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光谱学与光谱分析
光谱学与光谱分析

高松

月刊

1000-0593

chngpxygpfx@vip.sina.com

010-62181070

100081

北京市海淀区学院南路76号钢铁研究总院

光谱学与光谱分析/Journal Spectroscopy and Spectral AnalysisCSCD北大核心CSTPCDEISCI
查看更多>>本刊系中国光学学会会刊，由钢铁研究总院、中国科学院物理研究所、北京大学、清华大学联合承办的学术性刊物。刊登主要内容：激光光谱测量、红外、拉曼、紫外、可见光谱、发射光谱、吸收光谱、X-射线荧光光谱、激光显微光谱、光谱化学分析、国内外光谱化学分析最新进展、开创性研究论文、学科发展前沿和最新进展、综合评述、研究简报、问题讨论、书刊评述。本刊适用于冶金、地质、机械、环境保护、国防、天文、医药、农林、化学化工、进出口商检等各领域的科学研究单位、高等院校、光谱仪器制造厂家、从事光谱学与光谱分析的研究人员、高等院校有关专业教师和研究生、有关专业管理干部。《光谱学与光谱分析》为我国首批自然科学核心期刊，中国科协优秀科技期刊，中国科协择优支持基础性、高科技学术期刊，是中国科技论文、中国科学引文数据库、中物理文摘、中国学术期刊文摘的统计源刊，被国外的SCI，AA，CA，EI，MEDLINE，AJ等文献结构收录。
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    《光谱学与光谱分析》对来稿英文摘要的要求

    1080页
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    基于荧光光镊与机器学习的单细胞血液分类方法

    周哲海熊涛赵爽张帆...
    1081-1087页
    查看更多>>摘要：利用物种间血液成分的差异来识别物种,对生物医学、医疗健康、海关、刑侦、食品安全、野生动物保护等工作十分重要.但目前的研究都是针对群体细胞展开,忽略了单细胞的异质性,开展基于单细胞的血液光谱分类方法研究非常迫切.在此提出了一种基于荧光光镊和机器学习的单细胞血液分类方法,利用光镊实现了单细胞捕获,通过荧光光谱检测系统获得了单细胞荧光光谱数据,并基于机器学习方法实现了准确分类.首先,设计并搭建了一套荧光光镊系统,实现了单细胞捕获和荧光光谱检测.然后,制备了马、猪、犬、鸡四种动物的红细胞稀释液,以440 nm激光作为荧光激发光源,获得了四个物种每种100条、共计400条荧光光谱数据,并进行了背景去除、平滑、归一化的预处理,消除了信号中的噪声干扰.随后,建立了随机森林分类模型,分析了当抽取特征数k=20时,模型中树的棵数与预测准确率之间的关系,当决策树m=500时,分类正确率趋于稳定,有很高的分类正确率和运行效率.进一步地,设定样本数据的30％作为测试集、70％为训练集,计算不同波长与特征重要性之间的关系,得到了 10个分类准确率,并取平均值作为模型分类的准确率,测试集最终准确率达到93.1％,方差为0.31％.最后,计算了混淆矩阵,对模型预测精度进行了评价,鸡的分类正确率最高,马的分类正确率最低.分析表明,对分类有重要贡献的物质分别是卟啉类物质、血红素和黄素腺嘌呤二核苷酸.总之,研究表明,将荧光光镊与机器学习方法相结合,可实现单细胞水平的血液分类,较高的分类正确率验证了这种方法的可行性和有效性.同时,该方法不需要过多样品就能满足建模需求,避免了因浓度低带来的荧光自吸收强度过低等问题,具有快速、准确分类的优点,具有非常重要的潜在应用价值.

