一种波段聚类和多尺度结构特征融合的高光谱图像分类模型

高光谱图像包含丰富的地物信息,在农业、工业和军事等领域应用广泛。因此,高光谱图像的识别与分类是一项重要的研究课题。然而,高光谱图像存在光谱维度高、噪声大、标记样本有限等问题,并未取得很好的分类效果。针对以上问题,提出一种波段聚类和多尺度结构特征融合的高光谱图像分类模型(ASPS-MRTV)。该方法主要包括以下几个步骤,首先,对高光谱数据进行归一化处理,将归一化后的三维图像按光谱维等分为n个子空间;其次,采用粗细划分策略构造自适应子空间光谱特征提取框架,将每个空间波段拉伸为一维向量后用信息散度构造波段的相似性矩阵,按照聚类的思想对n个子空间进行自适应;然后,将每个自适应子空间的光谱波段平均值进行叠加,形成光谱特征;最后,对所得到的光谱特征数据利用多尺度相对全变分技术提取结构特征。为了增强样本的线性可分性,在数据堆叠之后进行核主成分分析,最终形成空谱特征。对比实验中统一使用惩罚参数C和核参数σ都为24.5的SVM进行分类。经测试,ASPS-MRTV网络模型在Indian Pines、 University of Pavia两个数据集上分别以5%, 1%的训练样本达到了97.06%、 98.98%的总体分类精度。实验结果表明,该模型与SVM、 ASPS(ED)、 ASPS(ID)、 ASPS-LBP、 ASPS-GlCM、 ASPS-BF模型相比,在分类性能和计算效率方面都取得了更优的效果,有效提高小样本下高光谱图像的分类精度。

煤系石墨微晶结构各向异性和非均质性的拉曼光谱表征

煤对温度和压力等地质环境条件十分敏感,在构造应力驱动下煤中“石墨微晶”结构取向生长,物理化学和结构呈现各向异性。采用X射线衍射和拉曼光谱对不同石墨化程度样品进行表征,结果表明:在高温主导,剪应力作用参与下,煤层顺层滑动,构造变形使石墨微晶旋转、择优取向,随着沿C轴方向堆砌高度的增加。以堆砌度Lc≤5 nm划分为无烟煤阶段,为碳层随机定向或无规则排列的紊层结构,光学各向同性;以Lc≥30 nm时视为较完善石墨结构形成的标志,光学各向异性显著;在10~20 nm间属于石墨化结构不够完善的过渡态结构(半石墨阶段)。石墨阶段样品SXL100、SXL130层理面、边缘面和粉末的拉曼光谱中1350 cm^(-1)带(D_(1))、1620 cm^(-1)带(D_(2))都较明显,但是石墨边缘面拉曼光谱中D1峰半高宽、D_(1)与G峰强度比(I_(D1)/IG,R_(1))、D_(2)峰与G峰强度比(I_(D2)/IG,R_(3))显著高于层理面,显示强度比等拉曼参数依赖于煤系石墨边缘面的取向。D1峰强度依赖样品缺陷或无序程度,边缘面D_(2)峰具有非对称特征,双峰结构显著,并且D′1峰随D_(2)峰变化,亦显示边缘面缺陷的光谱行为。用煤系石墨缺陷密度或有序度表征指标R_(1)划分无烟煤(R_(1)≥1.0)、半石墨(1.0>R_(1)≥0.5)和石墨(R_(1)<0.5)等阶段,并评价煤系石墨均匀程度及不同石墨化程度组分的比例及分布,发现变质无烟煤CM130N样中超前演化达到半石墨结构占比达3.52%,半石墨BC210样中无烟煤结构占比46.40%,SXL130样整体石墨化,但其中无烟煤结构占比仍有3.84%,层理面和边缘面结构中仍存在缺陷,建立的方法在区分无烟煤、半石墨更具优势。在拉曼激光入射方向一定时,可利用R_(1)、R_(3)参数来探讨受构造应力影响的煤系石墨层理面拉曼光谱特征,分别评价了石墨化不均一性和石墨微晶取向。

生决明子和炒决明子结构中红外光谱研究

采用中红外(MIR)光谱(包括:一维MIR光谱、二阶导数MIR光谱、四阶导数MIR光谱及去卷积MIR光谱)开展了决明子(包括:生决明子和炒决明子)结构研究.试验发现,决明子结构的红外吸收模式主要包括:ν_(asCH_(3)-决明子)、ν_(asCH_(2)-决明子)、ν_(sCH_(3)-决明子)、ν_(sCH_(2)-决明子)、ν_(C=O-决明子)、ν_(amide-Ⅰ-决明子)、ν_(amide-Ⅱ-决明子)和ν_(C-O-决明子).研究发现,决明子结构的去卷积MIR光谱的谱图分辨能力要优于相应的一维MIR光谱、二阶导数MIR光谱和四阶导数MIR光谱.决明子主要成分包括:多糖类、蛋白质及油脂.本项研究拓展了MIR光谱技术在重要的中药(生决明子和炒决明子)结构的研究范围.

