土壤微量元素的激光诱导击穿光谱定量分析研究
发布时间：2021-10-22 23:51
近年来随着人均耕地面积进一步减少,国家越来越重视“精准农业”的发展。“精准农业”不仅要求种植户做到“精准施肥”还要做到“精准播种”,具体到实际生产过程中既要清楚复合肥中营养元素的种类与含量,还要对土壤中所含养分元素种类和含量有明确的概念。精准施肥的前提是要对农作物的生长环境有充分了解,因而获取土壤中微量元素含量的分布在精准农业中起着至关重要的作用,是指导我国农作物生产的关键。目前国内对土壤中微量元素的检测主要以实验室检测为主,需耗费大量的人力物力,所需时间较长,主要包括土壤样品的采样、前期预处理、国家标准方法检测、后期数据处理及分析。同时,这些方法对操作人员要求较高,需要专业人员进行操作,检测成本大、耗时长、存在二次污染。激光诱导击穿光谱技术（Laser-induced Breakdown Spectroscopy:LIBS）是一种全新的物质分析检测方法,其具有检测时间短,可同时检测多元素,前期预处理较少,污染较小等特点,已被广大研究者用于土壤中微量元素的快速检测,为我国“精准施肥”提供数据基础。本论文首先分析了土壤微量元素检测的常规检测方法,提出现有检测方法存在的问题。对于采用LIB...
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光等离子体能级示意图
安徽大学硕士学位论文9图2.1激光诱导等离子体形成示意图Figure2.1Schematicoflaser-inducedplasmaformation激光等离子体能级大致分为准连续区、连续区、分立能级区三个，短脉冲激光停止对物体表面作用，高能量等离子体逐渐冷却，自由电子主要以三种方式跃迁：束缚态-束缚态(Bound-bound)、自由态-自由态(Free-free)、自由态-束缚态(Free-bound)，即对应激发辐射、轫致辐射、复合辐射。如图2.2所示图2.2激光等离子体能级示意图Figure2.2Schematicdiagramoflaserplasmaenergylevels因为轫致辐射和复合辐射有各种频率，产生连续辐射干扰，不利于LIBS技术定量分析，由激发或者碰撞产生的具有高能量的激发态电子由高能级向低能级跃迁发射出的相对应的分立特征光谱，该过程被称为激发辐射，激发辐射产生线性光谱，代表原子或离子特征的线性光谱具有谱线展宽特性，而在实际实验中表现为分布在某段波长内的特征波峰，这些特征波峰能代表元素浓度是LIBS技术定量分析基矗图2.3为实验中波长在278nm~286nm间Mg元素的谱线分布。
第二章LIBS系统原理和SVM寻优模型12上消除基体效应和实验系统误差对于实验的影响，对于元素复杂的样本检测谱线特别丰富，元素间干扰较为严重，严重影响元素定量分析。以上三点限制了基于单变量定量分析元素含量的准确性，为解决LIBS定量分析误差大的难题提出了多变量定量分析法，如偏最小二乘法(PLS)、如多元非线性回归(MNLR)、支持向量机(SVM)和主成分回归等方法。2.2.1支持向量机回归方法常用于解决分类问题(SVC)和回归问题(SVR)的支持向量机(SVM)方法以统计学习理论(SLT)为基矗统计分析方法多用于当缺少理论模型，传统统计分析方法将无穷多的训练样本为前提以大数定律为理论依据，故对于解决样本数量准确率得不到保证，至于那些小样本数据，处理效果更是差别较大。本实验为44个土壤小样本数据，为了取得较好的实验结果，需要寻找一种适用于小样本的数据处理模型。支持向量机(SVM)是机器学习中常用的数据分析方法，其主要核心思想是将原空间难以解决的问题映射到多维空间进行处理，寻求最优超平面进行划分。2.2.2SVR算法原理Vapnik在解释SVR算法模型时引入ε-不敏感误差函数，如图2.4所示：图2.4ε-不敏感误差函数图Figure2.4ε-insensitiveerrorfunctiongraphε-不敏感误差函数公式表达为：0|z|<ε()||zz其它L(2-7)注：Z为预测值与训练实际观测值之差；ε为回归带宽直接决定模型准确性。由于一维和高维空间SVR算法均间隔最大化，简单起见将一维向量作为描述SVR模型。
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同土壤条件下追钾肥对小麦产量和品质的影响[J]. 李博,常旭虹,王德梅,陶志强,王艳杰,杨玉双,赵广才. 农业科技通讯. 2019(11)
[2]土壤速效磷可见-近红外光谱检测方法[J]. 方向,王文才,金秀,齐海军,李绍稳. 江苏农业学报. 2019(05)
[3]土壤中重金属总铬检测预处理方法比较研究[J]. 李志强,杨萌萌,张鑫源. 现代化工. 2019(S1)
[4]土壤有效磷及其化学测试方法分析[J]. 朱晴. 现代盐化工. 2019(05)
[5]离子色谱法测定土壤有效硫[J]. 曹华杰. 油气田环境保护. 2019(04)
[6]AFS-930原子荧光光度法在土壤中汞检测中的应用[J]. 时天昊. 化工管理. 2019(22)