    血液分类荧光光镊机器学习单细胞随机森林分类模型

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    1.27μmO2(a1Δg)气辉临边观测辐射传输特性

    王道琦王后茂何微微胡向瑞...
    1088-1097页
    查看更多>>摘要：1.27μm波段的O2(a1 Δg)气辉辐射具有辐射信号强、空间跨度大、自吸收效应弱等诸多内禀优势,是临近空间大气遥感的重要目标源,对于中高层大气的动力学及热学特性研究,全球温室气体探测,以及臭氧浓度三维层析等卫星遥感具有重要的科学意义和应用价值.首先基于O2(a1 Δg)光化学反应模型,研究了02(a1Δg)气辉的产生机制及湮灭机理,在此基础上,计算得到了 O2(a1 Δg)气辉体辐射率廓线,并基于HIT-RAN数据库给出的谱线强度及爱因斯坦系数,提出了两种计算O2(a1 Δg)气辉光谱分布的方法.采用最新的分子光谱参数、光化学反应速率常数及F10.7太阳紫外通量等参数,结合光化学反应模型计算得到的O2(a1Δg)气辉体辐射率廓线信息,借助逐线积分算法,建立了 1.27μmO2(a1Δg)气辉临边观测辐射传输理论模型,并分析了自吸收效应对不同临边观测高度处气辉辐射光谱强度的影响.然后,利用剥洋葱算法,对大气图像扫描成像吸收光谱仪(SCIAMACHY)在临边观测模式下测得的O2分子近红外大气带的气辉辐射信号进行处理得到了目标层O2(a1Δg)气辉辐射光谱,并通过谱积分算法反演得到了 O2(a1Δg)气辉的体辐射率廓线信息.最后通过对比气辉临边观测辐射传输理论模型计算得到的以及SCIAMACHY仪器测量反演得到的1.27μmO2(a1 Δg)辐射光谱及体辐射率廓线信息,验证1.27μmO2(a1Δg)气辉临边观测辐射传输理论模型的可靠性与合理性.基于比对结果,对O2(a1Δg)气辉临边辐射强度和体辐射率的影响因素进行了分析.分析结果表明,在50 km以上的高空区域,理论计算结果与卫星实测结果吻合性较好,而随着海拔高度的降低,两者的偏差逐渐增大,这是因为在临边观测模式下,中低空区域的卫星遥感信号受自吸收效应及大气散射效应影响严重.此外,与HITRAN数据库给出的谱线强度参数相比,基于爱因斯坦系数建立的O2(a1 Δg)气辉临边辐射模型与卫星实测结果更加吻合.1.27μmO2(a1 Δg)气辉临边观测辐射传输理论模型的建立,对于临近空间大气遥感,奠定了理论基础.

    O2(a1Δg)气辉体辐射率临边观测辐射传输理论模型

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    水下珊瑚双向反射率观测技术的研究

    谢栢成许占堂杨跃忠曾凯...
    1098-1105页
    查看更多>>摘要：遥感作为一种高效海洋环境监测手段,可以对海底各种底质类型分布及其状态变化进行同步大面积监测.目前,海底底质反射率观测技术主要为单个角度观测,开展底质多角度光反射特性观测技术的研究,分析不同底质双向反射分布函数(BRDF)特征,对于遥感高精度监测浅水海区底质具有重要意义,在满足遥感对复杂底质类型精确区分的同时能做到对底质更细微的动态变化监测.采用双通道同步测量的方法,设计了一套简便的海底底质双向反射率测量系统,获取了水下珊瑚及细沙底质的反射率特征数据.在大亚湾海域开展了现场测量,数据分析表明:(1)岸上沙质的BRDF特征:在400～700 nm内,当天顶角不变时(θ=20°,40°或60°),不同方位角(φ=0°,45°,135°,180°,225°和315°)所测得的反射率值标准偏差小于1.5％;当方位角不变时(φ=0°,45°,135°,180°,225°或315°),不同天顶角上的反射率值标准偏差均不大于1.7％,表明岸上沙质的BRDF变化较小,具有朗伯体特性;水下沙质的BRDF特征:在400～700 nm内,当天顶角不变时,不同方位角所测得的反射率值标准偏差随着波长的增大而增大;在400 nm时,反射率值的标准偏差为3.8％,在700 nm时,反射率值标准偏差递增至12％.水下沙质的BRDF表现为各向同性特征.(2)水下珊瑚BRDF特征:在天顶角不变时,不同方位角上所测得的反射率值标准偏差随着波长的增加呈现先增加后减小,而后激增的趋势.从400到605 nm,标准偏差从1％升至2％,而后从605到675 nm,标准偏差从2％降至1.2％,在675～700 nm,标准偏差从1.2％增至4.9％.现场测试数据分析结果表明本套水底双向反射测量系统能有效测量多种海底底质的反射光谱.通过现场获取的测量数据,对沙质和珊瑚两种典型底质的反射率光谱及BRDF进行了初步分析,为后续采用遥感手段反演浅水区底质及动态变化(如,珊瑚生长状态)提供多种底质多观测角度的反射率光谱特征.

