法为废铀矿区生态修复提供重要参考，同时为利用特异性、指示性植物寻找铀矿提供新思路。


2024 Vol. 44 (07): 1813-1819 [摘要] ( 109 ) RICH HTML PDF (11477 KB)  ( 30 )


1820热解石墨晶体在X射线荧光仪器的应用进展

汪 淼1，程大伟2，3，贾云海2，3，李建强1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1820-07


石墨晶体具有优良的化学惰性、高熔点、强弹性和独特的电子性能，广泛应用于诸多领域，由于热解石墨具有出色的高反射率，在XRF技术中的运用越来越广泛。热解石墨是一种层状结构的人造合成石墨材料，在接近3 000 ℃的温度下进行退火可以调整材料结构，当退火伴随变形时结构变化增强，退火温度和变形类型的不同组合会导致产生具有不同结构的热解石墨，主要的热解石墨有两种分别是高定向热解石墨（HOPG）和高退火热解石墨（HAPG）。HOPG晶体镶嵌度通常在0.3°~3°，具有极高的积分反射率，在2 keV到几十keV的能量范围内，与完美晶体相比，它的积分反射率高一到两个数量级，但能量分辨率稍低。HOPG的能量分辨率主要受镶嵌度和Bragg反射的本征宽度的影响，较大的镶嵌度会导致能量分辨率显著降低。HAPG晶体是一种类似于HOPG晶体的改性材料，晶体的镶嵌度非常低，与相同厚度的HOPG晶体相比，HAPG晶体的镶嵌度约为其1/5，一般是0.05°~0.1°，有较高的能量分辨率，积分反射率会有所下降；HAPG晶体可以单层沉积在基材上并可以弯曲成小半径等几乎任何形状，且不会显著降低能量分辨率。石墨晶体在X射线荧光领域主要是用作单色器，可以有效消除白光、荧光及X射线管中的杂光等原因所造成的高背景，这些优异的性质使其被广泛应用于Von Hamos光谱仪和能量色散X射线荧光仪，Von Hamos光谱仪加上热解石墨晶体的镶嵌聚焦，可以得到较好的积分反射率和能量分辨率；热解石墨晶体在能量色散X射线荧光仪中可以提高分析的灵敏度和检出限。在研究X射线吸收精细结构光谱、测量放射性元素、乳腺X光检查等方面都有较好的表现。文章回顾了近二十年热解石墨晶体在X射线仪器的研究及应用。


2024 Vol. 44 (07): 1820-1826 [摘要] ( 55 ) RICH HTML PDF (1737 KB)  ( 30 )


1827基于虚像相位阵列的光谱检测中角色散均匀性的研究

纪文杰，谭中伟*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1827-08


随着光谱学的不断发展，光谱检测作为一种快速无损的检测手段逐渐被应用于越来越多的领域中。而随着对信息精度要求的不断提高，如何得到高分辨率和低波长误差的光谱信息，是设计光谱检测系统时必须解决的问题。传统的色散元件如衍射光栅，虽然有较大的波长响应范围，但是通常只能提供nm量级的分辨率而无法满足当下的高光谱分辨率的要求。虚像相位阵列(VIPA)具有大角度色散特性，可以有效提高系统的光谱分辨率，因而近年来不断被用于精细光谱检测的研究。但其波长和色散角度对应关系存在非线性，而且同一波长易产生多个衍射级次的光斑，从而造成额外的光能损失。因此，本文主要基于VIPA的交叉色散光路就如何降低VIPA色散的非均匀性的问题进行了理论分析和实验验证。首先基于傍轴理论的色散定律展开理论分析探讨了入射光腰尺寸、入射角度等参数对于VIPA色散的非线性程度和衍射级次数量的影响。然后通过进行仿真记录了宽光谱光源在不同VIPA倾斜角度条件下各波长衍射级次的数量，以及各波长对应的光斑质心的坐标值。计算各情况下的质心坐标与拟合曲线之间的距离均差，比较了不同角度条件下线性度的好坏。最后根据理论分析和仿真实验的结果进行实验。实验中记录了VIPA的交叉色散光路在不同的VIPA倾斜条件下出现的衍射级次数量，并利用一个波长可变的激光器得到了不同波长的光源在VIPA倾斜2°的实验条件下各衍射级次光斑的质心坐标。同样通过计算不同衍射级次光斑的质心与拟合曲线之间的距离均差分析不同衍射级次的线性度好坏。实验证明通过控制入射光束参数，可以一定程度上降低VIPA色散的非均匀性。VIPA倾斜角度越大且越靠近探测器中央位置的衍射级次线性度越好。


2024 Vol. 44 (07): 1827-1834 [摘要] ( 38 ) RICH HTML PDF (6751 KB)  ( 20 )


1835基于XGBoost算法的鱼粉中微塑料的红外光谱识别研究

许晓栋，张慧敏，刘佳乐，韩鲁佳，杨增玲，刘 贤*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1835-08


作为四大新兴污染物之一的“微塑料”带来的危害日益凸显，微塑料的检测识别是其污染评估和风险管理防控的关键。以鱼粉饲料中的微塑料（包括PA、PE、PET、PP、PS、PVC）作为研究对象，运用XGBoost算法分别研究构建了近红外光谱和红外光谱定性识别模型。采用GridSearchCV工具包研究优化XGBoost模型的主要超参数，近红外光谱模型的超参数优化结果为n_estimators：300，learning_rate：0.08，gamma：0，max_depth：4，min_child_weight：1；红外光谱的超参数优化结果为n_estimators：100，learning_rate：0.02，gamma：0.20，max_depth：4，min_child_weight：1。基于优化后的超参数构建的近红外定性识别模型平均精确率（Precision）为0.985，平均召回率（Recall）为0.977，平均F1值（F1 score）为0.978，相比于优化前模型效果分别提升了40.17%，51.00%，50.00%；红外定性识别模型平均精确率（Precision）、平均召回率（Recall）和平均F1值（F1 score）均为1.000，优化后的模型效果分别提升了20.67%，27.50%，26.33%。进一步与PLS-DA模型对比分析发现，红外光谱的XGBoost模型与PLS-DA模型效果基本一致，近红外光谱的XGBoost模型各参数（Accuracy，Precision，Recall，F1 score）效果均不同程度地优于PLS-DA模型。综上所述，运用XGBoost算法可以有效识别鱼粉中不同种类的微塑料，该研究为鱼粉饲料中微塑料的快速检测识别方法提供理论支持和技术支撑。


2024 Vol. 44 (07): 1835-1842 [摘要] ( 43 ) RICH HTML PDF (10490 KB)  ( 19 )


1843基于Au@4-ATP@Au凸多面纳米颗粒的多菌灵表面增强拉曼散射检测

严 霞1，胡聪聪1，杨智远2，赵 航2*，史晓凤2，马 君2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1843-09


表面增强拉曼散射（SERS）技术在农药残留的检测方面具有很大的潜力，但在痕量和定量分析方面仍存在局限性。提出了一种基于Au@4-ATP@Au凸多面纳米颗粒(NCPs-Au@4-ATP@Au)为增强基底的农药检测方法。XRD结果表明，由于探针分子对金前驱的选择性和诱导性，NCPs-Au@4-ATP@Au纳米颗粒与球形金纳米颗粒晶面结构信息有明显差异，具体体现在（200）处的强反射峰。结合扫描电镜与吸收光谱可以确定，NCPs-Au@4-ATP@Au同时具备球形与多面体结构特征。吸收峰较球形金纳米颗粒有明显红移，更加接近激发光波长，这在理论上更有利于SERS信号的增强。实验证明，以表面包覆高指数晶面，同时内嵌4-ATP作为探针分子的NCPs-Au@4-ATP@Au为增强基底，农药多菌灵（CBZ）的检测限（LODs）达到0.66 nmol·L-1。通过对CBZ分子的拉曼与SERS光谱位移分析可以初步确定，CBZ分子是通过NH键和C═O键吸附于金纳米颗粒上。Au@4-ATP@Au利用多凸面结构体提高灵敏度的同时，以4-ATP作为定标信号，归一后光谱稳定性和时效性也得到改善。内标峰强度矫正后光谱稳定性的相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）低至7.03%，半个月内信号强度仅降低5.87%，RSD为2.94%。结果表明，NCPs-Au@4-ATP@Au提高了SERS在农药检测方面的痕量和定量检测能力，该基底有望推动SERS在实际中的应用。


2024 Vol. 44 (07): 1843-1851 [摘要] ( 91 ) RICH HTML PDF (13548 KB)  ( 16 )


1852基于主成分分析和宽度学习系统的土壤铅镉重金属元素定量分析

吕树彬1，2，杨婉琪1，2，李福生1，2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1852-06


在土壤重金属元素定量分析研究中，X射线荧光分析（XRF）是一种有效的无损分析技术。由于受到矩阵效应以及元素干扰的影响，已有的机器学习方法在利用土壤XRF光谱预测铅（Pb）元素、镉（Cd）元素浓度时存在性能不足和不稳定的问题。该工作提出了基于主成分分析（PCA）结合宽度学习系统（BLS）的XRF土壤重金属元素定量分析方法（PCA-BLS），用于精确、高效、稳定测定土壤中Pb元素和Cd元素的浓度。使用PCA对56个标准土壤数据进行特征降维，并选取Pb和Cd的前3个主成分作为特征。将最优主成分特征输入宽度学习系统进行校正和测试，并使用网格搜索算法确定最佳网络结构。其中Pb元素和Cd元素对应的BLS的三个最优参数值分别为2, 11, 11和3, 19, 15。使用支持向量回归（SVR）、BP神经网络和原始BLS三种模型与PCA-BLS方法进行对比。PCA-BLS在测定Pb对应的决定系数R2、均方根误差RMSE和平均绝对百分比误差MAPE三个指标上取得了0.954、1.433、1.014的结果，在定量Cd实验中取得R2为0.982、RMSE为1.215和MAPE为1.059的精度。网格搜索可视化表明PCA-BLS在预测两种重金属元素时具有稳定的性能。实验结果表明，PCA-BLS可以有效校正土壤XRF光谱中的矩阵效应和干扰，在准确预测Pb和Cd元素浓度的同时保持模型稳定性，是一种具有潜力的XRF光谱定量分析方法。