[7]小麦精准施肥播种装置现状研究[J]. 孙春静,何箐民,滕文建,吴明清. 中国农机化学报. 2019(07)
[8]离子色谱法和硝酸银滴定法测定土壤中可溶性氯离子的对比研究[J]. 任青. 世界有色金属. 2019(10)
[9]土壤有效硫批量检测方法改进[J]. 王新华,张天臣. 山东国土资源. 2019(06)
[10]飞秒细丝-纳秒激光诱导击穿光谱技术对土壤重金属Pb元素检测[J]. 任佳,高勋. 光学精密工程. 2019(05)
本文编号：3452058
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光等离子体能级示意图
安徽大学硕士学位论文9图2.1激光诱导等离子体形成示意图Figure2.1Schematicoflaser-inducedplasmaformation激光等离子体能级大致分为准连续区、连续区、分立能级区三个，短脉冲激光停止对物体表面作用，高能量等离子体逐渐冷却，自由电子主要以三种方式跃迁：束缚态-束缚态(Bound-bound)、自由态-自由态(Free-free)、自由态-束缚态(Free-bound)，即对应激发辐射、轫致辐射、复合辐射。如图2.2所示图2.2激光等离子体能级示意图Figure2.2Schematicdiagramoflaserplasmaenergylevels因为轫致辐射和复合辐射有各种频率，产生连续辐射干扰，不利于LIBS技术定量分析，由激发或者碰撞产生的具有高能量的激发态电子由高能级向低能级跃迁发射出的相对应的分立特征光谱，该过程被称为激发辐射，激发辐射产生线性光谱，代表原子或离子特征的线性光谱具有谱线展宽特性，而在实际实验中表现为分布在某段波长内的特征波峰，这些特征波峰能代表元素浓度是LIBS技术定量分析基矗图2.3为实验中波长在278nm~286nm间Mg元素的谱线分布。
第二章LIBS系统原理和SVM寻优模型12上消除基体效应和实验系统误差对于实验的影响，对于元素复杂的样本检测谱线特别丰富，元素间干扰较为严重，严重影响元素定量分析。以上三点限制了基于单变量定量分析元素含量的准确性，为解决LIBS定量分析误差大的难题提出了多变量定量分析法，如偏最小二乘法(PLS)、如多元非线性回归(MNLR)、支持向量机(SVM)和主成分回归等方法。2.2.1支持向量机回归方法常用于解决分类问题(SVC)和回归问题(SVR)的支持向量机(SVM)方法以统计学习理论(SLT)为基矗统计分析方法多用于当缺少理论模型，传统统计分析方法将无穷多的训练样本为前提以大数定律为理论依据，故对于解决样本数量准确率得不到保证，至于那些小样本数据，处理效果更是差别较大。本实验为44个土壤小样本数据，为了取得较好的实验结果，需要寻找一种适用于小样本的数据处理模型。支持向量机(SVM)是机器学习中常用的数据分析方法，其主要核心思想是将原空间难以解决的问题映射到多维空间进行处理，寻求最优超平面进行划分。2.2.2SVR算法原理Vapnik在解释SVR算法模型时引入ε-不敏感误差函数，如图2.4所示：图2.4ε-不敏感误差函数图Figure2.4ε-insensitiveerrorfunctiongraphε-不敏感误差函数公式表达为：0|z|<ε()||zz其它L(2-7)注：Z为预测值与训练实际观测值之差；ε为回归带宽直接决定模型准确性。由于一维和高维空间SVR算法均间隔最大化，简单起见将一维向量作为描述SVR模型。
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同土壤条件下追钾肥对小麦产量和品质的影响[J]. 李博,常旭虹,王德梅,陶志强,王艳杰,杨玉双,赵广才. 农业科技通讯. 2019(11)
[2]土壤速效磷可见-近红外光谱检测方法[J]. 方向,王文才,金秀,齐海军,李绍稳. 江苏农业学报. 2019(05)
[3]土壤中重金属总铬检测预处理方法比较研究[J]. 李志强,杨萌萌,张鑫源. 现代化工. 2019(S1)
[4]土壤有效磷及其化学测试方法分析[J]. 朱晴. 现代盐化工. 2019(05)
[5]离子色谱法测定土壤有效硫[J]. 曹华杰. 油气田环境保护. 2019(04)
[6]AFS-930原子荧光光度法在土壤中汞检测中的应用[J]. 时天昊. 化工管理. 2019(22)
[7]小麦精准施肥播种装置现状研究[J]. 孙春静,何箐民,滕文建,吴明清. 中国农机化学报. 2019(07)
[8]离子色谱法和硝酸银滴定法测定土壤中可溶性氯离子的对比研究[J]. 任青. 世界有色金属. 2019(10)
[9]土壤有效硫批量检测方法改进[J]. 王新华,张天臣. 山东国土资源. 2019(06)
[10]飞秒细丝-纳秒激光诱导击穿光谱技术对土壤重金属Pb元素检测[J]. 任佳,高勋. 光学精密工程. 2019(05)
本文编号：3452058
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