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数字图像识别在混合油类三维荧光光谱分析中的应用 被引量:8
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作者 孔德明 崔耀耀 +2 位作者 孔令富 王书涛 史慧超 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2019年第11期3407-3413,共7页
海上溢油已成为全球环境污染的重要问题之一,溢油严重破坏了海洋生态的平衡,并导致人类健康受到危害。因此,研究高效的溢油检测方法对保护海洋生态环境具有重要意义。三维荧光光谱技术因能获得溢油的“指纹”图谱而成为溢油鉴别领域的... 海上溢油已成为全球环境污染的重要问题之一,溢油严重破坏了海洋生态的平衡,并导致人类健康受到危害。因此,研究高效的溢油检测方法对保护海洋生态环境具有重要意义。三维荧光光谱技术因能获得溢油的“指纹”图谱而成为溢油鉴别领域的有效分析手段,其与平行因子分析算法相结合获得了良好的溢油鉴别效果。但平行因子算法在使用过程中需要确定不同石油产品本身所适用的浓度范围,且其对预估计组分数敏感,组分数选择是否准确直接影响最终定性定量结果,这些问题都会对油类检测造成使用上的限制。油类组分极为复杂,其中各组分间不存在统一的线性浓度范围,其相互之间还受到荧光猝灭效应的影响。直接对未经稀释的油类样本进行光谱数据采集,所获得的三维荧光光谱会因样本中组分的种类及其含量不同而存在较大差异,导致对三维荧光光谱数据进行解析的平行因子分析算法不再适用。但组分的种类及含量相近的油样其光谱特征相似度较高,并且随着特定组分及其含量的改变,其光谱形状的变化规律也较为明显。基于此,将三维荧光光谱和数字图像识别相结合,提出一种针对混合油类样本的辨识方法。首先,利用五种矿物油(汽油、柴油、航空煤油、机油和润滑油)配制三类混合油样本,其中每类混合油是用其中两种不同矿物油以不同体积比直接混合配制而成;然后利用FS920荧光光谱仪获取样本的三维荧光光谱数据,并对该数据进行求导及灰度化预处理,进而得到三维荧光导数光谱灰度图;其次提取样本三维荧光导数光谱灰度图的颜色、纹理和形状等数字图像特征;最后,通过Fisher判别分析建立样本的分类模型,采用逐步回归建立混合油样本各组分相对体积的定量模型。分类模型对三类混合油样本的分类及识别效果良好。所建立的定量模型的线性相关性R大于0.99,显著性检验p值小于0.05。研究结果表明,三维荧光光谱的数字图像特征可以被本文所述方法有效提取并用于对油类样本的定性定量分析。该研究为海面溢油检测提供了一种简单、可靠的识别方法。 展开更多
关键词 溢油检测 三维荧光光谱 数字图像识别 FISHER判别 逐步回归
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海面溢油三维荧光光谱消除瑞利散射方法的研究 被引量:10
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作者 孔德明 李雨蒙 +2 位作者 崔耀耀 张春祥 王书涛 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第9期2791-2797,共7页
三维荧光光谱分析法以其灵敏度高、选择性好、操作简单和可用于多组分混合物分析等优点成为诸多研究者在海面溢油鉴别中的热点选择。但三维荧光光谱中存在的瑞利散射会对光谱的准确检测产生较大的影响,因此有效地消除瑞利散射对后续光... 三维荧光光谱分析法以其灵敏度高、选择性好、操作简单和可用于多组分混合物分析等优点成为诸多研究者在海面溢油鉴别中的热点选择。但三维荧光光谱中存在的瑞利散射会对光谱的准确检测产生较大的影响,因此有效地消除瑞利散射对后续光谱的定性鉴别和定量分析具有重要意义。采用仪器校正法、空白扣除法、 Delaunay三角形内插值法和缺损数据重构(MDR)法对海面溢油三维荧光光谱中的瑞利散射进行校正。首先以海水的SDS胶束溶液作为溶剂,将航空煤油和润滑油按不同相对体积分数比配制8个校正样本和3个测试样本;然后利用FS920稳态荧光光谱仪采集11个样本的三维荧光光谱数据,并分别采用仪器校正法、空白扣除法、 Delaunay三角形内插值法和缺损数据重构(MDR)法消除瑞利散射的干扰;再利用核一致诊断法估计出最佳的组分数;最后利用平行因子分析(PARAFAC)对混合油样本的三维荧光光谱数据进行定性鉴别和定量分析。研究结果表明:采用发射波长滞后激发波长以消除瑞利散射的仪器校正法会丢失部分有效光谱信息;采用空白扣除法无法彻底消除瑞利散射,在光谱中仍然存在散射干扰,利用PARAFAC解析后得到的激发、发射光谱会出现失真,且预测的浓度值偏差较大;采用Delaunay三角形内插值法消除瑞利散射后,利用PARAFAC解析所得到的激发、发射光谱与真实光谱吻合度较高,且预测的浓度值偏差较小;而采用MDR消除瑞利散射后,利用PARAFAC解析所获得的激发、发射光谱与真实光谱吻合度最高,且相较于其他几种方法预测的浓度值偏差最小,得到的样本回收率为98.9%和100%,预测均方根误差均小于等于0.130。根据定性鉴别、定量分析的结果, MDR能够在保证原有特征光谱不失真的基础上有效消除瑞利散射带来的影响,是一种消除三维荧光光谱数据中瑞利散射较为理想的方法。 展开更多
关键词 三维荧光光谱 瑞利散射 空白扣除法 Delaunay三角形内插值法 缺损数据重构法
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结合平行因子分析算法和模式识别方法的三维荧光光谱技术用于石油类污染物的检测 被引量:6
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作者 孔德明 宋乐乐 +2 位作者 崔耀耀 张春祥 王书涛 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第9期2798-2803,共6页
