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期刊信息/Journal information
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。
正式出版
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    微分光谱变换方法对土壤重金属含量反演精度的影响研究

    白宗璠韩玲姜旭海武春林...
    1449-1456页
    查看更多>>摘要：随着我国工农业的日益发展,土壤中以镍(Ni)、铁(Fe)、铜(Cu)、铬(Cr)、铅(Pb)等为代表的重金属污染对人类生活产生了严重影响.高光谱遥感技术具有实时、无损、快速等优点,为高效准确地获取土壤重金属含量提供了科学手段.而在利用高光谱数据反演土壤重金属含量时,微分光谱变换方法的选择对遥感反演土壤重金属含量的精度有显著影响.为明确二者关系,基于研究区采集的60个土壤样品,测定其Ni、Fe、Cr、Cu、Pb等含量以及350～2 500 nm波段范围的光谱反射率.在相关系数(CC)分析法的基础上通过改进离散粒子群算法(MDBPSO)优选遥感探测土壤重金属含量的特征波段.最终以优选出的特征波段作为自变量利用随机森林(RF)算法构建了 Ni、Fe、Cr、Cu、Pb等重金属含量的估测模型.在对原始反射率数据进行高斯平滑的基础上,对比分析了一阶微分(R')、对数倒数的一阶微分(1/lgR)'、倒数的一阶微分(1/R)'、指数的一阶微分(eR)'四种微分光谱变换方法对土壤重金属反演精度的影响.结果表明,在CC分析法的基础上,MDBPSO算法可以有效地降低光谱数据的冗余度,提高模型的运行效率.其中R'、(1/lgR)'、(1/R)'、(eR)'中对Ni、Fe、Cr、Cu、Pb敏感的特征波段个数分别至少减少了 154、363、135、744和889个.(1/lgR)'、R'、R'、(1/R)'、R'光谱变换方法分别应用到Ni、Fe、Cr、Cu、Pb特征波段的组合运算中,得到的估测模型的精度优于其他微分变换方法;模型检验集的决定系数分别为0.913、0.906、0.872、0.912、0.876,均方根误差分别为0.743、0.095、2.588、1.541、1.453.本研究为利用遥感数据反演土壤重金属含量微分光谱变换方法的选择提供了科学的参考,为进一步实现土壤重金属含量的大面积高精度遥感监测提供新的思路.

    遥感高光谱土壤光谱变换方法重金属改进离散粒子群随机森林

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    无人机高光谱遥感的水稻叶瘟病的光谱特征提取与检测方法研究

    刘子扬冯帅赵冬雪李金朋...
    1457-1463页
    查看更多>>摘要：为了确定最佳的无人机高光谱遥感检测水稻冠层叶瘟病分类模型,以水稻大田试验为研究基础,获取了 400～1 000 nm波段内的无人机高光谱图像,参照国家标准GBT 15790-2009稻瘟病测报调查规范,按病情指数将叶瘟病划为5个等级,提取了 0～4级共227组高光谱数据.采用Savitzky-Golay平滑(SG平滑)、一阶微分光谱(1-Der)和二阶微分光谱(2-Der)对数据进行预处理,并构建SVM模型,对比得出较优的预处理方法.采用主成分分析法(PCA)选取主成分累计贡献率;连续投影法(SPA)和随机青蛙法(RF)筛选光谱特征波段,并将筛选的结果作为模型的输入,分别构建粒子群优化的极限学习机(PSO-ELM)、极限学习机(ELM)、支持向量机(SVM)和决策树(DT)分类模型,并对模型进行对比分析得出最优分类模型.结果表明:相比于1-Der和2-Der,SG平滑方法的去噪效果较好,分类准确率较高,是较优的预处理方法,分类准确率和Kappa系数分别为93.47％、91.85％.PCA的前2个PC的累计贡献率为93.13％,为了模型的有效构建,最终选取了前6个PC,累计贡献率为99.02％.SPA使用RMSE作为最佳光谱特征波段选择标准,共显示了 7个最佳光谱特征波段,其中可见光波段为400.8、416.7和426.2 nm,绿光波段为566 nm,红光波段为683.9 nm,近红外波段为830.2和916.4 nm.RF将筛选概率大于0.2的波段选为最佳光谱特征波段,最终筛选了 8个光谱特征波段,其中红光波段为663.4和694.2 nm,近红外波段为784.4、787.9、791.4、905.5、927.2和930.9 nm,该方法有效地降低了波段间相关性和冗余性.将3种筛选结果分别构建分类模型,结果显示所有模型的总体分类准确率全部大于92.61％,建模结果较好;其中,以PSO-ELM模型对PCA的分类准确率达到97.77％,Kappa系数为97.22％,在所有模型中分类准确率最高,相比于ELM模型的最高分类准确率和Kappa系数高1.42％和1.56％,相比于SVM模型的最高分类准确率和Kappa系数高2.12％和2.66％,相比于DT模型的最高分类准确率和Kappa系数高4.44％和5.58％.综合评价PSO-ELM模型的建模效果优于ELM模型、SVM模型和DT模型,是最优的分类模型.因此,利用无人机高光谱遥感检测水稻叶瘟病具有可行性,为水稻生产和叶瘟病的检测提供科学依据和技术支持.

