1 塔里木大学农学院, 新疆 阿拉尔 843300
2 塔里木大学机械电气化工程学院, 新疆 阿拉尔 843300
3 浙江大学农业遥感与信息技术应用研究所, 浙江 杭州 310058
4 中国农业大学土地科学与技术学院, 北京 100083
5 塔里木大学园艺与林学学院, 新疆 阿拉尔 843300
土壤有机质(SOM)含量是制定枣园土壤施肥方案的主要依据。 合理的施肥方案对提升红枣品质、 减少农户投入和增加枣园产出有重要意义。 利用传统方法获取枣园SOM含量耗费时间和资源, 不符合枣园精准施肥管理的需求, 土壤有机质高光谱检测是一种有效的替代方法。 为筛选南疆枣园SOM的高光谱快速检测模型, 采用网格布点法采集158个枣园土壤样品, 测定风干土样的室内高光谱数据和SOM含量。 分别将400~2400 nm全波段(R)和通过竞争自适应加权算法(CARS)、 连续投影算法(SPA)、 粒子群优化算法(PSO)三种数据降维算法筛选的数据集与偏最小二乘回归(PLSR)、 反向传播神经网络(BPNN)、 卷积神经网络(CNN)三种建模方法结合构建12种枣园SOM含量的组合反演模型, 通过对比模型的精度评价指标和训练时间, 筛选枣园SOM含量最优光谱反演模型。 结果表明: (1) CARS、 SPA、 PSO三种降维算法都能将光谱数据压缩至原来的10%以下, 筛选波长数分别由原来的2 001个变量降为98、 156、 102个, 降维组合模型的验证集RPD均大于1.50, 均能实现对枣园SOM含量的反演, 与R组合模型相比, 降维组合模型至少能节省30%的时间成本, 特别是与BPNN和CNN等构建的组合模型, 能节省90%的训练时间, 且模型稳定性更强, 模型效果更优。 (2) CARS数据集构建组合模型的验证集R2均大于0.85, RPD均大于2.50, RPIQ均大于1.60, 在三种降维算法中效果最好; PSO数据集的组合模型验证效果略低于CARS数据集, 但优于R数据集, R2均大于0.80、 RPD均大于2.00; SPA数据集构建组合模型的验证效果要低于R数据集, 在三种降维算法中效果最差。 (3) BPNN和CNN两种方法的反演模型验证效果均优于PLSR模型, 而在模型训练时间和模型验证效果等方面, BPNN模型优于CNN模型, 其结合CARS数据集的验证效果最优, R2为0.91、 PRD为3.34、 RPIQ为3.17、 nRMSE%为11.93, 训练时间为58.00 s, 模型符合快速检测枣园SOM含量的要求。 CARS-BPNN模型为反演南疆枣园SOM的最优模型, 研究结果能够为南疆枣园土壤养分快速检测与制定施肥方案提供参考。
枣园土壤有机质 CARS算法 CNN模型 BPNN模型 检测模型 Soil organic matter in Jujube orchard CARS algorithm CNN model BPNN model Detection model 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2568
1 上海市生态气象和卫星遥感中心，上海 200030
2 国家卫星气象中心 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室 许健民气象卫星创新中心，北京 100081
我国风云四号A星（FY-4A）携带高光谱红外干涉式大气探测仪（Geostationary Interferometric Infrared Sounder，GIIRS）首次实现了地球静止轨道红外高光谱探测，可连续获得大气温湿度廓线信息。基于常规无线电探空资料，从产品的探测能力和精度方面对2020年FY-4A/GIIRS大气温度廓线产品开展质量评估，为产品应用和算法研究提供参考。结果表明：FY-4A/GIIRS反演大气温度廓线探测能力在高度层次和月份统计上受云活跃度影响较大；晴空条件下大气整层均方根误差约为2 K，700~1 000 hPa的大气低层较大，约2.5 K，偏差整层以负值为主；月尺度质量评估可见夏秋两季明显优于冬春季，有利于灾害性天气多发季节的监测；有云条件下单个像元的温度廓线误差显著增大，采用多像元Cressman客观分析可有效提高产品可用性；低海拔地区温度廓线产品质量整体优于高海拔地区，可极大地弥补我国东部、南部地区以及广阔的洋面上的探空资料的不足。