随着海洋中石油资源的不断开发,泄漏到海洋环境中的石油也日益增多,它不仅威胁着海洋生态环境,同时也严重影响着人们的身体健康。因此,快速、有效地检测出海洋环境中的石油类污染物对于保护海洋生态环境和人类健康具有重要意义。石油产... 随着海洋中石油资源的不断开发,泄漏到海洋环境中的石油也日益增多,它不仅威胁着海洋生态环境,同时也严重影响着人们的身体健康。因此,快速、有效地检测出海洋环境中的石油类污染物对于保护海洋生态环境和人类健康具有重要意义。石油产品中含有大量的多环芳烃,其具有较强的荧光特性。因此,荧光光谱技术成为检测石油类污染物的重要手段之一。利用三维荧光光谱技术结合平行因子分析算法和模式识别方法,对石油类污染物进行表征和分类。首先,以海水和十二烷基硫酸钠(SDS)配制的胶束溶液作为溶剂,分别配制不同浓度的柴油、航空煤油、汽油和润滑油溶液,最终得到80个实验样本;然后,利用FLS920型荧光光谱仪采集实验样本的三维荧光光谱数据,并通过Delaunay三角形内插值法对所获得的三维荧光光谱数据进行去散射处理;其次,利用平行因子分析(PARAFAC)算法分解去散射后的三维荧光光谱数据,通过运用核一致诊断法和残差分析法对组分数进行估计;最后,为了建立稳健的分类模型,利用Kennard-Stone算法将80个实验样本分为60个训练集样本和20个测试集样本,运用K最近邻(KNN)算法、主成分判别分析(PCA-LDA)算法以及偏最小二乘判别分析(PLS-DA)算法分别建立分类模型,并利用灵敏度、特异性和准确率对分类效果进行评估。研究结果表明:三种分类模型对测试集中样本的识别准确率分别为85%, 90%和94%,其中, PLS-DA分类模型对测试集样本的识别准确率最高,具有最佳的分类效果。因此,在利用平行因子分析算法提取石油类污染物荧光光谱数据的基础上,结合模式识别方法可以很好的对不同种类油品进行分类研究。利用三维荧光光谱技术结合平行因子分析算法和模式识别方法快速、有效地检测油类污染物,为石油类污染物的快速检测提供了一种新的研究思路和重要参考。 展开更多
关键词 光谱学 石油类污染物 三维荧光光谱 平行因子分析 模式识别
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基于三维荧光光谱技术结合交替加权残差约束四线性分解的不同盐度条件下混合油液检测 被引量:4
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作者 孔德明 董瑞 +1 位作者 崔耀耀 王书涛 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第6期1769-1774,共6页
石油作为一种重要的化石能源,是人类社会生产活动中不可缺少的一部分。石油在被人们开采、使用的过程中不可避免地会发生泄漏,泄漏的石油会给生态环境带来严重的威胁。因此,在石油泄漏后需要及时对其进行处理,而其前提是能够准确识别石... 石油作为一种重要的化石能源,是人类社会生产活动中不可缺少的一部分。石油在被人们开采、使用的过程中不可避免地会发生泄漏,泄漏的石油会给生态环境带来严重的威胁。因此,在石油泄漏后需要及时对其进行处理,而其前提是能够准确识别石油种类。由于石油中多种物质具有荧光特性,因此应用荧光光谱法可对石油进行有效检测。但石油所含组分较多,使得其光谱信息重叠严重,识别困难。而三阶校正方法具有"三阶优势",可以分辨高共线性、高噪声水平下的数据。其中,三阶校正中的交替加权残差约束四线性分解(AWRCQLD)算法具有收敛速度快、对组分数不敏感等优点;因此,利用三维荧光光谱技术结合AWRCQLD算法,对混合油液进行检测。首先,配制3种盐度条件下的十二烷基硫酸钠(SDS)溶剂;并在每种盐度条件下分别将航空煤油和润滑油按照不同浓度比混合,最终得到24个校正样本和9个预测样本。然后,使用FLS920荧光光谱仪对实验样本进行光谱数据采集。其次,使用扣除空白法去除光谱中的散射,并通过核一致诊断法判断混合油中的组分数。最后,用AWRCQLD算法对四维光谱矩阵进行解析。研究结果表明,在0~20盐度范围内,随着盐度的增加,航空煤油的荧光强度先减小后增大,润滑油的荧光强度先增大后减小;混合油解析光谱曲线分别与航空煤油及润滑油的实际光谱曲线重合度良好;经AWRCQLD算法解析后得到的航空煤油的回收率范围为100.2%~109%,均方根误差为0.0021 mg·mL^-1;润滑油的回收率范围为91.8%~109.3%,均方根误差为0.0048 mg·mL^-1。通过引入盐度作为新一维度的数据,从而将三维光谱数据阵扩展到相应的四维光谱数据阵。并利用AWRCQLD算法对四维光谱数据阵进行了解析,实现了在不同盐度条件下对混合油的定性和定量分析。同时,为不同盐度条件下的混合油液检测提供了参考。 展开更多
关键词 三维荧光光谱 AWRCQLD 海水盐度 混合油检测
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基于重构三维荧光光谱结合偏最小二乘判别分析的油类识别方法研究 被引量:6
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作者 崔耀耀 孔德明 +2 位作者 孔令富 王书涛 史慧超 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第12期3789-3794,共6页
油类污染日渐频繁,给人类健康及生态环境造成了严重的威胁。因此,研究有效的油类识别方法对保护生态环境具有重要意义。三维荧光光谱技术是识别油类最有效的分析手段之一,利用二阶校正方法对三维荧光光谱数据进行解析,然后利用模式识别... 油类污染日渐频繁,给人类健康及生态环境造成了严重的威胁。因此,研究有效的油类识别方法对保护生态环境具有重要意义。三维荧光光谱技术是识别油类最有效的分析手段之一,利用二阶校正方法对三维荧光光谱数据进行解析,然后利用模式识别对二阶校正方法解析结果中的浓度得分矩阵进行分类,可以实现对未知样本的定性识别。然而,此类方法在对未知样本进行分类识别的过程中,只应用了浓度得分矩阵,其本质上只是利用样本所含化学成分的相对含量差异对未知样本进行了分类。并没有利用具有定性意义的载荷矩阵,即没有从样本所含化学成分本身实现对样本的定性。基于此,将重构的三维荧光光谱和偏最小二乘判别分析(PLS-DA)相结合,提出了一种针对油类样本的辨识方法。首先,利用四种油类(汽油、柴油、航空煤油和润滑油)在不同的背景环境下(纯净水、自来水、河水及海水配制的十二烷基硫酸钠溶剂)配制了80个油类样本;然后,利用FS920荧光光谱仪采集样本的三维荧光光谱数据,并对该数据进行去散射及标准化预处理;其次,利用Leverage值识别并删除其中的异常光谱,并利用平行因子分析算法(PARAFAC)对剩余的光谱进行重构;最后,通过PLS-DA建立重构三维荧光光谱的分类模型;并将重构与未重构的三维荧光光谱分别建立的分类模型进行了对比。分析结果表明,三维荧光光谱经过重构后,可以将四种油类的正确分类率分别从原来的100%, 50%, 60%和20%提高到100%, 100%, 100%和100%,表明重构的三维荧光光谱具有更加明显的类内特征。重构三维荧光光谱所建立的分类模型的灵敏度(SENS)、特异性(SPEC)及F分数分别为100%, 100%和100%,表明所建立的模型具有稳健及可靠的分析结果。该研究中,重构三维荧光光谱利用了PARAFAC解析结果中的浓度得分矩阵及载荷矩阵,所建立的PLS-DA分类模型不仅从化学成分相对含量的差异而且从化学成分本身对样本进行了定性识别,所得结果更加具有说服力。该研究为油类识别提供了一种可靠的方法。 展开更多