    水稻叶瘟病无人机高光谱机器学习

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    一种基于改进的XGBoosting算法对婴幼儿奶粉中的脂肪含量的预测模型

    张文婧薛河儒姜新华刘江平...
    1464-1471页
    查看更多>>摘要：婴儿奶粉成分配比中,脂肪有着重要地位.脂肪不仅是婴儿生长发育中的重要成分,同时也为婴儿的生长提供必需的能量,对于婴儿脑发育及神经髓鞘的形成具有重要意义.化学的婴儿奶粉脂肪含量检测如乙醚提取法,方法检测灵敏,但存在破坏样本和检测周期较长的缺点,因此寻求一种为婴儿奶粉成分的无损检测方法,高光谱成像技术提供了一种可能的途径.以内蒙古地区不同阶段的婴儿奶粉为研究对象,采用多元散射校正(MSC)、标准正态变换(SNV)、平滑滤波算法(Savitzky-Golay)、鲁斯特算法(Roust)等对高光谱数据进行预处理,再利用竞争性自适应重加权算法(CARS)算法从125个特征波长中筛除光谱数据中冗余的波长保留有效波长66个.对极值梯度提升算法(XGBoosting)算法进行了贝叶斯优化(BO),最终构建了基于BO-XGBoosting对婴儿奶粉脂肪含量的预测模型.结果显示,该模型预测效果优于传统的偏最小二乘回归(PLSR)和支持向量回归(SVR)模型,且优于集成算法中Bagging、GrdientBoosting算法.贝叶斯优化极值梯度提升算法BO-XGBoosting模型在测试集实验,得到的决定系数(R2)和均方根误差(RMSEP)分别为0.953 7和0.577 3,比XGBoosting算法的R2和RMSEP分别提高2.91％和降低19.2％.该研究为奶粉中脂肪含量的预测提供了基于BO-XGboosting集成算法的快速无损检测的算法支持和理论依据.

