近红外光谱分析以其简便、 快速、 高效、 低成本、 绿色环保等优点, 已广泛应用于诸多领域。 然而, 近红外光谱同时存在变量维度高、 多重共线性、 包含冗余信息和高频噪声等问题, 直接构建预测模型不但增加建模复杂度, 同时也会影响模型的预测性能和泛化能力, 因此提出一种基于改进和声搜索算法(HS)的光谱特征变量选择方法。 HS常用于解决特征变量优化选择问题。 在应用和声搜索算法进行最优光谱变量选择时, 首先通过偏最小二乘(PLS)载荷系数计算各光谱点的特征贡献度, 作为和声搜索算法改进的扰动权重。 算法优选光谱特征变量过程中, 引入变量特征贡献度作为激励因子, 采用随机遍历和激励因子共同作用的方式生成初始解向量。 产生新和声向量时, 应用变量特征贡献度作为惩罚项, 通过加入平衡因子使选择参数随迭代次数而动态调整, 从而适应光谱变量的搜索, 增强搜索过程的遍历性和种群的多样性。 为验证本算法的有效性, 以烟叶样品烟碱、 总糖、 总氮三个指标的近红外光谱PLS建模应用为例, 对采集的原始光谱进行预处理后, 应用该方法对光谱变量进行优选, 根据变量被选择的累积频次分别计算不同变量个数的模型预测性能, 通过校正均方根误差(RMSEC)随变量增加的变化趋势确定最终选择的光谱特征变量。 在训练集上分别建立各指标的PLS模型, 应用测试集测试模型性能, 并与全光谱、 无信息变量消除法(UVE)和粒子群算法(PSO)进行比较。 实验结果显示, 应用该算法所选变量建立的烟碱、 总糖和总氮三个模型的决定系数(R2)分别为0.921 1, 0.925 7和0.941 2, 预测均方根误差(RMSEP)分别为0.102 3, 1.034 6和0.053 1, 与其他方法相比, 光谱特征变量更少, 同时R2和RMSEP值更优。 由此表明, 改进的和声搜索算法能有效筛选特征光谱, 降低建模复杂度, 提升模型预测性能和泛化能力。

为了探讨利用二维相关可见/近红外光谱法优选猪肉挥发性盐基氮(TVB-N)特征变量的可行性, 以贮藏时间为外扰, 研究了不同新鲜程度猪肉样本的二维相关光谱特性。 首先, 获取56个猪肉样本在贮藏1～14 d的400~1 000 nm范围的可见/近红外反射光谱, 经过标准正态变量变换(SNV)处理后, 基于全波段光谱建立TVB-N的偏最小二乘回归(PLSR)模型。 然后, 依据TVB-N实测值, 从中挑选出10个具有一定浓度梯度的样本(贮藏时间分别为0, 36, 72, 108, 144, 180, 216, 252, 288和324 h), 利用一阶导数对光谱进行预处理后, 根据不同样本之间的光谱差异, 选取7个波段用于二维相关光谱解析。 分析各个波段的二维相关同步谱和自相关谱, 从7个波段范围内共选取23个变量作为不同贮藏时间下与TVB-N相关的敏感波长, 并建立简化的PLSR模型。 相较于全波段光谱数据所建模型, 模型效果有所改善, 预测集决定系数R2p由0.792 1上升至0.865 8, 误差从3.658 2 mg·(100 g)-1下降至3.246 0 mg·(100 g)-1。 表明基于二维相关光谱对猪肉TVB-N特征变量进行优选的思路是可行的, 该方法能够从全光谱数据中筛选出与目标物质相关的敏感变量, 这也为近红外光谱特征波长选择提供了一个新的方法。