2024 Vol. 44 (07): 1852-1857 [摘要] ( 38 ) RICH HTML PDF (10356 KB)  ( 16 )


1858太赫兹多维度相位调控反射超表面研究

黄若彤，李九生*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1858-10


数字编码超表面可以控制电磁波传输，受到了广泛关注。大多数报道的编码超表面基于几何相位或传输相位实现对反射或者透射线极化波和圆极化波的2π相位覆盖，限制了太赫兹波调控灵活性。提出传输相位和几何相位相结合排布超表面，在线极化太赫兹波入射下，基于传输相位机理设计的超表面产生了涡旋波束。根据几何相位原理，在圆极化太赫兹波入射下，设计的超表面产生了反射波束的偏转，超表面可以在多个频点产生涡旋波束，在0.9和1.2 THz处产生拓扑荷数l=1和l=2的涡旋波束，通过卷积生成偏折涡旋波束。最后设计聚焦超表面，实现了反射聚焦。研究结果表明，设计的超表面提供了一种多自由度的太赫兹波偏振和相位操控方法，在太赫兹系统具有广阔的应用潜力。


2024 Vol. 44 (07): 1858-1867 [摘要] ( 34 ) RICH HTML PDF (54272 KB)  ( 30 )


1868改进模糊推理分类器进行木材树种近红外光谱开集分类识别研究

李振宇1，赵 鹏1，2*，王承琨3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1868-09


开集分类识别是近10多年来模式识别领域研究的热点，它能够识别训练集中已知类别的测试样本，同时还能够有效“拒识”未知类别的测试样本；这些未知类别样本不包含在训练集中。现有的开集分类识别算法主要是基于Support Vector Machine（SVM）和深度学习网络框架进行改进，并且主要应用在自然景物图像领域中；在光谱分析领域中还鲜有报道。将传统的闭集框架下的模糊推理分类器进行模型改进，提出了开集框架下的改进模糊推理分类器，并将其应用到木材树种近红外光谱分类识别中。首先，使用Flame-NIR近红外微型光谱仪采集木材样本横切面的近红外光谱曲线，采用Metric Learning算法进行光谱向量维度约简降维至4维（4D）。其次，改进闭集框架下的模糊推理分类器，根据模糊规则置信度和各维度隶属度概率的乘积构建Generalized Basic Probability Assignment（GBPA），再根据GBPA进行分类处理。在20个树种的具有不同的Openness指标下的近红外光谱数据集的分类识别对比实验表明，改进的开集模糊推理分类器(fuzzy reasoning classifier in an open set, FRCOS)优于现有的基于机器学习和深度学习的开集分类识别主流算法，具有较好的评价指标F-Score, Kappa系数及总体识别率。


2024 Vol. 44 (07): 1868-1876 [摘要] ( 38 ) RICH HTML PDF (15099 KB)  ( 44 )


1877基于AFSA-SVM动态光谱的血液识别研究

马焕臻1，4，闫薪如1，4，辛英健3，4，方沛沛1，3，4，王泓鹏3，王一安1，4，段明康3，4，贾建军3，何继业2*，万 雄1，3*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1877-06


血液是一种受管制的特殊遗传生物资源。针对传统血液光谱检测中易氧化变质的问题，采用基于仿生血管的动态共聚焦拉曼荧光光谱，开展了猪、马、鸽、鸡、鸭、鹅等六种家禽家畜的血液物种鉴别研究。原始光谱的预处理过程包括去基线、平滑和归一化等。采用线性判别分析对光谱数据进行降维处理，继而用支持向量机建立识别模型，选用高斯核函数，通过人工鱼群算法优化支持向量机的参数C和γ，使其分类准确率最高，最优的C和γ分别为0.2和0.134。人工鱼群-支持向量机模型识别准确率达到97.2%，基于仿生血管的动态共聚焦拉曼荧光光谱可以满足血液安全高效的检测要求，用人工鱼群算法优化支持向量机参数的算法模型表现出较好的分类效果。


2024 Vol. 44 (07): 1877-1882 [摘要] ( 64 ) RICH HTML PDF (10550 KB)  ( 15 )


1883纳米Ce1-4x(FeAlCoLa)xO2-δ固溶体微观光谱特征及氧化还原性能研究

孙世龙1，张国芳1*，束 俊1，郭瑞华1，李一鸣1，刘卓承1，许剑轶1，葛启录2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1883-06


采用水热法合成Fe3+、Al3+、Co2+及La3+共掺杂纳米Ce1-4x(FeAlCoLa)xO2-δ（x=0.00~0.05）固溶体, 利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外吸收光谱(UV)、荧光光谱(PL)、拉曼光谱(Raman)以及与H2的程序升温还原反应（TPR）等方法对固溶体的微观结构、形貌、光谱特征和氧化还原活性进行系统表征及分析。XRD结果表明，Ce1-4x(FeAlCoLa)xO2-δ固溶体均呈CeO2立方萤石结构，当掺杂量增加到x=0.04时，在36.6°处出现了微弱的Co3O4杂相，可以确定掺杂离子在CeO2晶格中的固溶度x<0.04。样品的（111）衍射峰位向高角度偏移，表明掺杂离子引起晶格发生畸变。TEM及SEM结果显示样品为球形纳米颗粒，掺杂离子引起晶面间距变小。紫外吸收光谱表明，与纯CeO2相比，掺杂样品的吸收边逐渐红移，在560~780 nm范围观察到掺杂离子的紫外吸收峰。掺杂引起样品能隙降低，从2.84 eV（纯CeO2）逐渐降低至2.10 eV（x=0.05）。其原因可归结为掺杂离子在CeO2的价带和导带之间形成新的杂质能级，允许电子从价带跃迁到较低的杂质能级上，继而降低了跃迁能隙。由于掺杂离子引起晶格内部发生畸变以及氧空位比例增大，阻碍了电子的高能跃迁，也可引起能隙减小。荧光光谱证明，掺杂样品的发射峰强度明显降低。Raman光谱表明，掺杂引起F2g峰位发生偏移，峰强减小，峰宽变大。同时，对应于氧空位峰的相对强度逐渐提高。荧光光谱及Raman光谱均证明掺杂离子引起固溶体晶格畸变程度增加，氧空位浓度提高。H2-TPR测试表明，掺杂可以有效降低CeO2的氧化还原反应温度，提高氧化还原活性，当x=0.03的样品表面还原温度最低，还原峰的面积最大，即氧化还原反应活性最佳，表明样品的氧化还原性能与晶粒尺寸、晶格缺陷及氧空位浓度密切相关。通过以上研究证明，四种离子共掺杂CeO2能够有效修饰微观晶体结构，在较低掺杂浓度下即可显著改善样品的催化活性。


2024 Vol. 44 (07): 1883-1888 [摘要] ( 62 ) RICH HTML PDF (8065 KB)  ( 15 )


1889三皇庙壁画彩绘层颜料的分析研究

闫海虹1，张昕瑞2，张群喜3，孙 凤1*，董文强4


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1889-07


三皇庙位于陕西省西安市，庙内供有上古三皇——伏羲、神农、黄帝，四壁原绘有精美的壁画，是中国古代传统医学和儒家发展交融的产物，具有珍贵的历史、艺术和学术研究价值。但在自然保存状态下，三皇庙历经风雨，现状岌岌可危。为了辨析三皇庙建筑壁画制作材料，为壁画原始信息的获取及后续保护修复提供科学依据，采用超景深显微镜、扫描电镜-能谱仪（SEM-EDS）、X射线衍射分析仪（XRD）、显微激光拉曼光谱仪(micro-Raman)等多种分析技术，对现场采集的极少量颜料样品进行分析研究。分析结果表明，红色颜料有朱砂、赤铁矿、铅丹；黑色颜料主要显色成分为炭黑，混有普鲁士蓝；蓝色颜料为合成群青；绿色颜料为巴黎绿和钛白混合而成；颜料打底层主要成分为二水石膏。壁画制作材料的科技分析表明，三皇庙壁画确曾进行过历史修复，且修复年代较晚，修复中有混合颜料的使用，其中炭黑和普鲁士蓝的混合使用在壁画中属首次发现，该结果为陕西地区三皇庙壁画制作材料及修缮历史研究提供基础，为后期壁画保护修复和复原展示提供科技支撑，具有重要的文物保护意义。


2024 Vol. 44 (07): 1889-1895 [摘要] ( 45 ) RICH HTML PDF (23305 KB)  ( 23 )


1896基于太赫兹成像检测技术与特征提取方法结合巴旦木饱满度检测方法研究

胡 军1，吕豪豪1，乔 鹏1，贺 永2，刘燕德1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1896-09