高光谱 质量评估 温度廓线 FY-4A/GIIRS 无线电探空 hyperspectral quality evaluation temperature profile FY-4A/GIIRS radiosonde 
1 塔里木大学农学院, 新疆 阿拉尔 843300
2 中国农业大学土地科学与技术学院, 北京 100083
3 浙江大学环境与资源学院, 浙江 杭州 310058
快速准确监测农田土壤全氮含量, 可显著提高土壤肥力诊断与评价工作的效率。 传统测定土壤全氮的方法存在耗时费力、 成本高、 环境污染等缺点, 而基于光谱学原理的土壤全氮定量方法克服了传统测量的劣势。 中红外(MIR)光谱相较于可见光-近红外(VNIR)光谱而言, 具有更多的波段数和信息量, 如何利用中红外光谱监测土壤全氮含量是具有重要应用前景的研究课题。 为了探索中红外光谱对土壤全氮监测的可行性, 以新疆南疆地区采集的246个农田土样为研究对象, 以室内测定的全氮含量和中红外光谱反射率数据为数据源, 分析了不同全氮含量土样的中红外光谱特征差异, 以主成分分析法(PCA)和连续投影算法(SPA)对光谱数据进行降维, 然后采用偏最小二乘回归(PLSR)、 支持向量机(SVM)、 随机森林(RF)和反向传播神经网络(BPNN)四种建模方法分别构建基于全波段和降维数据的土壤全氮含量定量反演模型。 研究结果表明: (1)土壤在中红外波段光谱反射率随全氮含量的增加而增加, 在3 620, 2 520, 1 620和1 420 cm-1附近存在明显的吸收谷; 将中红外光谱数据进行最大值归一化处理后, 可明显提高土壤光谱反射率与全氮含量的相关性。 (2)对比两种数据降维方法, PCA和SPA分别使模型变量数减少了99.8%和97.5%, 但以PCA提取的8个主成分为自变量建立的模型预测精度总体要高于SPA对应的模型, 因此以PCA提取的主成分建模更适于土壤全氮模型的构建。 (3)在建模集中, PLSR和SVM模型以全波段建模精度最高, 但建模变量数多, 建模效率较低, 而RF和BPNN模型分别以PCA和SPA降维后的数据建立的模型在保持精度相当的前提下, 可显著提高建模效率; 在预测集中, 基于PCA降维数据的BPNN模型预测能力最高, R2和RMSE分别为0.78和0.12 g·kg-1, RPD和RPIQ值分别为2.33和3.54, 模型具备较好的预测能力。 研究结果可为农田土壤全氮含量快速估测提供一定的参考价值。
中红外光谱 土壤全氮 反演模型 光谱数据降维 Mid-infrared spectrum Soil total nitrogen Inversion model Dimension reduction of spectral data 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2768
湘潭大学物理与光电工程学院，湖南 湘潭 411105
数值研究了中红外2.8 μm波段基于可饱和吸收体（SA）锁模掺铒氟化物光纤激光器中自相似脉冲的产生及演化过程。结果表明：通过锗棒进行色散补偿使腔内净色散为0.020~0.048 ps2时，基于SA锁模的掺铒氟化物光纤激光器腔内脉冲可维持自相似演化；保持腔内净色散为0.03 ps2，可以获得抛物线形状最理想的脉冲，其脉冲宽度为19.7 ps、峰值功率为630 W、脉冲能量为12.4 nJ。为了进一步优化激光器的输出特性，研究了增益光纤的小信号增益、增益饱和能量以及SA的调制深度、饱和功率等参数对激光器脉冲输出特性的影响，为自相似锁模掺铒氟化物光纤激光器的设计提供了一定的参考。
激光光学 中红外 抛物线脉冲 氟化物光纤激光器 激光与光电子学进展
2022, 59(13): 1314004
1 塔里木大学植物科学学院, 新疆 阿拉尔 843300
2 中国农业大学土地资源管理学院, 北京 100083
