1 吉林农业大学资源与环境学院, 吉林 长春 130118 吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室, 吉林 长春 130118秸秆综合利用与黑土地保护教育部重点实验室, 吉林 长春 130118
2 松辽水利委员会松辽流域水土保持监测中心站, 吉林 长春 130021
3 中国农业大学资源与环境学院, 北京 100083
土壤有机质(SOM)作为土壤的重要组成部分, 其含量高低能够反映土壤的肥力和质量状况。 相较于传统SOM的测定方法, 利用无人机高光谱影像可快速、 精准获取田块尺度的SOM含量。 为探究基于高光谱数据建立的线性和非线性模型对作物覆盖下土壤有机质估算精度的差异, 以东北黑土区的玉米试验田为研究区, 分别采集了拔节期和吐丝期的土壤样本及同时期无人机高光谱影像作为数据源, 分析作物覆盖条件下土壤光谱反射率与有机质含量的相关关系, 并根据其响应波段构建光谱指数。 以施肥量和光谱指数作为自变量, 通过特征变量的筛选分别建立多元逐步线性回归模型（SMLR）、 支持向量机（SVM）、 随机森林（RF）和eXtreme gradient boosting（XGBoost）模型, 并验证比较各模型的精度（选用R2和RMSE为评价指标）。 结果表明, 作物覆盖条件下土壤有机质含量的响应波段为450~640 nm。 多年长期施用化肥对SOM含量有着显著影响, 将其作为协变量引入模型明显提高了对SOM的估算精度。 4种模型检验精度的对比结果为: XGBoost>RF>SMLR>SVM, 其中以拔节期XGBoost的估算结果最好（建模集和验证集的R2、 RMSE分别为0.516、 0.253和0.590、 0.222）。 可以利用无人机高光谱技术快速估算田块尺度玉米农田的土壤有机质含量, 且XGBoost模型是估算作物覆盖条件下土壤有机质含量的较优选择。
无人机 高光谱 土壤有机质 多元逐步线性回归 机器学习 UAV Hyperspectral Soil organic matter Stepwise multiple linear regression Machine learning 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2617
1 东北大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110000
2 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环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230000
3 中国科学技术大学，安徽 合肥 230000
人体呼气中一氧化氮浓度（FeNO）与肺部呼吸道疾病有着紧密的联系，美国食品和药品管理局（FDA）、欧洲呼吸学会（ERS）和美国胸科学会（ATS）等权威机构相继将FeNO作为哮喘生物标志物，并将FeNO列为呼吸系统疾病的常规检查项目。针对FeNO高灵敏监测需求，发展了一套中红外波长调制激光吸收光谱检测仪，利用多元线性回归的方法解决了CO2谱线交叉干扰问题，NO的检测限达到。利用多浓度标准气体对样机性能进行了定标，在体积分数范围内，仪器结果的线性相关性为0.994。最后，对中国中医科学院西苑医院的志愿者呼气样本进行了测量。
光谱学 一氧化氮 激光光谱 中红外波长调制 多元线性回归 光学学报
2022, 42(21): 2130001
1 华南师范大学, 广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室, 广东 广州 510006
3 深圳技术大学, 中德智能制造学院, 广东 深圳 518118
4 华中科技大学, 武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430074
冶金、 核工业、 污染检测和环境监测等领域对元素分析的需求是必不可少。 激光诱导击穿光谱技术作为一种新型的原子光谱分析技术, 具有实时快速、 对样品几乎无损、 可多元素同时分析等特点, 因此一直受到广泛的关注。 但其分析灵敏度较差的缺点一直限制着该技术的发展。 激光诱导荧光辅助激光诱导激光光谱技术能够通过激光共振激发提高分析灵敏度并高效检测样本元素种类, 通过光谱仪收集光谱信息并建立模型可对未知样本进行浓度预测。 但当基体原子与目标原子的特征谱线十分接近时, 基体谱线会受到影响, 此时一元定标准确度下降。 通过一元线性拟合和多元线性拟合两种方式对钢铁中的Ni和Cr元素分别建立线性模型。 首先, 选取样品光谱中的峰值谱线, 核实其是否为待测元素或基体元素所对应的特征谱线, 选定合适的特征谱线后, 将多个谱线的光谱强度以及对应该样品的待测元素浓度作多元线性拟合模型, 将各个谱线所对应的拟合系数由高到低进行排序, 并以多元线性拟合模型中各个特征谱线对应的光谱强度对浓度预测的贡献度为标准不断减少拟合维度, 使Ni和Cr拟合模型的决定系数分别由0.960 1提高至0.992 9和0.992 0提高至0.998 7, Ni和Cr元素含量的回归模型平均相对误差分别由38%降低至10%左右和55%降低至25%以内, Ni和Cr元素的线性回归模型的交叉验证均方根误差随着维度的增加分别由3.4%降低至2%左右和2.5%降低至1.5%左右。 选取多个谱线建立多元线性回归模型的方法较为有效的降低了激发干扰的影响, 以较小的工作量提高了对待测样品的待测元素浓度预测的准确度, 为推进激光诱导荧光辅助激光诱导激光光谱技术在元素分析的实际应用提出了一种可行的方案。