关键词 重构三维荧光光谱 PARAFAC PLS-DA 油类识别
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Spatiotemporal change patterns of urban lakes in China’s major cities between 1990 and 2015 被引量:4
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作者 Cong Xie Xin Huang +2 位作者 Leiguang Wang Xing Fang Wenzhi Liao 《International Journal of Digital Earth》 SCIE EI 2018年第11期1085-1102,共18页
China has experienced unprecedented urbanization in the past decades,resulting in dramatic changes in the physical,limnological,and hydrological characteristics of lakes in urban landscapes.However,the spatiotemporal ... China has experienced unprecedented urbanization in the past decades,resulting in dramatic changes in the physical,limnological,and hydrological characteristics of lakes in urban landscapes.However,the spatiotemporal dynamics in distribution and abundance of urban lakes in China remain poorly understood.Here,we characterized the spatiotemporal change patterns of urban lakes in China’s major cities between 1990 and 2015 using remote-sensing data and landscape metrics.The results showed that the urban lake landscape patterns have experienced drastic changes over the past 25 years.The total surface area of the urban lakes has decreased by 17,620.02 ha,a decrease of 24.22%,with a significant increase in the landscape fragmentation and a reduction in shape complexity.We defined three lake-shrinkage types and found that vanishment was the most common lake-shrinkage pattern,followed by edge-shrinkage and tunneling in terms of lake area.Moreover,we also found that urban sprawl was the dominant driver of the lake shrinkage,accounting for 67.89%of the total area loss,and the transition from lakes to cropland was also an important factor(19.86%).This study has potential for providing critical baseline information for government decision-making in lake resources management and urban landscape design. 展开更多
关键词 Urban expansion lake changes landscape pattern human activities
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Application of the Point-Descriptor-Precedence representation for micro-scale traffic analysis at a non-signalized T-junction
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作者 Amna Qayyum Bernard De Baets +3 位作者 Laure De Cock Frank Witlox Guy De Tré Nico Van de Weghe 《Geo-Spatial Information Science》 SCIE EI CSCD 2023年第3期406-430,共25页