田间原位可见-近红外光谱(VIS-NIR)能够有效的提高土壤属性的检测效率, 但由于原位土壤中水分因素的影响, 土壤属性的预测精度很难达到预期。 如何有效去除土壤中的水分对土壤其他属性光谱预测的影响, 是利用田间原位光谱高精度预测土壤属性所面临的难题, 也是土壤光谱技术由室内转向田间的突破口。 该问题的有效解决, 可减除土壤样品的采集与室内预处理等过程, 实现土壤属性的田间原位光谱测定。 以新疆南部地区阿拉尔垦区十二团棉田为研究区, 采用网格采样法共采集了116个0~20 cm深度的表层土壤样品, 剔除1个异常值样品, 得到115个有用样品, 利用SR-3500型便携式地物光谱仪采集了231个样点的田间原位光谱数据, 土样经风干、 研磨和过筛等处理后测定其室内光谱和有机质含量。 利用Kennard-Stone算法将115个土样分为69个转换子集及46个预测集, 采用外部参数正交化法(EPO)、 光谱直接转换法(DS)及光谱间接转换法(PDS)三种去除水分算法结合原位光谱反射率(R)、 反射率一阶微分(R')、 反射率对数(LOG(R))以及反射率倒数(1/R)四种数学变换方式, 运用随机森林(RF)模型进行不同组合模型的构建及精度评价。 结果表明: (1)土壤有机质含量越高, 土壤光谱反射率越低。 土壤田间原位光谱反射率低于土壤室内光谱反射率; (2)室内光谱反射率与土壤有机质含量之间的相关性大于田间原位光谱, 室内光谱经一阶微分变换后与土壤有机质含量之间的相关性显著提升。 (3)土壤室内光谱反射率模型预测精度(R2=0.86, RPD=2.08, RMSE=1.55 g·kg-1, MAPE= 0.14)高于田间原位光谱反射率模型(R2=0.71, RPD=1.49, RMSE=2.17 g·kg-1, MAPE=0.20)。 在去除水分算法模型中, 以EPO一阶微分模型去除水分效果最好, 决定系数R2由0.71提高到0.83, RPD由1.49提高到2.04, RMSE由2.17 g·kg-1降低至1.58 g·kg-1, MAPE由0.20降低至0.14。 本研究实现了去除土壤水分因素的影响, 提高了田间原位光谱预测土壤有机质的精度, 为南疆棉田大尺度土壤有机质的预测及土壤肥力的评价提供了重要的参考。
土壤有机质 外参数正交化(EPO) 光谱直接转换法(DS) 光谱间接转换法(PDS) 随机森林(RF) Soil organic matter External parameter orthogonalization (EPO) Direct standardization (DS) Segmented direct standardization (PDS) Random forest (RF)
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230031
气溶胶与太阳辐射以及气溶胶与云之间的复杂相互作用, 使得气溶胶对气候有着重要的影响。评估气溶胶对气候效应的影响依赖于气溶胶光学特性的准确信息。由于缺乏合适的仪器和方法, 气溶胶的光吸收一直是一个难以准确测量的参量, 从而导致当前气溶胶对气候效应影响的评估仍带有很大的不确定性。光声光谱因其信号只与样品的光吸收有关, 不受散射的影响, 因此非常适合气溶胶光吸收的测量, 被认为是测量气溶胶光吸收特性最有效的方法之一。对光声光谱测量气溶胶光吸收特性的研究进展进行了综述, 并对近年来发展的新技术进行了重点介绍和分析, 可为相关领域的研究人员提供参考。
光谱学 光声光谱 气溶胶 吸收测量 多波长探测 spectroscopy photoacoustic spectroscopy aerosol absorption measurement multi-wavelength measurement
1 塔里木大学植物科学学院, 新疆 阿拉尔 843300
2 中国农业大学土地资源管理学院, 北京 100083
3 浙江大学环境与资源学院, 浙江 杭州 310058