巴旦木是一种营养丰富的坚果，对巴旦木的品质进行检测具有重要的经济价值和实际意义。由于巴旦木具有较为坚硬的外壳，传统的检测手段较难实现内部检测，因此，采用新兴的太赫兹透射成像检测技术，开展巴旦木饱满度的检测研究。首先采集不同饱满度巴旦木的太赫兹透射图像，并且从太赫兹图像的感兴趣区域分别提取无样品区域、空壳区域和满仁区域的太赫兹光谱信息；为了提高模型的精度，减少计算量，采用竞争性自适应重加权算法（CARS）、无信息变量消除（UVE）、连续投影算法（SPA）、蒙特卡罗无信息变量消除法（MCUVE）和遗传算法（GA）对太赫兹光谱信息进行特征提取，建立对应的最小二乘支持向量机（LS-SVM）、随机森林（RF）和K-近邻（KNN）定性判别模型，对巴旦木的饱满和空壳区域进行检测和鉴别。此外，对太赫兹特征图像转为JPG格式，接着转化为RGB格式进行G通道提取和图像二值化分离出外壳和果仁图像，检测饱满度为太赫兹特征图像的壳仁像素点之比；对原始图像进行轮廓提取和图像二值化分离出外壳和果仁图像，实际饱满度为原始图像的壳仁像素点之比。通过计算检测饱满度和实际饱满度的误差，证明了太赫兹透射成像技术检测巴旦木饱满度的可行性。建立的KS-GA-RF模型的鉴别效果最优，准确率为98.21%；通过壳仁像素点之比分别计算出对应的检测饱满度和实际饱满度，误差为16%。研究验证了采用太赫兹图、谱相融合的方法，可以很好地实现对巴旦木内部种仁饱满度可视化检测，为巴旦木的准确分级提供了新的思路，也为太赫兹成像技术检测其他坚果饱满度提供了理论参考，具有重要的应用价值。


2024 Vol. 44 (07): 1896-1904 [摘要] ( 29 ) RICH HTML PDF (19379 KB)  ( 14 )


1905基于可见/近红外光谱和函数型线性回归模型的成熟期苹果可溶性固形物含量预测

黄 华1，刘 亚2，马毅航1，向思函1，何佳宁1，王诗婷1，郭俊先3*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1905-08


可溶性固形物含量（SSC）是反映苹果品质和成熟度的重要指标，能够用于苹果品质分析和成熟度预测。以新疆阿克苏冰糖心红富士苹果为研究对象，从果实膨大定形期至完熟期，以3 d等间隔周期采摘样本，采集其380~1 110 nm的可见/近红外光谱，测定其SSC，共552个样品。然后，利用基函数平滑方法将采集的可见/近红外光谱离散数据转化为光谱曲线，即函数型数据，并以可见/近红外光谱曲线、一阶导曲线、二阶导曲线为函数型解释变量，SSC为标量响应变量，分别建立函数型线性回归模型。为了验证和分析模型的性能，根据原始光谱离散数据，经过移动平滑、一阶导和二阶导预处理后，分别建立偏最小二乘回归（PLSR）、核支持向量机（KSVM）、随机森林（RF）、梯度提升树（GBM）和深度神经网络（DeepNN）。结果表明，在建立的18个模型中，针对训练集，PLSR-dNIR模型、KSVM-dNIR模型、RF-dNIR模型、GBM-dNIR模型和Deep NN-d2NIR模型都优于FunLR-NIR模型、FunLR-dNIR模型、FunLR-d2NIR模型，且Deep NN-dNIR模型最优（rc=0.999 6，R2c=0.998 6，RMSEC=0.074 0，RPDC=27.436 6）；针对测试集，FunLR-NIR模型、FunLR-dNIR模型、FunLR-d2NIR模型均优于其他所有模型，且FunLR-NIR模型最优（rv=0.953 4，R2v=0.907 7，RMSEV=0.585 6，RPDV=3.301 7）。综合训练集和测试集的结果来看，核支持向量机模型、随机森林模型、梯度提升树模型和深度神经网络模型容易过拟合，而函数型线性回归模型具有更好的普适性。此外，从三个函数型线性回归模型（FunLR-NIR模型、FunLR-dNIR模型、FunLR-d2NIR模型）的预测效果看，模型均具有良好的鲁棒性和较高的预测精度。试验结果表明，结合可见/近红外光谱技术与函数型数据分析构建的函数型线性回归模型，可成功、有效地实现成熟期苹果的可溶性固形物含量预测。


2024 Vol. 44 (07): 1905-1912 [摘要] ( 41 ) RICH HTML PDF (12159 KB)  ( 31 )


19131,3-氧硫戊环为受体的Hg2+荧光探针的设计、合成及性能

梁庆祥1，周 五1，吴爱斌1，2，3*，舒文明1，3，余维初1，2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1913-05


Hg2+是毒性最强的重金属离子之一，会造成空气、土壤和水的污染，严重损害人体健康，开发有效的分析方法检测环境体系中的Hg2+尤为重要。荧光探针因其灵敏度高、选择性好、响应速度快、可实时在线检测等优点，已广泛应用于Hg2+检测。以Hg2+促进硫代缩醛的去保护反应设计合成了一种全新的以1,3-氧硫戊环为受体的开启型Hg2+荧光探针[2-(pyren-1-yl)-1,3-oxathiolane, POX]，通过1H NMR、13C NMR和HRMS对POX结构进行表征，考察了POX在CH3CH2OH/H2O中对Hg2+的选择性、竞争性、浓度滴定、pH滴定、时间依赖性、检出限和识别机理等。研究结果表明，POX可在较宽的pH范围内对Hg2+快速识别，并表现出高度的选择性和灵敏度；向POX中加入Hg2+后，在386 nm处出现明显的荧光发射峰，表明POX对Hg2+呈现出显著的荧光“开启”效应，其识别过程几乎不受其他金属离子干扰；荧光滴定实验表明POX在Hg2+浓度为0~6.5 μmol·L-1范围内具有良好的线性响应（R2=0.999 4），检出限为0.168 μmol·L-1，在实际水样中检测Hg2+的RSD小于2.92%。由于POX合成简单、原料易得且pH适用范围较广，可作为定性和定量检测环境中Hg2+的潜在工具。


2024 Vol. 44 (07): 1913-1917 [摘要] ( 37 ) RICH HTML PDF (2253 KB)  ( 7 )


1918高光谱成像技术结合集成学习的金钗石斛氮素检测

匡 润1，2，3，4，龙 腾1，3，4，刘海林2，吴继辉1，3，4，吕金胜1，3，4，谢自然1，3，4，刘文涛1，3，4，兰玉彬1，3，4，龙拥兵1，3，4，王再花2*，赵 静1，3，4*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1918-10


金钗石斛叶片氮素含量是实现其精准施肥的重要决策依据之一。传统的氮素含量检测方法耗时且有损样品，如何高效检测金钗石斛叶片氮素含量是种植企业日益关心的问题。为了快速、无损获取金钗石斛叶片氮素含量，以金钗石斛新鲜叶片为实验样品，在获取其402.6～1 005.5 nm高光谱图像和氮素化学检测值后，经感兴趣区域（ROI）分割、光谱预处理，利用偏最小二乘回归（PLSR）、核岭回归（KRR）以及支持向量回归（SVR）等三种个体学习器算法，以及随机森林（RF）、Bagging和Adaboost等三种集成学习算法，针对金钗石斛的氮素含量进行建模。在此基础上构建基于金钗石斛新鲜叶片全波段光谱信息、经过竞争自适应加权算法（CARS）特征提取的特征波段光谱信息的回归预测模型，并进行预测精度对比。结果表明，在基于全波段光谱信息构建模型时，经过多项式平滑算法（SG）预处理的光谱数据建立的RF模型最佳（R2CV=0.961 4、RMSECV=0.081 8、R2P=0.972 6、RMSEP=0.063 3），所有模型R2都达到了0.90以上。基于CARS提取的特征波段构建回归预测模型，Bagging模型具有最高的精确度和稳定性，其中SG-CARS-Bagging预测效果最好（R2CV=0.938 7、RMSECV=0.100 0、R2P=0.953 5、RMSEP=0.082 6）, 而个体学习器中的KRR和SVR模型精度明显下降。经过CARS算法特征提取去掉了一些重要波段，提高了建模的效率，但是模型的精度有所降低。因此在优化回归模型的特征参数时，必须始终考虑精度和效率之间的平衡。结果表明，RF、Bagging和Adaboost等集成算法比PLSR、KRR和SVR个体学习器算法具有更高的稳定性和预测精度，更适用于高光谱数据的分析与处理，在金钗石斛氮素营养监测方面具有明显优势。


2024 Vol. 44 (07): 1918-1927 [摘要] ( 60 ) RICH HTML PDF (17972 KB)  ( 23 )


1928真空热处理对落叶松木材纤维素形貌及结构的影响

孙柏玲，王小青，柴宇博*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1928-06


以我国东北主要用材树种落叶松木材为研究对象，采用真空热处理方法对其材质进行改良，探究其纤维素形貌及结构热响应机制。采用湿化学法提取未处理和不同真空热处理条件下（180～220 ℃温度范围，处理6 h）落叶松木材纤维素，利用扫描电子显微镜观察其形貌，X射线光电子能谱和X射线衍射仪分析其化学结构及结晶度变化。结果表明：未处理木材提取的纤维素呈棒状且表面有序平行结构，热处理后木材纤维素变弯曲且表面呈扭曲结构，并随热处理温度升高，纤维素表面扭曲越显著。由X射线光电子能谱分析，随热处理强度增加，纤维素O/C比值由未处理材65.5%降低至59.5%，并且C1含量增加、C2和C3分别降低，表明热处理木材提取的纤维素碳链缩短，并且其表面存在半纤维素以及热处理过程中木质素与碳水化合物缩聚反应形成的木质素-碳水化合物。随热处理温度提高，纤维素结晶度增加，同时纤维素中Ⅱ型占比提高、Ⅰ型降低，并且二者晶胞结构和分子基团构象存在差异，进而导致热处理前后木材提取的纤维素形貌结构不同。研究结果有助于深入理解木材化学成分热响应特性，为优化真空热处理改性木材工艺提供理论依据。