An intersection of two or more roads poses a risk for potential conflicts among vehicles.Often the reasons triggering such conflicts are not clear,as they might be too subtle for the human eye.The environment also pla... An intersection of two or more roads poses a risk for potential conflicts among vehicles.Often the reasons triggering such conflicts are not clear,as they might be too subtle for the human eye.The environment also plays a part in understanding where,when,and why a particular vehicle interaction has occurred in a certain way.Therefore,it is of paramount importance to dive deeper into the vehicle interaction at a micro-scale within the embedded geographical environment,particularly at the intersections.This would in turn assist in evaluating the association of vehicle interactions with conflict risks and near-miss accidents.Moreover,detection of such micro traffic interactions could also be used to improvise the complexity of the already established transport infrastructure.Conversely,traffic at intersections has been explored mainly for flow estimation,capacity and width measurements,and traffic congestion,etc.,whereas the detection of micro-scale traffic interactions at intersections remains relatively under-explored.In this paper,we present a novel approach to retrieve and represent micro-scale traffic movement interactions at a non-signalized T-junction by extending a recently introduced qualitative spatiotemporal Point-Descriptor-Precedence(PDP)representation.We study how the PDP representation offers a fine solution to study the interaction of traffic flows at intersections.This permits tracking the micro-movement of vehicles in much finer detail,which is used later to retrieve movement patterns from a motion dataset.Unlike conventional approaches,we start our approach with the actual movements before modeling the static intersection environment.Additionally,with the aid of illustrative examples,we discuss how the length,width,and speed of the vehicles can be exploited in our approach to detect specific patterns more accurately.Additionally,we address the potential benefits of our approach for traffic safety assessment and how it can be extended to a network of intersections using different transport modes. 展开更多
关键词 Vehicle interaction traffic research pattern identification traffic safety spatiotemporal representation movement pattern
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Detection of leaf structures in close-range hyperspectral images using morphological fusion
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作者 Gladys Villegas Wenzhi Liao +2 位作者 Ronald Criollo Wilfried Philips Daniel Ochoa 《Geo-Spatial Information Science》 CSCD 2017年第4期325-332,共8页
Close-range hyperspectral images are a promising source of information in plant biology,in particular,for in vivo study of physiological changes.In this study,we investigate how data fusion can improve the detection o... Close-range hyperspectral images are a promising source of information in plant biology,in particular,for in vivo study of physiological changes.In this study,we investigate how data fusion can improve the detection of leaf elements by combining pixel reflectance and morphological information.The