    水下双向反射珊瑚各向异性底质反射率光学浅水遥感

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    新疆哈密恐龙骨骼化石风化原因分析

    韩向娜代黎洋蒋顺兴汪筱林...
    1106-1111页
    查看更多>>摘要：新疆早白垩世哈密翼龙动物群中恐龙化石的发现,增加了动物群的多样性,也为恐龙的系统演化提供了新的信息,具有重要的科学意义.然而,哈密恐龙化石在脱离原始埋藏环境在异地保存时,由于保存环境的改变,化石出现严重的风化现象.为了使哈密恐龙化石能够得到更好的保存、研究和展陈,采用多种分析技术方法,对产生明显风化现象的哈密恐龙骨骼化石进行检测,分析导致化石风化破碎的原因.X射线衍射(XRD)结果显示,哈密恐龙骨骼化石风化严重区域是骨松质部分,其主要矿物成分为石英和方解石,含有较少磷灰石、长石和黏土矿物等.其中石英和长石是充填骨松质孔隙中的外来碎屑颗粒,方解石是后期成岩或化石风化过程中形成的胶结物,而少量的磷灰石则主要来自骨骼.离子色谱(IC)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)以及扫描电子显微镜能谱仪(SEM-EDS)的结果表明,哈密恐龙骨骼化石风化区域的可溶盐以NaCl、CaCl2和Ca(NO3)2·4H2O为主,以及少量CaSO4,可溶盐含量高达2.63％,初步判断高可溶盐含量是造成化石出现严重风化现象的主要原因.压汞(MIP)测试结果表明,哈密恐龙骨骼化石风化区域的孔隙率为21.272 2％,与未风化区域16.420 6％的孔隙率相比显著增大.另外,恐龙骨骼化石风化区域存在两种孔径分布的孔隙,尺寸分别为0.005～0.04和17.3～283.2μm,相较于未风化区域,风化区域产生较多微裂隙,大孔径孔隙数量急剧增多.结论认为化石中含有大量以CaCl2和Ca(NO3)2·4H2 O为代表的潮解盐,易受北京四季温湿度变化的影响,潮解盐具有巨大破坏作用,从而使哈密恐龙骨骼化石风化区域孔隙率升高,孔隙增大,并且其内部充填物结构酥松且不均一,最终导致哈密恐龙骨骼化石酥粉破碎.该研究工作对哈密恐龙化石的异地保存及保护具有一定的科学指导意义.