2024 Vol. 44 (07): 1928-1933 [摘要] ( 30 ) RICH HTML PDF (13760 KB)  ( 9 )


1934Zn3(As1-xPx)2纳米结构制备及光谱特性研究

王 浩，孙乃坤*，庞 超，王志帅，陈上峰，李 武，田 辉*，岱 钦


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1934-06


Zn3As2与Zn3P2具有相同的伪立方晶格结构，它们具有较高的电子迁移率、较窄的直接带隙和良好的空气稳定性，在光电器件领域呈现出广泛的应用前景。目前关于Zn3As2-Zn3P2固溶体纳米结构的研究相对较少，采用高气压烧结技术得到Zn3(As1-xPx)2（x=0、0.05、0.1）母合金，再利用化学气相沉积方法合成出多种形态的Zn3(As1-xPx)2纳米结构，包括宏观尺寸的纳米带（长度3~10 mm；宽度1~4 mm；厚度约20 μm）、纳米帆、纳米棒及纳米银簪等。系统的研究了P掺杂对相组成、元素含量、微结构以及光谱特性的影响。X射线衍射(XRD)结果表明，Zn3(As1-xPx)2宏观纳米带样品的主相为α′相，随着P掺杂含量的增加，（224）衍射峰向右发生偏移，表明晶格常数减小。电子能谱分析显示P理论值(光致发光光谱)掺杂含量值x=0.05和x=0.1的Zn3(As1-xPx)2母合金纳米带中P的实际含量分别为x=0.026及x=0.062。微结构分析表明，Zn3As2宏观纳米带的生长模式为沿〈221〉晶面菱形层状生长，P掺杂使纳米带的宏观尺寸减小，生长模式由菱形层状生长转变为纳米颗粒堆积层状生长。纳米带样品的拉曼光谱在79、97、198、320、428和1 107 cm-1出现特征峰，P掺杂导致拉曼光谱中1 107 cm-1特征峰发生蓝移，傅里叶红外光谱（FTIR）中1 101和1 599 cm-1特征峰与PL谱中的300、422和635 nm特征峰也发生蓝移。Zn3As2与Zn3(As0.974P0.026)2纳米带光电流与电压的线性关系良好，存在较好的欧姆特性，P掺杂后的Zn3(As0.974P0.026)2纳米带在900 nm条件下的光响应最为敏感。


2024 Vol. 44 (07): 1934-1939 [摘要] ( 84 ) RICH HTML PDF (24123 KB)  ( 9 )


1940基于激光诱导击穿光谱与半监督学习的煤质定量分析研究

王 安1，崔佳诚2，宋惟然2，侯宗余2，3*，陈 祥4，陈 斐4


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1940-06


激光诱导击穿光谱(LIBS)是一项新兴的原子光谱分析技术，具有无需复杂样品制备，快速、原位、多元素同时测量等优点，在煤质分析领域展现出良好的应用前景。近年来，化学计量学和机器学习模型被广泛用于煤质分析。而这些模型通常依赖于一定数量的训练样本来确保分析结果的精度和可靠性。由于获取煤样的真实的成分含量信息(标签)需要复杂、耗时的化学分析，训练样本数量不足，导致模型性能欠佳。针对小样本情况下基于LIBS技术的煤质分析，提出了多模型集成的半监督学习方法提升定量分析性能。首先根据初始训练集建立5个基线模型，包括多元线性回归(MLR)、偏最小二乘回归(PLSR)、局部加权偏最小二乘回归(LW-PLSR)、支持向量回归(SVR)、核极限学习机(K-ELM)；利用5个模型处理无标签数据，得到5组预测值；对于每个无标签样本，计算5个预测值的标准差，并将最小标准差对应的无标签样本加入训练集，其伪标签为5个预测值的平均值；通过迭代循环来扩充训练集，并更新、优化训练模型；最后对测试样本进行分析。提出的方法在LIBS煤质分析数据集上进行了测试，包含20个训练样本、39个测试样本、280个无标签样本。结果表明，提出的半监督学习方法将固定碳、灰分、挥发分含量的预测拟合系数(R2)分别提高了0.033、0.102和0.118。在训练样本数量不足的条件下，半监督学习能够有效提升了LIBS定量化模型的准确度和可靠性。


2024 Vol. 44 (07): 1940-1945 [摘要] ( 45 ) RICH HTML PDF (2710 KB)  ( 14 )


1946彩绘文物中蛋白类混合胶料的相互作用与稳定性研究

李昱珩1，2，3，杨 璐1，2，3*，葛若晨1，2，3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1946-06


皮胶、蛋类和奶类作为彩绘文物中常见的胶结材料，在我国古代存在混合使用的工艺。为探究这类混合胶料体系内部各组分的相互作用与其在光热老化条件下的稳定性，深入了解彩绘文物的劣化机理，使用扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪以及热重-差示扫描量热仪等分析方法，对鸡蛋-皮胶、牛奶-皮胶与牛奶-鸡蛋三种混合胶料的稳定性与蛋白质二级结构进行了表征。结果表明，以上胶料经过混合后，热稳定性与光稳定性相较单一胶料均显著升高。红外光谱显示，样品经过老化之后谱峰加宽，波数范围位于1 600~1 700 cm-1之间的蛋白质特征谱带酰胺Ⅰ带向低波数方向移动。酰胺Ⅰ带高斯拟合结果显示，随着混合比例的变化，混合胶料中有序结构的含量呈现出先升后降的趋势，在有序结构含量最高的样品中，无规卷曲结构含量也达到较低的水平。同时，鸡蛋-皮胶的混合比例介于1∶1~1∶2之间时，有序结构的含量高于任意单一胶料，最高可达64.87%，其稳定性最强。经过老化的胶料蛋白质二级结构含量均发生变化，有序的α-螺旋结构整体呈现下降趋势，无规卷曲结构则明显上升，而几种混合胶料α-螺旋结构的含量依旧高于单一胶料，可见混合胶料具有更强的稳定性。热重分析结果同样表明，老化前后混合胶料的热稳定性均高于单一胶料，推测是因为混合体系中蛋白质与蛋类、奶类中的脂质相结合，蛋白质与脂质的相互作用进一步促进了蛋白质结构稳定性的提升。本研究从稳定性的角度分析了彩绘文物中的混合胶料，为研究古代胶料的老化机理和保护方法提供了参考。


2024 Vol. 44 (07): 1946-1951 [摘要] ( 41 ) RICH HTML PDF (13237 KB)  ( 16 )


1952被动式红外热像法研究古代建筑壁画裂隙病害动态成因

贺 源1，2，3，刘 成1，2，3*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1952-08


红外热像法是文物保护领域广泛应用的无损检测方法之一。在目前的文物保护工作中，常利用主动式红外热像法对文物本体的病害状况和结构缺陷进行评估，而对被动式红外热像法的重视程度不足，且极少直接考察文物与赋存环境之间的动态作用关系。以辽宁义县奉国寺元代建筑壁画裂隙病害为例，探索被动式红外热像法研究“文物本体-赋存环境”交联耦合作用的可行性。在拍摄壁画表面红外热像照片从而获得更全面檐墙结构信息的基础上，分别对东、西墙中部纵向长裂隙以及北墙N1壁画整体开展连续红外热成像监测，并对裂隙、普通墙体表面和木骨处墙体表面进行温度测量；采用累积距平法和小波分析法对这些特征位置温度的变化趋势和周期波动性进行分析，从传热学角度对监测和分析结果进行定性讨论，区分壁画不同位置的传热影响模式，并结合裂隙产状特征对其形成过程进行初步判断。结果表明，壁画属多层不均匀结构，存在传热通路和结构强度上的差异；东、西墙的温度变化趋势具有相似性，而在波动信号及波动能量方面存在明显不同；裂隙的总体波动能量大于墙体，并与发育程度呈正相关；第一主周期的波动能量来源于气温的日变化，而次级主周期的波动能量可能与传热过程中的随机扰动有关，白天及日落后一段时间内的能量波动在传热影响中起到了关键作用；木骨与裂隙处的传热过程更快，随时间推移形成高温中心与横向传热趋势。裂隙病害的产生是材料对温度机械应变差异的结果，而传热影响途径有二：一是以檐墙为媒介的导热，二是通过檐柱处空气通道的对流换热；前者主要诱导生成间口内上下平行若干层的横向短裂隙组，后者则促进檐柱处纵向长裂隙的产生。该研究可为评估其他类型文物在复杂环境下的传热影响过程提供参考。


2024 Vol. 44 (07): 1952-1959 [摘要] ( 42 ) RICH HTML PDF (22159 KB)  ( 18 )


1960LAMOST的“Unknown”光谱分类研究：ODS-YOLOv7模型

王晓敏1，高军萍1*，蒲 源2*，邱 波1*，张健楠3，闫 静1，李 荣1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1960-08