基于深度学习的微纳结构光谱设计研究进展

随着人工智能技术的快速发展,深度学习在微纳结构光谱调控领域展现出了巨大的应用潜力。深度学习可以在无明确物理解析模型的情况下,通过构建复杂的神经网络,从实验或仿真数据中学习微纳结构的光谱响应特性,从而实现高效的设计优化,这为微纳结构的设计提供了一种新的思路和方法。该文综述了近年来深度学习在微纳结构设计中的研究进展,重点讨论了其在结构色、热辐射控制以及窄带光谱传感等光谱调控领域的应用,并展望了该领域未来的发展机遇与挑战。

环金属配体Ir(Ⅲ)配合物结构、光谱和量子效率的理论研究

对一类环金属Ir(Ⅲ)[(C^N)_(2)Ir(A^A)]配合物[C^N=ptaz(1,2,4),mhtz(3),ptaz=3,4,5-三苯基-4H-1,2,4-三唑,mhtz=1,3-双甲基-5-苯基-1H-1,2,4-三唑;A^A=pzpy(1),npzpy(2,3),bicb(4),pzpy=2-(1H-吡唑-1-基)吡啶,npzpy=4-二甲基氨基-2-(1H-吡唑-1-基)吡啶,bicb=3,3′-亚甲基双(1-甲基-1H-咪唑-2-亚基)]的结构、光谱特征和磷光量子效率进行了理论研究.计算方法探究表明,基于B3LYP泛函优化的基态结构和单激发组态相互作用(CIS)方法得到的激发态结构计算的吸收和发射光谱更准确.配合物1~4的最低吸收峰和发射峰分别位于408,376,382,365 nm和503,506,468,511 nm处,其HOMOs主要由金属和C^N配体占据,而配合物1~3的LUMOs由A^A配体的π反键轨道组成,配合物4的LUMO存在于C^N配体上.因此,配合物4的最低吸收峰和发射峰具有与配合物1~3不同的金属到配体和配体内部(MLCT/ILCT)的混合跃迁性质,非共轭N^N配体的引入显著消弱了其在跃迁过程中的贡献程度.配合物1~4的量子效率取决于非辐射跃迁速率常数k_(nr),这与它们重组能的贡献[4569 cm^(-1)(3)>2583 cm^(-1)(1)>1232 cm^(-1)(2)>975 cm^(-1)(4)]相一致,表明主配体的体积和辅助配体的共轭能力都能影响配合物的磷光量子效率.

双层协同结构改进的高光谱异常检测算法

在高光谱目标检测领域,基于协同表示的算法展现出优异的性能,但其一直存在异常点对背景字典的污染问题,这一定程度上影响了算法的检测性能。本文提出了一种改进的协同表示高光谱异常检测算法,设计了双层协同表示结构,首先利用第一层协同表示算法将大部分异常点检出,并用其邻域进行背景纯化,剔除已检出的异常点对背景字典的污染,然后用纯化的背景字典来预测背景,进而在第二层采用协同表示进行异常检测。仿真试验表明,通过简单的双层协同表示结构可以有效地减轻异常点对背景污染的问题。该算法的检测性能相对基础的协同表示算法有显著的提升,与现有的算法对比,具有相对较好的检测效果。

LiF-ZrF_(4)熔盐体系离子结构的Raman光谱

采用Raman光谱和量子化学计算相结合的方法,研究了803~1 086 K下,ZrF_(4)摩尔分数为10%~60%的LiF-ZrF_(4)熔盐体系的离子结构特征及变化规律.研究结果表明:熔体中含有ZrF_(5)^(-),ZrF_(6)^(2-),ZrF_(7)^(3-)和ZrF_(8)^(4-)四种络合阴离子团,其中以ZrF_(7)^(3-)和ZrF_(8)^(4-)为主,二者摩尔分数之和高达90%~94%,ZrF_(5)^(-)和ZrF_(6)^(2-)含量较少.在熔盐升温初始阶段,熔盐中发生ZrF_(7)^(3-)与ZrF_(6)^(2-)生成ZrF_(8)^(4-)和ZrF_(5)^(-)的反应(ZrF_(7)^(3-)+ZrF_(6)^(2-)→ZrF_(8)^(4-)+ZrF_(5)^(-));到达一定温度后,熔盐中发生ZrF_(8)^(4-)与ZrF_(6)^(2-)生成ZrF_(7)^(3-),ZrF_(5)^(-)和F-的反应(ZrF_(8)^(4-)+ZrF_(6)^(2-)→ZrF_(7)^(3-)+ZrF_(5)^(-)+2F-).随着ZrF_(4)质量分数增加,熔盐中ZrF_(5)^(-)含量增加,ZrF_(6)^(2-),ZrF_(7)^(3-)和ZrF_(8)^(4-)的含量减少.