    高光谱贝叶斯优化XGBoosting模型脂肪含量无损检测

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    土壤As含量光谱指数反演方法评估

    宁京邹滨涂宇龙张霞...
    1472-1481页
    查看更多>>摘要：为探究基于光谱指数反演土壤砷(As)含量的有效性和适用性,选取河北省保定市某农田为研究区,利用PSR-3500便携式地物光谱仪和电感耦合等离子发射光谱法测定42个土壤样品实验室及野外原位光谱信号和As含量;基于实验室光谱、野外原位光谱及野外原位-直接标准化校正(DS)光谱,计算叶绿素指数(CI)、差值指数(DI)、和值指数(SI)、比值指数(RI)和简化归一化指数(NDI和NPDI),采用相关性分析提取强相关光谱指数参与土壤As含量随机森林回归建模.在此基础上,通过与相同光谱环境全波段建模方法的精度对比评估光谱指数的有效性;对比不同光谱环境中各类光谱指数建模精度的稳定性以评估其适用性;结合典型土壤组分的吸收特征波段尝试解析光谱指数提升土壤As含量反演性能的内在机制.结果表明:(1)相较于全波段建模,光谱指数法在"实验室光谱、野外原位光谱、野外原位-DS光谱"三种光谱环境中均能有效提升土壤As含量反演建模精度,R2和RPD分别从0.243和1.2提升至0.730和2.009、0.264和1.213提升至0.669和1.809、0.334和1.279提升至0.678和1.841;(2)三种光谱环境中,DI、RI、NDI在野外原位光谱、SI和NPDI在野外原位-DS光谱环境中的适用性较差,CI综合适用性最强,R2p＞0.66,RPD＞1.8;(3)指数特征波段表现出与铁氧化物、粘土矿物和有机物吸收特征的相关性,但部分指数特征波段缺乏可解释性,无法揭示指数计算通过组合波段放大有效信息和消除噪声的统一规律.该研究可为后续发展基于光谱指数的土壤重金属遥感反演应用甚至卫星有效载荷研制中的波段设计提供科学依据.

    土壤重金属光谱指数高光谱随机森林遥感反演

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    纳米氧化锌对钙钛矿薄膜本征性能和光谱性能的影响研究

    于嫚谢国鑫赵肖娟李兆...
    1482-1486页
    查看更多>>摘要：有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其优异的光电特性、低廉的制备成本、高效的转换效率等优越特性,成为光伏领域的研究热点.电子传输层作为钙钛矿电池的核心层,主要起到提取和传输光生载流子的作用,且能够作为空穴阻挡层,抑制钙钛矿活性层中电荷复合,所以优异性能的电子传输层对钙钛矿太阳能电池的发展至关重要.可目前钙钛矿光伏器件常用的刚性电子传输层(介孔层或致密层)均需要高温烧结,这限制了其在柔性钙钛矿器件方面的应用.因此,开发一种可应用于钙钛矿光伏领域的柔性电子传输层成为当前亟待解决的问题之一.纳米ZnO具有合适的能级和较高的电子迁移率,且可以通过低温制备,被广泛应用在光伏器件中作为电子传输层.因此,通过旋涂法和静电纺丝法分别制备了刚性纳米ZnO和柔性纳米ZnO电子传输层,确定了静电纺丝法制备柔性纳米ZnO的最佳制备工艺.利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、紫外可见分光光度计和稳态/瞬态荧光光谱系统研究了刚性和柔性纳米ZnO对钙钛矿薄膜形貌、结构和光谱性能的影响.结果表明,钙钛矿薄膜的形貌对基底纳米ZnO的形貌依赖性很强.而基于刚性和柔性纳米ZnO的钙钛矿薄膜几乎呈现相同的结构和光谱吸收范围,荧光发射峰均在770 nm附近,且柔性纳米ZnO的荧光猝灭效率为82％,几乎和刚性纳米ZnO的荧光猝灭效率(85％)相媲美.进一步,根据瞬态荧光动力学数据计算获得刚性和柔性纳米ZnO的界面电荷分离效率分别为61％和41％,这表明通过静电纺丝法制备的柔性纳米ZnO具备一定的界面电荷分离能力,有望成为新型的柔性电子传输层.这对柔性基底钙钛矿太阳能电池的设计具有重要参考价值,对促进钙钛矿光伏应用具有现实意义.

    纳米氧化锌钙钛矿薄膜形貌结构光谱性能

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    基于光谱学分析的硬质聚氨酯泡沫/钢渣/次磷酸铝复合材料阻燃机理研究