天体识别是天文新发现和深入研究天体的基础。在LAMOST DR8 v1.0发布的低分辨率光谱数据中有约53万条因没有类别标签而被命名为“Unknown”的光谱，其中有88.56%的光谱信噪比在0～10之间，对这批光谱的研究分析将增加LAMOST的有效数据产出。该研究为“Unknown”光谱的分类设计了一种ODS-YOLOv7模型。它是一种端到端的类别预测模型，通过添加一维卷积注意力模块以提高光谱识别能力。在经过一批信噪比在0～10之间的已知类别光谱训练后，ODS-YOLOv7可以学习到低信噪比光谱的有效特征，进而实现对“Unknown”光谱的类别预测。实验表明，该模型在已知类别标记的低信噪比恒星、星系、类星体的光谱识别中，F1-score分别为0.98、0.95、0.95；同时在与传统算法KNN、RF、DT、SVM和深度学习算法1D CNN、1DSSCNN、ResNet、DenseNet、VIT对比实验中取得相对最好的效果。实验结果还给出了ODS-YOLOv7模型对DR8 v1.0中信噪比在0～10的“Unknown”光谱预测置信度分布，在预测类别为恒星、星系、类星体任务中，有92%的分类置信度在60%以上。为保证模型输出质量，本文只选取分类置信度大于99%的光谱类别作为输出结果。以此为依据，在DR8 v1.0和DR9 v0发布的全部“Unknown”光谱中分别有37.19%和47.03%被ODS-YOLOv7模型预测出类别。此外，还增加人工认证以检验该模型预测的正确性。为提升模型的可解释性，参照了二维图像特征可视化的Grad-CAM方法，将其改进为适合于可视化一维光谱数据特征的算法。其结果表明该模型可自动关注到不同的分类特征，使得该模型非常适用于低信噪比“Unknown”光谱的类别预测。


2024 Vol. 44 (07): 1960-1967 [摘要] ( 43 ) RICH HTML PDF (13060 KB)  ( 10 )


1968TDSC-Net: 一种基于注意力机制与特征融合的二维恒星光谱分类模型

李 荣1，曹冠龙1*，蒲 源2*，邱 波1，王晓敏1，闫 静1，王 坤1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1968-06


面对信噪比较低的天体，传统一维光谱的分类效果很差。因此，从二维光谱出发，提出了结合注意力机制的特征融合模型TDSC-Net（two-dimensional spectra classification network）用于恒星分类。TDSC-Net通过完全相同的特征提取层分别对恒星蓝端和红端的二维光谱图像进行特征提取，之后针对这些特征进行融合，然后进行分类。本文实验中的恒星光谱数据选自LAMOST（the large sky area multi-object fiber spectroscopic telescope）数据库，预处理采用Z-score进行光谱归一化，以减少由于光谱流量值差别大造成的模型收敛困难问题。使用精确率（Precision）、召回率（Recall）、F1-score和准确率（Accuracy）四个指标来评估模型性能。实验包括：第一部分利用TDSC-Net进行A、F、G、K、M型恒星分类，以验证利用二维光谱对恒星多分类的可靠性；第二部分将二维光谱按照不同的信噪比区间进行分类，以探究信噪比对分类准确率的影响。第一部分的结果表明，进行五分类总的准确率达到84.3%。其中，A、F、G、K、M各自的分类精度分别为87.0%，84.6%，81.2%，87.4%，89.7%，均优于自行抽谱后的一维光谱分类结果。第二部分的结果表明，即使在SNR<30的低信噪比区间，二维光谱分类准确率仍然可以达到78.9%；而当SNR>30之后，信噪比对光谱分类的影响就不明显了。由此证明了低信噪比时使用二维光谱分类的重要性以及TDSC-Net对恒星光谱分类的有效性。


2024 Vol. 44 (07): 1968-1973 [摘要] ( 35 ) RICH HTML PDF (12163 KB)  ( 9 )


1974微区X射线荧光技术揭示宏体化石骨骼以及埋藏环境元素特征——以中三叠世盘县混鱼龙为例

王一诺1，付宛璐1，2，周 敏1*，鲁 昊3，孙作玉1，姚明涛1，江大勇1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1974-08


应用可对脊椎动物骨骼化石及其围岩元素特征进行原位无损检测的微区X射线荧光技术（Micro-XRF）对距今约2.44亿年的中三叠世海生爬行动物盘县混鱼龙（Mixosaurus panxianensis）正模及副模化石标本进行扫描，将获取的整体元素分布模式可视化，并以手持式X荧光光谱仪对部分相关特征区域进行辅助扫描。扫描结果显示，骨骼化石与围岩的元素分布呈现明显差异，骨骼化石以Ca、P、Sr、Y等元素富集为代表；围岩以Ca、K、Fe、Mn等为特征元素。此外，Zn在副模标本中呈现差异分布，躯干部位Zn富集，高于头骨。研究认为Micro-XRF扫描结果可详细揭示盘县混鱼龙的骨骼解剖学特征，补充了在一般光学显微镜下无法从化石上看到的右前肢及腹膜肋等重要信息，并可以更好地区分钙质围岩和骨骼。同时，经海陆对比，发现埋藏环境对不同元素的分布特征具有一定程度的影响，部分元素如Th、Ce、Cu、Sr表现出对埋藏环境的响应，而与骨骼相关的部分元素如Ca、P、Y受埋藏环境影响较小。另外，Zn在骨骼化石不同部位的差异分布很可能受骨骼发育影响，在副模化石标本上Zn富集的椎体及肋骨可能处于快速骨化阶段，推断该个体可能为亚成年个体。


2024 Vol. 44 (07): 1974-1981 [摘要] ( 36 ) RICH HTML PDF (56825 KB)  ( 30 )


1982近红外光谱技术对花生蛋白组分与亚基的高通量模型建立

崔颢凡1，刘红芝1，郭 芹1*，顾丰颖1，张 雨2，王 强1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1982-06


花生是一种优质植物蛋白资源，花生蛋白组分与亚基含量显著影响其功能特性，决定了其在食品领域的应用范围，花生蛋白主要包括花生球蛋白和伴花生球蛋白，其中花生球蛋白包含4个亚基（40.5、37.5、35.5和23.5 kDa），伴花生球蛋白Ⅰ包含3个亚基（15.5、17和18 kDa），伴花生球蛋白Ⅱ只含有1个61 kDa亚基。为了实现花生蛋白主要组分及亚基的快速无损、高通量、高灵敏度检测，以全国145份优质花生样品为研究对象，首先采用便携式近红外花生品质速测仪，在900～1 700 nm波长范围内对不同花生样品进行光谱采集，再采用聚丙烯酰胺凝胶电泳法测定了花生蛋白组分与亚基含量，花生球蛋白的亚基含量在44.3%～67.3%之间；伴花生球蛋白亚基含量在35.2%～55.7%之间；61 kDa亚基含量在13.5%～25.3%之间；40.5 kDa亚基含量在6.8%～16.0%之间；37.5 kDa亚基含量在6.9%～17.4%之间；35.5 kDa亚基含量在5.7%～19.2%之间；23.5 kDa亚基含量在18.7%～27.4%之间；18 kDa亚基含量在5.9%～11.7%之间；17 kDa亚基含量在6.9%～13.6%之间；15.5 kDa亚基含量在4.5%～11.9%之间，分别对比归一化（Normalize）、一阶导数（FD）和二阶导数处理（SD）、基线校准（Baseline）、去趋势（Detrend）、多元散射校正（MSC）和数据元素解析处理（Deresolve）这7种光谱预处理方法，结合主成分分析（PCA）和偏最小二乘法（PLSR），优化了2个蛋白组分和2个亚基（花生球蛋白、伴花生球蛋白、37.5和23.5 kDa）的近红外光谱模型，构建了6个亚基（61、40.5、35.5、18、17和15.5 kDa）的近红外光谱模型，实现了对上述10个指标的同步检测。结果表明，确定最优预处理方式后建立的模型校正集相关系数（Rcal）为0.90～0.96，校正均方根误差（SEC）为0.25%～1.27%；预测集相关系数（Rcp）为0.76～0.96，预测均方根误差（SEP）为0.50%～1.81%，具有很好的预测能力，可用于花生品种蛋白组分与亚基含量的快速检测，为花生蛋白品质的快速评价提供了新方法。


2024 Vol. 44 (07): 1982-1987 [摘要] ( 37 ) RICH HTML PDF (3854 KB)  ( 13 )


1988基于近红外光谱法的精米品种判别优化研究

杨 森1，王振民1*，宋文龙1，邢 键1，戴景民2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1988-05


由于地理标志性大米巨大的市场价值，导致掺假行为时有发生。因此，为保证地理标志性大米品牌效益和消费者权益，实现准确的精米品种判别具有重要意义。近红外光谱法是精米品种判别的常用方法，通过提取不同品种近红外光谱中的差异性特征实现品种分类。然而，现有研究中存在特征波长选取性能不足和针对指定品种判别准确度不足的问题，限制了基于近红外光谱法的精米品种判别准确度的提升。针对上述问题，面向东北地区五常、响水、越光、银水四种大米，从特征波长选取和品种判别策略两个方面，研究基于近红外光谱法的精米品种判别优化。首先，为提高特征波长选取性能，将排列熵和自适应滑动窗口分割相结合，提出了基于自适应滑动排列熵的精米光谱特征波长选取方法，并开展与传统特征波长选取算法的对比实验。其次，为提高面向不同指定品种的判别准确度，提出基于判别目标的精米品种判别策略，通过研究光谱预处理算法与分类建模算法匹配优化，建立“指定品种-选定模型-选定算法的”的判别流程。实验结果表明，采用所提出的自适应滑动排列熵算法进行特征波长选取，相比于传统算法精米品种判别误差至少可降低50%；采用所提出的基于判别目标的精米品种判别策略，相比于传统的基于固定模型的判别策略的判别准确度至少可提高2.5%。