    哈密翼龙动物群恐龙骨骼化石风化机理潮解盐新疆哈密

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    敬告读者——《光谱学与光谱分析》已全文上网

    《光谱学与光谱分析》编辑部
    1111页
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    花生籽仁黄酮含量近红外分析检测方法

    李振侯名语崔顺立陈淼...
    1112-1116页
    查看更多>>摘要：黄酮是影响花生籽仁营养价值的重要指标,常用的分光光度法及色谱法测定黄酮含量费时费力,不适于育种过程中大批量的检测.构建其近红外测定模型可为快速检测籽仁黄酮含量提供重要的技术保障.该研究以290份不同黄酮含量的花生种质为材料,Al3+显色法测定的黄酮含量在46.96～140.18 mgRT(RT:rutin)·(100 g)-1之间.使用瑞典波通DA7250型号的近红外分析仪(950～1 650 nm)扫描和采集花生籽仁的近红外光谱值,选用全波长光谱范围内偏最小二乘回归法(PLSR),对比单一和复合不同的预处理方法,比较不同模型的相关系数和误差来预测最佳模型,确定黄酮含量近红外光谱定标模型的最佳光谱预处理方法为"Savitzky-Golay Derivative+Baseline+De-trending",校正集相关系数(Rc)为 0.884,标准误差(RMSEC)为4.998.模型构建过程中,采用含有Savitzky-Golay Derivative的组合光谱预处理方法可以显著提高模型预测的相关系数.利用50份花生样品对该模型进行外部验证,预测的相关系数Rp为0.904,而预测的均方根误差RMSEP为1.122.本研究所构建的近红外光谱模型能够无损、高效的测定花生籽仁中的黄酮含量,为选育高黄酮含量的花生品种奠定基础,并为μg·g-1级物质含量的近红外模型构建提供借鉴.

    花生近红外光谱分析黄酮含量偏最小二乘回归法(PLSR)

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    基于机器学习的马铃薯叶片叶绿素含量估算

    李成举刘寅笃秦天元王一好...
    1117-1127页
    查看更多>>摘要：为了提高马铃薯叶绿素含量估算模型的精度,使用无人机平台搭载多光谱相机,获取对照处理和干旱处理下马铃薯关键生育期的遥感影像,选取13种植被指数作为叶绿素含量反演模型的输入变量,使用多元线性回归(MLR)、支持向量回归(SVR)、随机森林回归(RFR)、决策树回归(DTR)构建马铃薯叶绿素含量估算模型.首先分析了植被指数与叶绿素含量之间的相关性,结果表明,在对照处理块茎形成期,CIre、GNDVI、NDVIre、NDWI、GRVI、LCI与叶绿素含量之间的相关系数绝对值在0.5以上,且存在显著(p＜0.05)或极显著(p＜0.01)相关性;在马铃薯其他生育时期,13种植被指数与叶绿素含量之间的相关系数绝对值均在0.5以上,且存在极显著(p＜0.001)相关性.然后对MLR、SVR、RFR和DTR等模型的精度进行比较,结果表明:SVR模型在对照处理块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期的预测效果均是最佳,R2和RMSE在块茎形成期为0.89和2.11,块茎膨大期为0.59和4.03,淀粉积累期为0.80和3.18;RFR模型在干旱处理块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期的预测效果均是最佳,R2和RMSE在块茎形成期为0.90和1.57,在块茎膨大期为0.87和2.16,在淀粉积累期为0.63和3.01.该研究为马铃薯叶绿素含量监测提供一种新的方法,后期可根据不同试验处理选择相应的估算模型.