土壤有机质是土壤肥力的物质基础, 其含量的高低是评价土壤肥力的重要标志。 土壤有机质组分根据其溶解性可分为胡敏素(HM)、 胡敏酸(HA)、 富里酸(FA), 不同组分的肥力特性差异显著, 因此, 土壤有机质组分数据可更加全面、 客观的反映土壤肥力状况。 传统土壤土壤有机质及组分的测定工序繁杂, 效率低下且时效性差, 大量研究表明高光谱技术能有效提高土壤属性的检测效率并降低测试成本, 但关于可见光-近红外、 中红外光谱检测土壤有机质组分的报道鲜见。 为了探索中红外光谱及可见光-近红外-中红外组合光谱对土壤有机质组分检测的可行性, 并对比有机质单一光谱模型与有机质不同组分的组合光谱模型的预测精度, 以南疆地区农田土壤为例, 在阿克苏及和田地区共采集93个土样, 进行有机质、 胡敏素、 胡敏酸、 富里酸含量及光谱数据的测定。 其次, 利用可见-近红外(VNIR)、 中红外(MIR)及其组合光谱(VNIR-MIR)三种光谱数据集, 采用偏最小二乘(PLSR)、 支持向量机(SVM)、 随机森林(RF)三种建模方式对土壤有机质、 胡敏素、 胡敏酸、 富里酸含量进行组合模型分析预测。 结果表明: (1)土壤有机质及各组分均与光谱反射率有较好的相关性, 土壤有机质及组分在MIR谱段的特征波段数量明显多于VNIR谱段。 (2)有机质最优预测模型的模式为VNIR-MIR-RF, 该模型的决定系数R2为0.90; 胡敏素与胡敏酸最优预测模型的模式均为VNIR-RF模型, R2均为0.92; 富里酸最优预测模型的模式为MIR-RF模型, R2为0.94。 (3) 基于胡敏素、 胡敏酸和富里酸的有机质组合光谱模型的预测精度明显高于有机质单一光谱模型, 两种模型的R2分别为0.93和0.90。 实现了土壤有机质组分的高效快速反演, 且基于有机质组分的组合模型提高了土壤有机质预测精度, 为南疆地区大尺度土壤肥力的鉴定与精准施肥提供重要的参考价值。
土壤有机质组分 光谱反射率 偏最小二乘 支持向量机 随机森林 反演模型 Soil organic matter Spectral reflectance Partial least squares regression (PLSR) Support vector machine regression (SVM) Random forest regression (RF) Inversion model 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3069
南京邮电大学 电子与光学工程 微电子学院，江苏 南京 210023
在红外图像中，传统直方图均衡图像时细节像素容易被大量的背景像素淹没，导致图像产生过亮、过暗等现象。基于这样的状况，提出一种自适应逆直方图均衡化细节增强算法。该算法通过逆向统计、自适应选取阈值以及分段映射来增强图像细节。相比于传统直方图均衡化算法，逆直方图均衡化算法明显改善了图像在不同灰度层分布的视觉效果，使图像的不同区域亮度得到不同程度的增强。而且该算法在能够达到更好的图像处理效果的前提下仍然能够通过优化计算方法保证实时性，高效性，并且适合在FPGA硬件移植中采用。
逆直方图 自适应阈值 实时性 inverse histogram adaptive threshold real time 红外与激光工程
2020, 49(4): 0426003
线性压缩机目前是长寿命斯特林制冷机和高温斯特林制冷机常用的压缩机。本文首先分析了阻尼系数在压缩机运行过程中对压缩机的影响, 然后对线性压缩机阻尼系数测试方法进行了理论分析, 最后对昆明物理研究所线性压缩机的阻尼系数进行了测试分析。通过理论分析给出了线性压缩机的阻尼计算方法, 并搭建真空实验平台测试出压缩机的阻尼系数。对昆明物理研究所 SCI09H制冷机的线性压缩机和 SCI15H制冷机的线性压缩机进行了阻尼测试, 测试结果表明不同线性压缩机的阻尼系数并不完全相同。
线性压缩机 阻尼系数 测试分析 linear compressor, the damping coefficient, experi
1 西南技术物理研究所, 四川 成都 610041
2 四川大学电子信息学院, 四川 成都 610065
复合使用连续激光与脉冲激光对金属靶材的烧蚀效果优于单一的连续激光或脉冲激光。为了给连续激光与脉冲激光复合作用模式的参数选择提供依据,采用试验研究与仿真研究相结合的手段,探究了复合激光时序加载对毁伤效能的影响,结果表明:在施加连续激光的过程中施加脉冲激光的毁伤效果最好;复合激光能显著缩短毁伤时间、增大烧蚀范围,且预热时间越长,造成的毁伤范围越大;复合激光中长脉冲激光能量过大将造成激光能量浪费,合理选择参数,实现连续激光的功率与长脉冲激光的能量匹配至关重要。
激光光学 激光损伤 激光烧蚀 复合激光 加载时序 能量配比 中国激光
2019, 46(11): 1102009