2024 Vol. 44 (07): 1988-1992 [摘要] ( 41 ) RICH HTML PDF (3507 KB)  ( 20 )


1993熟驴肉掺假近红外定性及定量检测

牛晓颖1，2，3，牟晓晴1，2，3，孙 杰1，2，3，赵志磊1，2，3*，张春江4


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1993-09


驴肉风味绝佳、营养丰富，价格高昂且供应量低。驴肉火烧等熟驴肉中掺假马肉、骡子肉等其他肉类的问题亟待解决。为实现熟驴肉样品在不同掺假比例下的定性定量分析，以10%为梯度，分别制备驴肉含量为0%~100%的驴马掺假和驴骡掺假样品，并在4 000~12 500 cm-1光谱范围采集样品光谱。针对熟驴肉掺假问题，采用线性判别分析、支持向量机以及广义回归神经网络的方法结合平滑算法（5点、15点、25点）、多元散射校正（MSC）、标准正态变量变换（SNV）、基线校正（Baseline）、归一化和去趋势化（Detrend）等预处理方法建立了近红外鉴别模型。采用偏最小二乘回归（PLSR）、反向传播神经网络（BP）方法结合以上预处理方法分别对熟驴肉掺假样品建立定量模型检测驴肉含量。SNV预处理结合支持向量机对熟肉碎掺假样品鉴别模型结果较优，校正集和预测集判别正确率为98.70%和94.78%；Detrend预处理结合线性判别分析的熟肉糜掺假样品鉴别模型结果较优，校正集和预测集的判别正确率分别达到98.47%和96.23%。建立定量模型进行掺假样品中驴肉含量的检测，BP模型相较于PLSR模型均取得较好的结果，具有较高的决定系数（R2）、相对分析误差（RPD）和较低的均方根误差（RMSE）。对于熟肉碎掺假样品，驴骡掺假样品集在Detrend处理后的BP模型结果较好，交叉验证集以及预测集的R2、RMSE、RPD分别为0.971、0.067、5.844，0.980、0.086、6.984；驴马掺假样品集在归一化预处理后BP模型结果较好，各项参数分别为0.997、0.032、18.026，0.982、0.089、7.454。对于熟肉糜掺假样品，经Detrend预处理的BP模型结果均较优，驴骡掺假样品最佳定量模型的参数分别为0.982、0.041、7.470，0.986、0.103、8.452；驴马掺假最佳模型参数分别为0.986、0.036、8.348，0.961、0.101、5.044。结果表明，近红外光谱结合不同的建模算法实现了不同比例掺假的熟驴肉样品快速无损检测和鉴别，能够用于此后熟驴肉掺假的定性、定量分析。


2024 Vol. 44 (07): 1993-2001 [摘要] ( 33 ) RICH HTML PDF (3028 KB)  ( 16 )


2002基于ReliefF算法的钛合金电弧增材沉积层尺寸与光谱特性的相关性分析

肖 笑1，王雪晴1，张 弛1，葛学元2，李 芳3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-2002-09


电弧增材制造具有沉积效率高、成本低、沉积形状和尺寸不受限制等优点，而目前电弧增材制造成型件的成型精度难以精确保证。沉积层尺寸作为评价构件成型质量的标准之一，对判断加工质量以及缺陷补偿至关重要。实时监测电弧增材制造过程中沉积层尺寸的变化状态，对于优化工艺参数，确保增材制造构件的成型质量具有重要意义。电弧光谱信息可以反映电弧状态，电弧状态与成型质量密切相关，因此研究电弧光谱与沉积层尺寸的关系具有重要意义。以钛合金(TC4)材料作为基板和焊丝，电弧等离子体光谱信号为研究对象，研究GTAW增材电弧光谱特性与沉积层尺寸的相关性。搭建光谱采集系统，采集熔池上方、熔池外围、钨极下方不同位置的电弧光谱信号。基于谱线分离性高原则，分别选取波长为404.20 nm的TiⅠ谱线、波长为416.36 nm的TiⅡ谱线、波长为420.20、434.81、480.50和487.98 nm的ArⅡ谱线以及波长为696.54和794.82 nm的ArⅠ谱线，提取其谱线的峰强特征，结合ReliefF算法分别挖掘不同谱线强度特征与沉积层尺寸的相关性。结果表明，三组位置的所有谱线中熔池上方的波长为404.03 nm的TiⅠ元素谱线、416.36 nm的TiⅡ元素谱线以及794.82 nm的ArⅠ元素谱线谱峰强度特征与沉积层尺寸具有较强的相关性。分别研究相同位置的不同谱线峰强特征与沉积层尺寸的相关性差异，结果表明熔池上方与沉积层尺寸相关性最大特征谱线为波长696.54 nm的ArⅠ谱线、熔池外围和钨极下方与沉积层尺寸相关性最大的特征谱线为波长794.82的ArⅠ谱线。为减小随机误差，采用PCA算法将三个电弧光谱采集位置上与沉积层尺寸相关性最大的谱线对应的强度特征进行融合，获得新的融合特征，结合K近邻算法建立沉积层尺寸预测模型，分别计算这四个特征预测样本类别的准确率，发现融合特征预测样本所属的沉积层尺寸的准确率更高。基于此新特征结合阈值分割法实现动态监测沉积层尺寸变化。


2024 Vol. 44 (07): 2002-2010 [摘要] ( 39 ) RICH HTML PDF (11508 KB)  ( 6 )


2011高分辨率罗兰圆光学系统的色差校正方法研究

陈吉文，陈作儿


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-2011-07


罗兰圆光学系统优点众多，但系统中因平凸透镜的使用，导致各特征波长色散后的成像点在罗兰圆附近产生了一定量的偏移量，使得各波长成像点依次排列在一条曲面上。由于目前新型采集器件线阵CMOS或CCD的使用，而这类传感器的感光面是一个平面，因此导致结果产生较严重的色差。提出了一种使用加权最小二乘法拟合像面的色差校正方法，并计算出系统像面的中心偏移距和偏移倾斜角这两个校正参数，将其引入原本罗兰圆光学系统进行色差校正，从而确定线阵光电传感器像面的最佳位置，实现高分辨率。此外在真空紫外光谱中C、P和S等元素非常重要，可使用本文提出的基于加权最小二乘法的色差校正方法，通过增加这类元素权值占比，实现最优分辨率。最后通过Zemax软件进行光学仿真，完成了罗兰圆光学系统的仿真以及优化。并给出170~410 nm波段点列图的成像宽度仿真以及各元素特征波长在CMOS传感器上所采集到的光谱图，推算出其实际应用中的分辨率，其照度光谱图显示其分辨率均可保持在0.02 nm，接近系统理论最佳分辨率。研究结果表明基于加权最小二乘法拟合像面的方法，可实现罗兰圆光学系统的色差校正，实现高分辨率。


2024 Vol. 44 (07): 2011-2017 [摘要] ( 34 ) RICH HTML PDF (4341 KB)  ( 7 )


2018新型水上油膜厚度测量系统研制

黄 未，孙 昊，刘致元，王 坤，苏明旭，杨荟楠*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-2018-06


浮油污染对生态环境造成了严重的影响，各国投入大量资金和人力用于水上浮油的研究。其中，水上油膜厚度的高精度测量对于浮油预防与处理至关重要。以柴油为研究对象，利用傅里叶变换红外光谱仪获取了不同温度下（293/298/303/308/313/318 K）柴油和常温下（298 K）水的吸收光谱，发现柴油和水在近红外区域（6 000.0~11 000.0 cm-1）存在明显吸收，且柴油的吸收光谱不随温度发生偏移。选取了柴油吸收系数最大的波数位置ν1（8 381.6 cm-1）用于建立单波长水上油膜厚度反演模型。选取了ν1和吸收系数趋于零的波数位置ν2（8 918.7 cm-1）用于建立双波长水上油膜厚度反演模型。此外，水在这两个波数位置的吸收系数极小，对测量结果几乎没有影响。利用已知油膜厚度（0~1 000 μm）的标准具对两种反演模型的测量精度进行验证，发现两种模型获得的膜厚值与已知值的平均相对偏差分别为36.4%和2.5%，最大相对偏差分别为44.7%和3.7%，最大标准差分别为7.0和5.6 μm。可见，双波长水上油膜厚度反演模型明显优于单波长水上油膜厚度反演模型。在此基础上，研制了一套基于双波长吸收光谱法的新型水上油膜厚度测量系统，该系统的时间分辨率为0.03 s。最后，利用该系统研究水面上逐滴滴入一定体积（1 mL）柴油后的水上油膜厚度变化，并结合超声脉冲反射法进行同步测量对比分析。每滴入一次柴油利用两种方法各重复测量10次，总共测量了20组油膜厚度数据（16~35 mL），将两种方法测量结果的平均值进行对比。结果表明，两种方法测得的油膜厚度平均相对偏差为2.5%，最大相对偏差为3.7%。其中，双波长吸收光谱法10次重复测量获得的油膜厚度的最大标准差为6.4 μm。综上所述，所研制的系统可以实现高精度测量水上油膜厚度，具有无干扰、响应快、结构紧凑等优势，且可应用于不同类型的浮油测量，有望为溢油的监控、预防和处理提供新思路和科学指导。


2024 Vol. 44 (07): 2018-2023 [摘要] ( 42 ) RICH HTML PDF (7514 KB)  ( 12 )


2024热处理红宝石中填充物硼砂的定量研究

向子涵1，尹作为2，3，张志清1*，王文薇2，3*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-2024-05