    刘梦茹戴震龙红明张浩...
    1487-1493页
    查看更多>>摘要：硬质聚氨酯泡沫(RPUF)的优异性能使其在各领域被广泛应用,但本身的易燃性为其在应用过程中埋下了巨大的安全隐患.钢渣(SS)作为提炼铁精矿后排放的固体废弃物,因其综合利用效率低下而造成一系列环境污染问题.为提高RPUF火灾安全性和钢渣的附加值,将SS和次磷酸铝(AHP)引入到RPUF中,采用一步全水发泡法,制备一系列阻燃RPUF(FR-RPUF)复合材料.利用射线荧光光谱分析(XRF)探究了SS的化学成分,并系统研究了 SS/AHP对FR-RPUF复合材料的微观形貌、热稳定性、阻燃性能以及气相产物的影响.XRF测试表明:钢渣的化学成分主要是CaO、SiO2、A12O3、Fe2O3、SO3、MgO,以上金属氧化物能够作为协效剂促进聚合物成炭,并覆盖在材料表面阻隔燃烧热,在凝聚相达到阻燃目的.扫描电镜(SEM)测试表明:SS/AHP与RPUF基体的相容性较差导致FR-RPUF的泡孔出现不同程度的破损.阻燃测试表明:RPUF-1、RPUF-4、RPUF-5 的极限氧指数分别为 24.2 vol％、23.4 vol％、19.7 vol％,说明 SS和AHP存在一定的协效阻燃作用,且RPUF/SS/AHP复合材料全部通过UL-94 V-0级别,满足外墙保温材料使用要求.热重-红外分析(TG-FTIR)测试表明:SS/AHP并未改变RPUF的降解过程,气相产物主要为碳氢化合物、羰基化合物、氨基甲酸酯、CO2、异氰酸酯化合物、芳香族化合物、氰化氢、羰基化合物和酯类.对典型挥发性产物进一步分析发现,AHP和SS的加入促进RPUF基体早期降解.拉曼测试表明:当SS/AHP加入到RPUF后,RPUF-4的D峰与G峰的峰面积比(ID/IG)值最小,表明SS/AHP的加入提高了FR-RPUF复合材料炭渣的致密性、石墨化程度.结合上述分析提出阻燃机理:首先AHP吸热分解,降低了火焰周围的温度,其分解的PO·自由基捕获游离的HO·抑制连锁反应,分解产生的焦磷酸铝与炭渣覆盖在基体表面,抑制了火焰和可燃气体的扩散.AHP分解产生的PH3遇氧气生成酸性物质(磷酸和聚磷酸),促进了 RPUF脱水成炭,并且钢渣中的矿物成分会与磷酸或聚磷酸反应,形成致密炭层,与AHP共同发挥协效阻燃作用.研究为SS和AHP复配阻燃硬质聚氨酯泡沫材料提供理论依据和实验基础.

    光谱学分析硬质聚氨酯泡沫钢渣次磷酸铝复合材料阻燃机理

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    高光谱结合哈里斯鹰优化核极限学习机鉴别化橘红胎切片年份

    谢百亨马晋芳周泳欣韩雪勤...
    1494-1500页
    查看更多>>摘要：化橘红胎是药用历史悠久的广东省道地中药材,由于其制品收藏年份越久远价格越高,市面上常有以次充好的现象.为此,采用高光谱成像技术,结合哈里斯鹰优化核极限学习机对四组不同年份的化橘红胎切片样品进行鉴别.采集四个年份共193个化橘红胎切片样本400～1 000 nm的高光谱图像.首先采用主成分分析法(PCA)分析化橘红胎切片的原始反射光谱,然后分别采用Savitzky-Golay平滑(S-G平滑)、多元散射校正(MSC)、标准正态变量交换(SNV)对样本光谱进行预处理并建立核极限学习机(KELM)模型;发现经SNV处理的样本光谱的判别准确率最高,训练集达到99.24％,测试集95.56％;进一步用竞争性自适应重加权算法(CARS)、蒙特卡洛无信息变量消除法(MCUVE)对样本光谱进行特征波长的选择;最后,采用KELM建立判别模型,同时使用哈里斯鹰算法(HHO)优化KELM参数选择并比较建模效果.结果表明:基于HHO-KELM的判别效果相较KELM有0.76％～4.44％的提升,通过MCUVE筛选所得特征波段信息冗余明显减少且精度提升,训练集和测试集最佳准确率均可达100％,故采用高光谱成像技术可以实现对不同年份的化橘红胎切片进行无损鉴别.

    化橘红胎高光谱成像特征波长核极限学习机

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