detection of image regions associated to the leaf structures is the first step toward quantitative analysis on the physical effects that genetic manipulation,disease infections,and environmental conditions have in plants.We tested our fusion approach on Musa acuminata (banana) leaf images and compared its discriminant capability to similar techniques used in remote sensing.Experimental results demonstrate the efficiency of our fusion approach,with significant improvements over some conventional methods. 展开更多
关键词 HYPERSPECTRAL FUSION MORPHOLOGY PLANT BIOLOGY
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A new kernel method for hyperspectral image feature extraction
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作者 Bin Zhao Lianru Gao +1 位作者 Wenzhi Liao Bing Zhang 《Geo-Spatial Information Science》 CSCD 2017年第4期309-318,共10页
Hyperspectral image provides abundant spectral information for remote discrimination of subtle differences in ground covers.However,the increasing spectral dimensions,as well as the information redundancy,make the ana... Hyperspectral image provides abundant spectral information for remote discrimination of subtle differences in ground covers.However,the increasing spectral dimensions,as well as the information redundancy,make the analysis and interpretation of hyperspectral images a challenge.Feature extraction is a very important step for hyperspectral image processing.Feature extraction methods aim at reducing the dimension of data,while preserving as much information as possible.Particularly,nonlinear feature extraction methods (e.g.kernel minimum noise fraction (KMNF) transformation) have been reported to benefit many applications of hyperspectral remote sensing,due to their good preservation of high-order structures of the original data.However,conventional KMNF or its extensions have some limitations on noise fraction estimation during the feature extraction,and this leads to poor performances for post-applications.This paper proposes a novel nonlinear feature extraction method for hyperspectral images.Instead of estimating noise fraction by the nearest neighborhood information (within a sliding window),the proposed method explores the use of image segmentation.The approach benefits both noise fraction estimation and information preservation,and enables a significant improvement for classification.Experimental results on two real hyperspectral images demonstrate the efficiency of the proposed method.Compared to conventional KMNF,the improvements of the method on two hyperspectral image classification are 8 and 11%.This nonlinear feature extraction method can be also applied to other disciplines where high-dimensional data analysis is required. 展开更多
关键词 HYPERSPECTRAL IMAGE dimensionality reduction FEATURE extraction IMAGE SEGMENTATION KERNEL method
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