红宝石的热处理属于优化处理，常用硼砂作助熔剂。在市场中热处理红宝石被以天然红宝石出售，价值颇高，但裂隙中硼砂的含量多少会影响到售价的高低。因此，对此类红宝石中的硼砂进行定量研究，应用NanoVoxel-4000X型射线计算机断层扫描仪对样品进行扫描分析，从而获得裂隙中充填物硼砂的2D图像。用明暗灰度值表征裂隙中不同密度的物质；充填物硼砂分布的3D图像中用不同的颜色表征其三维厚度。通过比较表征厚度的色标，可直观看到硼砂的整体含量小。同时样品的硼砂的厚度分布直方图显示所有裂隙内硼砂的厚度都小于130 μm，所有硼砂的厚度和体积比都小于10%，也说明填充量小。最后通过Avizo 9.0软件对红宝石样品和硼砂的含量进行阈值分割，得到两者的实际体积，然后可计算出硼砂含量的体积占红宝石总体积的百分比。本实验样品中充填物硼砂体积比例为10.69%，这既是热处理红宝石中硼砂定量检测中的一个重要指标，也为研究热处理红宝石中硼砂的定量分级标准提供了数据支撑。


2024 Vol. 44 (07): 2024-2028 [摘要] ( 42 ) RICH HTML PDF (18187 KB)  ( 14 )


2029SATS：一种基于多重特征提取的恒星光谱分类算法

屠良平1，2，李双川2，涂东鑫1，李建喜1*，丁治超2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-2029-08


对恒星光谱进行深入研究，可以了解恒星的化学组成和物理特性。恒星光谱分类是恒星光谱研究领域的一个重要方向，随着海量恒星光谱数据的出现，人工分类手段就无法满足科研的需要。基于此，搭建了SATS（SVD Analysis Transformer SoftMax）算法，该算法实现了对F、G、K型恒星光谱的自动分类。SATS算法，首先以奇异值分解（SVD）的方式，对归一化后的恒星光谱做去噪处理；然后对恒星光谱进行特征提取，特征提取层共有六个模块：增量主成分分析（Incremental PCA）、核主成分分析（Kernel PCA）、稀疏主成分分析（Sparse PCA）、因子分析（Factor Analysis）、独立成分分析（Fast ICA）和Transformer（前五个模块统称为Analysis模块），为保证方差贡献率在0.95以上，IPCA、KPCA、Sparse PCA、Factor Analysis和Fast ICA将恒星光谱特征提取为300维；最后，将恒星光谱输入到SoftMax层进行自动分类。SATS算法将多个Analysis模块结合使用，进一步提高了使用单一Analysis模块的分类正确率。Transformer模块和多个Analysis模块的结合使用，再一次提高了分类正确率。SATS算法最大的优势在于对恒星光谱进行了多重特征提取，以不同的特征提取方式，最大程度地保留了原始恒星光谱信息，将信息损失做到最低。SATS算法的最终分类正确率为0.93，这一分类正确率也高于混合深度学习算法CNN(convolutional neural network)+Bayes、CNN+KNN、CNN+SVM、CNN+Adaboost和CNN+Adaboost0.86、0.88、0.89、0.87、0.89的分类正确率。


2024 Vol. 44 (07): 2029-2036 [摘要] ( 38 ) RICH HTML PDF (6937 KB)  ( 12 )


2037基于超声-微纳米气泡辅助技术的可变光程水质多参数检测方法研究

李 文，李德健*，马永跃，田 旺，陈银银，王利民，吕 赫，李 杰，骆紫云


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-2037-08


针对目前国家标准分析检测水质多参数方法存在的科学与技术问题，提出了一种基于超声-微纳米气泡（US-MNB）辅助技术、连续光谱法和顺序注射分析法（SIA）的可变光程水质多参数检测新方法。设计水质多参数检测系统，通过检测总磷（TP）、化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）和六价铬（Cr6+）四种水质参数，验证了新方法的可行性。系统设计的核心是基于超声与微纳米气泡相结合的消解室以及具有可变光程功能的光谱扫描检测室，可达到快速消解和稳定检测的目的。同时系统基于国家水质检测标准，优化了水质多参数联合检测流程，并利用分光光度法和顺序注射分析技术对四种水质参数的含量进行连续光谱检测。首先，在常温常压下采用US-MNB辅助技术结合强氧化剂对TP进行消解，同时对检测室中NH3-N参数显色反应后的化合物直接进行光谱扫描测定，消解后，再进行TP的测定。同理，消解COD的同时，对检测室中的Cr6+参数显色反应后的化合物直接进行光谱扫描测定，消解后，再进行COD的测定。整个检测过程所用时间大幅降低，可在短时间内自动完成水质多参数的测定，显著地提高了检测的效率。以上述四种水质参数为测定对象，利用最小二乘法构建回归模型，拟合回归方程并计算相关系数，并绘制各参数的浓度-吸光度标准工作曲线。结果表明：TP标准工作曲线拟合系数≥0.984 5，且浓度与吸光度成正相关，重复性（RSD）为3.05%~3.62%，加标回收率为97.8%~103.6%；COD标准工作曲线拟合系数≥0.998 7，且浓度与吸光度成负相关，重复性（RSD）为2.12%~2.74%，加标回收率为98.7%~104.7%；NH3-N标准工作曲线拟合系数≥0.995 3，且浓度与吸光度成正相关，重复性（RSD）为3.41%~3.59%，加标回收率为99.2%~102.4%；Cr6+标准工作曲线拟合系数≥0.993 8，且浓度与吸光度成正相关，重复性（RSD）为3.51%~3.92%，加标回收率为98.9%~109.3%。系统可准确测定水样中TP、COD、NH3-N和Cr6+的含量，且具有良好的稳定性与可靠性。基于超声-微纳米气泡辅助技术的可变光程水质多参数检测方法研究，对于拓宽光谱法在水质多参数快速检测领域的应用以及提升检测效率等方面的研究具有重要作用。


2024 Vol. 44 (07): 2037-2044 [摘要] ( 35 ) RICH HTML PDF (10744 KB)  ( 11 )


2045FY-3D MERSI-Ⅱ反射太阳波段长期响应衰减估计及订正方法

王 玲1，2，3，胡秀清1，2，3*，张 北1，2，3，徐寒列1，2，3，何兴伟1，2，3，漆成莉1，2，3，张晓涵1，2，3，司一丹1，2，3，徐 娜1，2，3，陈 林1，2，3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-2045-11


遥感仪器的长期辐射响应衰减估计与订正是提高卫星遥感数据稳定性和准确性的关键。利用MERSI-Ⅱ在沙漠和DCC稳定目标上空的长时间观测数据，建立仪器辐射响应与时间的函数关系模型，并通过逆方差加权平均方法融合两种稳定目标的结果，获取仪器辐射响应退化量和辐射定标系数的序列估计。辐射响应衰减跟踪监测结果表明，MERSI-Ⅱ自在轨开始业务运行到2022年9月，波长小于500 nm的3个蓝光波段（通道1，通道8—9）和波长大于1 000 nm的4个近红外-短波红外波段（通道5—7，通道19）存在明显衰减，年衰减率为1.47%~4.32%。L1级产品精度检验也发现，7个明显衰减通道的业务定标偏差均超过±5%，其中通道5和8偏差最大，约为-20%。应用本研究获取的辐射定标系数序列后，L1产品辐射定标精度随时间变化平稳，定标偏差维持在±3%以内，同时L2级产品精度也明显提升，表明了该研究建立的辐射衰减估计与订正方法的有效性。


2024 Vol. 44 (07): 2045-2055 [摘要] ( 34 ) RICH HTML PDF (14204 KB)  ( 11 )


2056联合空间位置信息的陆基高光谱图像目标检测算法

赵佳乐1，王广龙1，周 冰1*，应家驹1，刘 杰1，林 超2，陈 琪1，赵润泽3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-2056-10


受空间分辨率与探测器水平的限制，传统的高光谱图像目标检测算法更侧重于基于光谱分析的定量化处理。近年来，随着地面与近地面成像平台以及光谱成像技术的发展，陆基高光谱图像实现了高空间分辨率与高光谱分辨率的统一。相比于高光谱遥感图像，陆基高光谱图像的空间分辨率更高，其目标具有细节丰富、尺度较大的特点，在目标检测任务中能够同时利用目标的几何形状信息与精细光谱信息。约束能量最小化（CEM）是一种经典的高光谱图像目标检测算法，这种算法很适合特定的成分占图像总方差比例很小的情况，能突出某种待测目标信息，压制背景信息，从而达到从图像中分离出待测目标的效果。然而，CEM对目标的尺度比较敏感，随着目标像元数目的增加，该算法的探测效果显著下降。导致这一问题产生的原因在于CEM是基于统计背景时不包括目标光谱信息这一假设的，但实际情况中难以预先剔除目标光谱信息，而是直接统计全域图像的每个像元的光谱来近似代替背景光谱。为了解决CEM在较大目标的检测任务中效果不佳的问题，改进该算法在陆基高光谱图像中的目标检测能力，提出了一种基于空间检测指导的CEM方法（SIG-CEM）。该方法首先将获取到的待测高光谱图像进行主成分分析，将第一主成分图像送入空间目标检测模型，利用检测结果得到的坐标信息对目标进行框定。而后在求取CEM中的自相关矩阵时去除框定区域内包含目标的像元，从而有效减少了对目标的抑制。分别利用公开的遥感高光谱图像与实测的陆基高光谱图像进行实验，实验结果表明：SIG-CEM算法能够避免传统CEM算法中目标信号作为背景信号参与运算而对探测结果的影响。在公开数据集的实验中，相比于其他传统的目标检测算法，SIG-CEM算法的AUC值达到了0.973 7，有效提升了目标检测的精度；在实测陆基高光谱图像数据的实验中，SIG-CEM比CEM的AUC值平均提升了0.055。同时，实验在一定程度上验证了SIG-CEM算法针对不同类型的高光谱图像具有较强的鲁棒性与适用性。该研究提出了一种专门针对陆基高光谱图像的目标检测方法，推进了今后陆基高光谱图像在目标定位与识别方面的发展与应用。