激光诱导激光光谱 激光诱导荧光 多元线性回归 Laser-induced breakdown spectroscopy Laser-induced Fluorescence Multiple linear regression
湖南信息学院电子科学与工程学院, 湖南 长沙 410151
设计了由光源、气室、探测器和控制器等组成的非分散红外吸收系统, 往气室内通入不同浓度的多组分气体(含有乙醇、二氧化碳和水蒸气), 采用红外光谱仪进行光谱数据采集, 得到多组分气体混合光谱图。根据数据集样本求解回归系数, 建立了多元线性回归模型, 并进行干扰修正以降低二氧化碳和水蒸气对乙醇浓度预测的影响。对建立的多元线性回归模型进行评价, 结果表明: 模型真实有效且具有良好的线性回归效果, 可以用于预测气体浓度, 乙醇、二氧化碳和水蒸气浓度预测误差均在可接受的范围之内, 其中乙醇浓度预测误差最小, 不超过 2.0×10－4。通过干扰修正尽可能排除二氧化碳和水蒸气的干扰, 能够较准确地预测乙醇浓度。
多元线性回归模型 乙醇浓度预测 非分散红外技术 干扰修正 multiple linear regression model prediction of ethanol concentration non-dispersive infrared interference correction
西南石油大学土木工程与测绘学院, 四川 成都 610500
利用 MODIS 021KM 数据反演成都地区 2018年逐日 AOD 数据, 并结合 PM2.5 地面监测数据以及气象数据构建地理加权回归 (GWR) 模型得到成都地区逐月 PM2.5浓度。结果表明: (1) 和多元线性回归模型相比, GWR 模型反演的 PM2.5 浓度的 R2、ERMS 和 EMA 分别为 0.884、7.8704 μg·m－3 和 6.1566 μg·m－3 , 都优于多元线性回归的 0.808、9.7098 μg·m－3 和 7.6081 μg·m－3, 说明该模型能有效估算成都地区 2018 年 PM2.5 浓度。(2) 成都地区 PM2.5 浓度在月尺度上呈现出先降低、后升高的变化特征。2 月最高为 67.38 μg·m－3, 7 月最低为 28.31 μg·m－3; PM2.5浓度季节变化特征为夏季、秋季、春季、冬季依次递增。(3) 成都地区 PM2.5 浓度空间分布总体上呈现“中间高、两边低”的特征。西部地区为 PM2.5 浓度低值区, 中部地区为高值区, 东部的简阳市和金堂县为 PM2.5浓度次高值区。
遥感 地理加权回归 中分辨率成像光谱仪 多元线性回归 remote sensing geographically weighted regression moderate-resolution imaging spectroradiometer multiple linear regression PM2.5 PM2.5 大气与环境光学学报
2021, 16(6): 529
1 中国人民公安大学侦查学院, 北京 100038
2 北京市公安局丰台分局, 北京 100071
3 北京华仪宏盛技术有限公司, 北京 100123
建立一种对橡胶鞋底的分类研究方法。利用X射线荧光光谱仪,在电压为45 kV,电流为40 μA,功率为1.8 kW,检测时间为60 s的条件下,对40个不同种类、不同品牌的橡胶鞋底样本进行检验。以鞋的种类作为被解释变量,建立多元线性回归模型,计算得分评级。同时,依据标准化偏相关系数筛选出特征元素。所设计模型可依据元素含量对橡胶鞋底进行分类,为侦查工作提供线索和方向。
光谱学 橡胶鞋底 X射线荧光光谱法 多元线性回归 得分评级 特征元素 分类 激光与光电子学进展
2021, 58(14): 1430002
双氯芬酸钠是一种非甾体抗炎药, 抗炎症效果较好, 抗炎化学药物双氯芬酸钠有可能违禁添加到缓解炎症保健食品中。 目前已有一些文献研究水、 肉及牛奶等中的药物双氯芬酸钠, 主要利用高效液相色谱、 表面增强拉曼及电化学等方法, 需要相对复杂的预处理过程, 操作步骤相对复杂, 耗时。 为了快速、 无损检测保健食品中违禁添加物的成分, 探索建立采用1 000~2 524 nm波段或特征最优波段的光谱作为自变量, 将近红外高光谱成像技术结合化学计量学分析的方法定量分析缓解炎症保健食品中可能添加的不同浓度的双氯芬酸钠。 研究主要运用了8种光谱预处理方法, 基于全光谱波长建立了偏最小二乘回归及主成分回归模型, 同时, 为了提高模型的准确性和稳定性, 利用β系数方法选择最优波段1 130~1 147, 1 412~1 468, 1 658~1 709, 2 010~2 055, 2 122~2 178和2 395~2 423 nm为自变量建立与双氯芬酸钠浓度的多元线性回归模型。 比较了偏最小二乘回归、 主成分回归及多元线性回归三种模型。 分析结果显示, 经标准正态变量预处理方法建立多元线性回归模型, 该模型的准确性和和预测能力较好, 其预测最低限为0.05%, 预测值与实测值的R2为0.992 5, 预测均方根误差为0.004 9, 标准预测偏差为0.004 9, 说明近红外高光谱成像技术为快速定量分析缓解炎症保健食品中违禁添加抗炎药物双氯芬酸钠提供了理论基础。 有望进一步开发拓展到其他违禁添加药物的快速定量应用。