    马铃薯叶绿素含量多光谱支持向量回归随机森林回归决策树回归

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    最优光谱特征变量反演颗粒物污染生菜的生理信息

    孔丽娟隋媛媛刘爽陈丽梅...
    1128-1135页
    查看更多>>摘要：叶类蔬菜的品质和产量与其净光合速率息息相关,秋冬季节受颗粒物污染的影响,温室大棚内叶菜的光合作用受到制约,对生理信息的准确预测不利.以采收期生菜为试验对象,研究其在颗粒物污染生长环境下,基于高光谱技术建立并对比生菜净光合速率的反演模型的最优方法.获得生菜的净光合速率和高光谱数据;选取比值植被指数(RVI)、差值植被指数(DI)、归一化植被指数(NDVI)、可视化气压阻抗指数(VARI)、再归一化植被指数(RDVI)、垂直植被指数(PVI)和植被衰减指数(PSRI)的原始和一阶变换共14个光谱植被指数;用相关矩阵法优选出最优波长位置,而非选择既有的固定波长,计算得到最优植被指数,与光谱位置变量(红边幅值,Dr)及光谱面积变量,即红边面积(SDr)、红边面积与蓝边面积的比值(SDr/SDb)、红边面积与黄边面积的比值(SDr/SDy)共同作为光谱特征变量,建立颗粒物污染环境下生菜净光合速率的反演模型.采用多项式拟合和多元散射校正(MSC)、标准正态变量变换(SNV)、偏最小二乘(PLS)和主成分回归(PCR)光谱建模组合方法进行反演预测结果比较.研究结果表明:最优波长位置的PSRI(515,499)和DI(515,499)与净光合速率的相关性最大,可以反映颗粒物污染下生菜的更多生理信息,采用光谱预处理建模组合方法按精度从高到低排序为:SG+MSC+PCR＞SG+SNV+PLS＞SG+SNV+PCR＞SG+MSC+PLS,其中,SG+MSC+PCR组合建模方法的精度最高,决定系数为Rc=0.901 1,Rp=0.945 8,基于最优光谱植被指数建模效果最佳;光谱面积变量(SDr/SDb)的拟合精度最高(R2=0.936 5),可以实现生菜净光合速率的可靠预测,是基于光谱位置变量和面积变量建立生菜净光合速率的最优方法.该工作对颗粒物污染环境下利用高光谱技术进行植物的生理信息反演研究具有一定参考价值.

    颗粒物最优光谱指数特征变量净光合速率建模反演

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    基于Sentinel-2时序数据的广东省英德市茶园分类研究

    陈盼盼任艳敏赵春江李存军...
    1136-1143页
    查看更多>>摘要：茶叶是一种高附加值的经济作物,是我国南方山区乡村振兴的主要抓手.由于毁林种茶等破坏行为,导致森林资源破坏并引发水土流失等生态环境问题.快速准确获取茶园的空间分布对于政府监管和茶叶产业的规划发展至关重要.由于研究区天气多阴雨,茶园分布较为分散,与森林等植被光谱较为接近等原因,导致基于卫星影像提取茶园挑战性较大.为了摸清英德市的茶园空间分布,系统分析了中高分辨率的多光谱Sentinel-2影像数据,结合多时序多特征信息在茶园提取中的应用潜力.以英德市全境为研究区,选用2019年—2021年的9期Sentinel-2影像数据,详细分析了茶树生长的物候特征,进一步探究了茶园和其他地类在多时序中的特征变化,采用Relief算法对所有特征进行重要性排序.根据特征排序结果,选取特征权重值加权90％的特征因子,即7个植被指数特征和2个纹理特征,通过不同的组合排序构建了 9种茶园分类场景,采用RF算法对所有分类场景进行精度评价,选取最佳分类场景,进一步探讨了 RF分类算法和SVM分类算法对茶园提取的可行性.结果表明:(1)在进行英德市茶园提取时,2月和10月是采用多时相构造茶园多特征的最佳组合,可能因2月茶树处于萌芽期长出部分嫩绿的新叶易于和森林植被区分且在10月前后由于茶园进行了修剪其特征也较明显,因此两时相特征融合易于区分茶园.(2)RF分类方法与SVM分类方法相比,后者的精度较高,其总体精度达到91.56％,Kappa系数为0.89,生产者精度和用户精度分别为80.22％和84.56％.该研究为快速高效获取英德市茶园空间分布信息提供了一种高效的方法,同时为政府在进行茶叶产业规划、管理提供了数据支持.

    茶园Sentinel-2时序特征机器学习分类

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