矿源腐植酸高光谱估测模型的研究

发布时间：2020-03-21 17:25

【摘要】：矿源腐植酸能有效促进农作物对于氮、磷、钾及各项微量元素的吸收,同时具有改良土壤,提高土壤微生物活性,改善农作物抗性,提高农作物的化肥利用率的作用,应用前景十分广阔。目前矿源腐植酸的相关产品已经实现产业化,而其腐植酸含量的测量依然停留于传统的化学测量方法,耗时耗力,成本颇高。利用高光谱技术快速测量矿源腐植酸中的腐植酸含量,对于矿源腐植酸的检测及相关产品的质检都具有重要意义。将矿源腐植酸样本作为研究的对象,在实验室内用残渣法测定样本中的腐植酸含量,然后将样本研磨成0.15mm、0.18mm、0.25mm、0.6mm四种不同粒径,分别利用Thermo Fisher的Nicolet~(TM)iN~(TM)10傅里叶变换红外光谱仪测定四种粒径样本的光谱。基于高光谱技术,充分分析矿源腐植酸的吸收光谱特征以及光谱信息,对光谱数据进行Y-梯度广义最小二乘加权算法的预处理后,利用相关性分析法、连续投影算法、随机蛙跳算法和灰色关联分析法4种方法筛选出敏感波长,分别建立四种粒径光谱与腐植酸含量的支持向量机估测模型,对腐植酸的含量进行了预测。并通过精度检验优选出了最佳估测模型,确定了本研究的最佳样本粒径和最佳波长筛选方法。主要研究结论如下:(1)明确了矿源腐植酸随粒径变化的光谱响应规律矿源腐植酸光谱在680-1680nm区间内波动性较强,在2680-4000nm区间内波动性次强,在1680-2680nm区间内光谱曲线较为稳定。矿源腐植酸原始光谱及预处理后的光谱曲线的稳定性均随粒径的减小而稳步提高。本研究中0.15mm粒径矿源腐植酸光谱稳定性最高。(2)分析了Y-GLSW预处理方法对矿源腐植酸光谱的影响在0.6mm、0.25mm、0.18mm、0.15mm粒径水平上,腐植酸含量与经过Y-梯度广义最小二乘加权算法预处理光谱的相关系数值分别为0.4197、0.4897、0.4866、0.4747;与原始光谱的相关系数值分别为0.1979、0.3436、0.3572、0.3340。Y-GLSW预处理的相关系数值均高于原始光谱,说明此方法对光谱具有较好的修正作用。(3)优选出矿源腐植酸模型的最佳粒径基于相关性分析法、连续投影算法、随机蛙跳算法、灰色关联分析法建立的腐植酸含量估测模型,分别对比四者在0.6mm、0.25mm、0.18mm、0.15mm粒径水平的估测模型精度,最优粒径均为0.15mm。其校正集决定系数、均方根误差、相对分析误差分别为:0.8695、1.3592、2.8301;0.9915、0.3387、10.4757;0.8036、1.6678、2.8549;0.4522、2.7851、1.8033,验证集相关系数、均方根误差、相对分析误差分别为:0.6598、1.5888、2.8112;0.8269、1.4530、3.3070;0.6617、2.4773、2.9260;0.3532、2.7217、1.5979。综上,本研究最优研究粒径为0.15mm。(4)优选出矿源腐植酸模型的最佳波长筛选方法四种波长筛选方法所选取的波长较均匀地来自于光谱波动区、光谱次波动区和光谱稳定区,说明各个区间对波长的选取均有影响。对比四种波长筛选方法下0.15mm粒径的腐植酸模型精度,其中最优方法为连续投影算法。其校正集决定系数、均方根误差、相对分析误差分别为:0.9915、0.3387、10.4757,验证集相关系数、均方根误差、相对分析误差分别为0.8269、1.4530、3.3070。具备良好的光谱分析预测能力。四种波长筛选方法的模型精度大小为:连续投影算法随机蛙跳算法、相关性分析法灰色关联分析法。综上所述,利用高光谱数据预测矿源腐植酸中的腐植酸含量是可行的,本研究为矿源腐植酸中腐植酸含量的高光谱测量提供了更为直观的技术方法和理论支撑。
【图文】：

流程图,流程图,灰色关联,腐植酸

图 2.1 随机蛙跳算法流程图Fig. 2.1 Flow chart Random frog algorithmatlab 软件实现。法reyRelationAnalysis,GRA）是根据的关联程度，也是较为常用的波向，如电力系统隐蔽性数据攻击雷等，2018）、基于灰色关联进行土泛。本研究以各样本的腐植酸含量波长间关系的大小、强弱。其计算列并进行无量纲化处理

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*图中 4 个图分别表示粒径为 0.6 mm、0.25 mm、0.18 mm、0.15 mm 矿源腐植酸原始光谱图 3.1 不同粒径水平矿源腐植酸光谱Fig.3.1 Mineral source humic acid spectrum under different particle sizes如图 3.1 所示四种粒径的矿源腐植酸光谱曲线总体走势具有非常高的相似性。但是不同粒径的矿源腐植酸光谱的稳定性不同，，粒径越小，图谱的波动越小，其稳定性越好，光谱的信噪比越低。根据腐植酸及其衍生物常见的红外光谱吸收带可知，光谱吸收峰从左到右分别为913nm 附近的取代芳环 CH 面外变形振动峰（程亮等，2014）、1007nm 附近的 SO3H 或氨基、酸酐的羧基的弯曲振动峰、1380nm 附近的硝基的振动吸收峰、1562nm 附近的酰胺Ⅱ带或杂环 N 的振动吸收峰、和 3289nm 附近的氢键缔合振动峰（李善祥，2007）。
【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O433;S141

【参考文献】