2024 Vol. 44 (07): 2056-2065 [摘要] ( 42 ) RICH HTML PDF (46021 KB)  ( 10 )


2066无人机高光谱遥感和集成深度置信神经网络算法用于密云水库水质参数反演

乔 智1，姜群鸥1，2*，律可心1，高 峰1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-2066-09


随工业化及社会经济迅速发展，水源地面临的水体污染、恶化不断加剧，开展有效的水质监测是水源保护的重要前提。密云水库是北京重要的地表水源地，在保护首都水源安全方面发挥着重要作用。为更精准的监测密云水库水质参数及污染程度，采用4期无人机高光谱遥感数据，基于随机子空间的集成深度置信神经网络算法（EDBN），构建密云水库水质参数反演模型，对密云水库总氮(TN)、总磷(TP)两项水质参数进行反演。首先，采用基于递归特征消除法对高光谱影像降维处理，将光谱数据与地面水质监测数据进行叠加，通过最小化训练过程中误差来确定隐藏层数、神经节点数等网络结构参数；然后采用由知识源域向网络迁移方式逐步拓展网络，对密云水库总氮和总磷两个水质参数进行训练并对结果进行验证；最后，反演密云水库潮河大坝和白河大坝区域水质参数，揭示其主要水质参数时空演变规律。研究结果显示：①构建总氮、总磷反演模型R2分别为0.835 5、0.770 3，MSE分别为0.015 3、0.000 8，这表明基于随机子空间的集成深度置信神经网络算法模型对密云水库水质参数反演效果较好；②密云水库总氮浓度变化随季节发生一定波动，在夏季浓度较低，秋季相对较高。总磷浓度变化相对平稳，表明密云水库周边区域对磷污染控制效果良好；③白河大坝区域水质优于潮河大坝区域，总氮浓度相对偏高，整体处于Ⅲ类水平。而总磷浓度较低，整体处于Ⅱ类水平，较好时可以达到Ⅰ类水平。整体水质可以满足饮用水源的标准，但仍需加强对氮、磷污染物有效监管。研究结果将为密云水库水质高效监测与水源保护提供重要科学依据。


2024 Vol. 44 (07): 2066-2074 [摘要] ( 34 ) RICH HTML PDF (22631 KB)  ( 11 )


2075船舶溢油污染海冰可见光-近红外反射光谱特征及其角度效应

许建康1，刘丙新1，2*，杜雨隆1，李 颖1，2，刘 鹏1，2，陈 澎1，2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-2075-08


随着北极航线的开通，往来极地冰区的船只数量逐年增加，这使得发生冰区溢油的风险随之增加。冰区溢油具有清理难度大、污染持续时间长等特点，快速准确的监测手段成为提高清理效率、降低污染危害的重要途径之一。遥感技术在开阔水域溢油的监测中得到了广泛应用，但在有冰海区溢油的监测研究较少。尤其对于受溢油污染的海冰的反射光谱特征及其随角度变化规律的研究鲜有报道。通过开展海冰溢油模拟实验，测量不同观测天顶角和相对方位角下油污染海冰的可见光-近红外反射光谱，天顶角每间隔10°采集一次，范围为：-50°~50°，相对方位角包括了：0°、90°、180°、270°。利用光谱标准偏差分析海冰受污染前后的光谱差异，选取差异值最大的波段560 nm作为油污染海冰识别的特征波段。为探寻特征波段反射差异随观测几何变化的规律，构建了一种考虑海冰前向散射特征的核驱动模型Ross Thick-Roujean-r-RPV，并利用实测数据进行检验，在主平面和垂直主平面的拟合误差分别为0.004 62、0.004 16，拟合效果优于Ross Thick-Li sparse、Ross Thick-Li sparse R、Ross Thick (QU)-Roujean及Ross Thick (QU)-Li sparse R-r-RPV等常用核驱动模型。利用该模型，进一步模拟了不同观测几何条件下油污染前后海冰特征波段反射差异的角度效应。结果表明，海冰在相同观测几何条件下，受污染前后反射光谱存在差异，污染海冰反射率要低于清洁海冰，且清洁海冰在波段1 013～1 196 nm范围内存在一个波峰，而在受污染后此波峰消失；当观测方位角不同时，海冰反射率也存在差异，具体表现为，在前向方向随着观测角度的增大而增加，而在后向方向则表现为随观测角度的增加而降低；在主平面方向，反射率随观测角度增加则是先增加后降低。在天顶角为50°，相对方位角范围在250°~290°时，光谱差异最大，即最有利于海冰溢油的提取。研究结果能够为冰区船舶溢油监测传感器的波段和观测几何优选提供参考。


2024 Vol. 44 (07): 2075-2082 [摘要] ( 38 ) RICH HTML PDF (4559 KB)  ( 17 )


2083基于辐射传输模型探究机载高光谱激光雷达的植被垂直生化组分探测能力

郝一硕1，2，牛沂芳1*，王 力1，毕恺艺1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-2083-10


自然环境下的植被群落，由于各种群之间以及种群与环境间的竞争与选择，常呈现出一定的垂直结构，对于同一植株的不同生长阶段，在垂直方向也有着不同的生理生化参数。对这种三维立体分布特征进行探测，能够进行生态环境立体化定量评价，对森林碳储量估算和生物多样性保护等具有重要意义。传统的被动光学遥感以及激光雷达在植被生化参数垂直探测方面有较大的局限性，而高光谱激光雷达（Hyperspectral LiDAR, HSL）这一新型探测仪器的出现为探测植被生理生化参数垂直分布提供了新的手段。但由于受到硬件方面的限制，HSL在机载平台下对森林复杂立体场景的适用性尚未得到充分研究。故首先基于HSL原型样机在实验室开展小尺度的室内测量，以火炬花植株为目标，验证其对空间信息和光谱信息的一体化提取能力；随后进一步使用三维辐射传输模型构建具有垂直异质性特征的森林场景，模拟机载HSL设备实现森林的高光谱三维点云提取，结合植被指数和随机森林模型对场景中三种不同植被冠层的叶绿素浓度和类胡萝卜素浓度进行反演。结果表明：室内实验证实了HSL回波信息可以有效区分植株不同高度处光谱曲线的差异, 火炬花上部红色叶片和下部绿色叶片的归一化植被指数分别小于和大于0.5；基于三维辐射传输模型成功构建了虚拟森林场景的机载HSL高光谱三维点云，在得到的24组植被指数中，有17组指数表现出良好的探测精度（平均绝对百分比误差MAPE＜13%）；植被叶绿素反演模型R2达到0.93，上层、中层和下层的平均绝对误差MAE分别为6.26、3.40和2.81；类胡萝卜素反演模型R2为0.91，上层、中层和下层的MAE分别为1.59、2.58和0.39。该研究显示出HSL设备是一种立体化提取植被光谱信息的有效手段，在探测森林等复杂植被场景的生化组分垂直分布方面具有巨大的应用潜力。


2024 Vol. 44 (07): 2083-2092 [摘要] ( 32 ) RICH HTML PDF (19631 KB)  ( 9 )


2093粒径对土壤石油烃荧光特性影响及校正方法研究

杨金强1，2，3，杨瑞芳1，3*，赵南京1，3*，殷高方1，3，方 丽1，3，石高勇1，2，3，刘梁晨1，2，3，黄 朋1，3，4，刘文清2，3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-2093-08


采用紫外诱导荧光技术对土壤中石油烃污染物进行检测时，不同粒径土壤会对测量带来较大误差，为了消除土壤粒径（soil particle size, PS）对测量带来的影响，配制3种不同粒径的常见的土壤石油烃污染物（土壤原油、土壤柴油、土壤汽油）样本，搭建紫外诱导荧光检测系统，研究了不同粒径下各类土壤石油烃污染物的荧光特性，构建了土壤石油烃粒径校正方法。结果表明，对于土壤原油、土壤柴油和土壤汽油样本，当样本浓度为4、4和10 g·kg-1时，各类型土壤油类样本的荧光信号与粒径具有良好的线性相关性，相关系数R2分别达到了0.998 9、0.968 6和0.904 5。通过土壤颗粒物吸附模型，对实验结果进行解释分析，建立土壤粒径校正方法，对各类型土壤石油烃样本在不同粒径下的荧光信号进行校正；粒径校正前后3种类型的土壤石油烃荧光强度与浓度的相关系数R2分别由校正前的0.326 5、0.004 7、0.329 8上升到校正后的0.983 8、0.983 2、0.953 3，浓度反演的相对误差（RE）分别为11.02%、5.71%、10.19%。建立的土壤粒径校正方法可以有效地降低土壤粒径对土壤石油烃类污染物荧光强度的影响，为采用紫外诱导荧光技术快速、原位、准确的检测土壤石油烃类污染物提供了理论依据和技术支持。


2024 Vol. 44 (07): 2093-2100 [摘要] ( 37 ) RICH HTML PDF (5724 KB)  ( 25 )


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