近红外高光谱成像技术 保健食品 双氯芬酸钠 多元线性回归模型 Near infrared hyperspectral image Dietary supplements Diclofenac sodium Multiple linear regression model
1 中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院, 北京 100083
2 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012
3 中国环境科学研究院国家环境保护地下水污染模拟与控制重点实验室, 北京 100012
水体受石油污染日趋广泛, 给人类及生态环境带来严重威胁。 快速、 准确和可靠地监测水体石油污染状况, 对于理解其环境行为和评估人体暴露风险至关重要。 石油类组分往往具备较好的光谱响应, 然而基于光谱技术快速监测实际石油烃污染水体却鲜有报道。 该研究以典型石油污染场地的地下水和地表水为对象, 在全面分析水质电导率、 总有机碳, Cl-, NO-3, SO2-4, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, NH+4, 挥发性有机物和石油烃C6-C9, C10-C14, C15-C28, C29-C40浓度基础上, 对水体样品进行紫外-可见光光谱、 同步荧光光谱、 三维荧光光谱表征, 采用多元数据分析手段评估光谱技术在石油污染场地快速识别应用的可能性。 结果表明: ①紫外-可见光光谱和同步荧光光谱参数表明, 污染的地下水中含有大量芳香族化合物, 且有机物分子结构复杂, 含有大量的羟基、 羰基、 羧基和酯类等取代基, 三维荧光光谱参数表明污染水体中有机物经过了长时间的生物转化, 说明污染地下水中有机物稳定性强, 降解性差; ②三维荧光光谱图表现出Ⅰ和Ⅳ区明显的荧光峰, Ⅴ区存在肩峰的水体主要是苯系物污染, 而三维荧光光谱图表现出Ⅱ和Ⅳ区明显的荧光峰, Ⅰ区存在肩峰的水体主要是萘系物污染, 三维荧光光谱图表现出Ⅱ区最高荧光峰, Ⅰ, Ⅲ, Ⅳ和Ⅴ都存在肩峰的水体主要是萘系物和菲系物污染; ③石油烃C6-C9组分浓度可采用紫外-可见光光谱参数S308～363, SUVA254和三维荧光光谱中Ⅰ区体积快速指示, 石油烃C10-C14组分和总石油烃(TPH)浓度可采用三维荧光光谱中Ⅳ区体积快速指示, 石油烃C15-C28和C29-C40组分浓度可采用三维荧光光谱中Ⅰ区体积快速指示。 研究证实利用光谱参数结合多元数据分析可对石油污染水体进行快速识别, 为地下水石油污染监测和修复提供了一种全新的快速在线监测分析方法。
石油烃 地下水 地表水 光谱参数特征 多元线性回归 Petroleum hydrocarbons Groundwater Surface water Spectral parameter characteristics Multiple linear regression
北京石油化工学院机械工程学院, 北京 102617
采用激光-MAG复合焊接10 mm厚的Q345B钢板, 利用多元线性回归的方法分析得到了激光功率、MAG电流、离焦量和焊接速度对焊缝熔深及熔宽的影响。利用MATLAB算法优化该模型并得到了最优的焊接工艺参数组合。实验结果表明, 当激光功率为3 kW、电流为320 A、离焦量为-2 mm、焊接速度为8.3 mm/s时, 焊缝的熔深熔宽比达到最大, 验证所求的结果与实际值相差不超过5%, 该数学模型可以有效的预测焊接质量。
激光-MAG复合焊 多元线性回归 数学模型 laser-MAG hybrid welding multiple linear regression mathematical model
1 安徽大学物理与材料科学学院, 安徽 合肥 230601
2 国家深海基地管理中心, 山东 青岛 266237
将新型的外腔式宽调谐量子级联激光器(ECQCL)作为激发光源,高频石英谐振音叉作为光电探测器,开展了挥发性有机物的中红外激光光谱定量分析和成分识别研究。以不同站点和不同型号的汽油样本作为检测对象,检测它们的红外吸收光谱,并与美国西北太平洋国家实验室数据库的标准光谱进行比较,结果具有很好的一致性;实验中结合自行建立的插值算法和多元线性回归算法模型,可实现不同型号汽油样本中主要挥发性有机物的定量分析和成分归属分析。
光谱学 量子级联激光光谱 挥发性有机物 多元线性回归算法 汽油