0.2 μm~20 μm超宽光谱超材料吸波结构设计与仿真

为了实现对从紫外到红外超宽光学谱段辐射的高效吸收,设计了0.2 μm~20 μm波长范围内高吸收效率的超材料吸波结构。采用超宽带分区设置、5分离层结构优化设计、非均匀采样等方法获得了3尺度5分离层超材料吸波结构的等效谐振电路参数,确定了各分离层结构参数,分析讨论了吸波性能。仿真实验结果表明:超材料吸波结构总厚度约3.14 μm,在0.2 μm~20 μm波长范围内吸收效率优于89%,有效吸波带宽比接近100%,满足超宽光谱超材料吸波结构波长范围和吸收效率约束。设计方法在超宽带频率范围内可实现一致性连续吸波结构设计,各分区吸波带宽比预期带宽拓展约45.26%,整体吸收带宽比预期带宽拓展约81.57%,吸收效率优于80%的有效吸收带宽比约85.11%,适用于超宽光谱探测与对抗隐身。

利用和频振动光谱探索蛋白质与多肽界面结构的最新研究进展

蛋白质和多肽的界面结构在各种生物过程和技术发展中发挥着重要作用。对这些结构的深入了解对于疾病诊断、药物输送和生物材料的研究至关重要.然而,这些体系的复杂性以及分析方法的局限性限制了其深入研究.尽管X射线晶体学和低温电子显微镜等先进技术在分析蛋白质结构方面做出了重大贡献,但对于实际条件下表面结合蛋白质结构的理解仍然有限,这也为该领域带来了挑战。和频振动光谱技术已经成为分析蛋白质界面分子结构的一种强有力的手段.本文简要介绍和频振动光谱学的基本原理,探讨其在相位测量方面的研究进展,并概述了近三年(2021~2023)的研究成果,展示了和频振动光谱在揭示多肽和蛋白质界面分子结构方面的潜力:本文为进一步利用和频振动光谱探索不同类型的多肽和蛋白质在界面上的结构和功能提供了有利的支持。

金属微结构表面增强激光诱导击穿光谱的强度与稳定性

在金属铝表面用飞秒激光分别刻蚀了四种形状的微结构,对比分析了周期不同的矩形、圆形、三角形和六边形微结构对沉积在其表面Cr元素水溶液的表面增强激光诱导击穿光谱(LIBS)光谱强度和稳定性的影响。研究结果表明微结构的周期越小,光谱增强效果越显著,其中矩形微结构在相同周期下表现出最优光谱增强效果,相比于未处理的金属铝,其光谱强度增强了4倍左右。此外,六边形微结构的光谱稳定性最佳,具有良好的可重复性。研究结果为今后采用表面增强LIBS法检测水溶液中的重金属元素提供了一种可行的基底制备方法。

双轴应变调控下单层双面神结构MoSSe拉曼光谱的理论研究

单层双面神结构过渡金属硫化物具有低维度、高迁移率以及奇特的电子结构性质,因此其在电子学和光电子学器件方面具有潜在的应用前景。由单层双面神结构过渡金属硫化物和基底材料制成的器件,很容易因基底材料和单层双面神结构过渡金属硫化物的晶格失配,导致单层双面神结构过渡金属硫化物受基底材料的应力,因此通过拉曼散射系统研究双轴应变对单层双面神结构MoSSe物性的影响具有重要意义。系统研究了双轴调控下单层双面神结构MoSSe的原子结构、电子结构、声子结构和拉曼散射特性。结果表明,在双轴应变调控下,单层双面神结构MoSSe的电子能带带隙出现了直接与间接的转换;随着压应变的减小和拉应变的增加,3个拉曼特征峰(E^(1)、E^(2)、A_(1)^(1))的频率都发生了单调红移,而A_(1)^(2)的拉曼特征峰在压应变减小的过程中出现了反常的蓝移;随着压应变的减小和拉应变的增加,双重简并模式(E^(1)、E^(2))的拉曼强度单调增加,单重简并模式的拉曼强度单调减小,而A_(1)^(1)的拉曼强度先减小再增加。针对这些具有普遍性和特殊性的应变效应,通过建模进行了研究。结果表明,基于特征峰频率和强度随应变的变化差异,可以通过特征峰之间的频率差和强度比,快速定量化双面神结构材料的应变类型和大小。

二维相关红外光谱技术解析牛肉热加工过程中蛋白质二级结构变化

利用傅里叶变换红外光谱和近红外(near-infrared,NIR)光谱技术,对60~120℃下加热0~15 min的66个牛肉样品进行光谱分析,并通过二维相关光谱技术揭示蛋白质结构的动态演变过程。结果显示,随着加热温度的上升,酰胺A带和酰胺I带的吸收峰发生位移,N—H和C—N的振动增强。β-折叠相对含量增加,β-转角相对含量降低,蛋白质二级结构的变化时序为β-转角、β-折叠、α-螺旋、无规卷曲。此外,基于NIR光谱数据构建的牛肉蛋白二级结构(α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲)含量预测模型具有高精度的预测能力(校正相关系数>0.9)。本研究基于大量样本揭示了牛肉加热过程中蛋白质二级结构的变化规律,而且为实现快速、无需复杂预处理的肉类产品蛋白质结构分析提供了有效的技术路径。

地塞米松棕榈酸酯分子结构导数中红外光谱研究

采用中红外(MIR)光谱开展地塞米松棕榈酸酯(DXP)的结构研究.实验发现:地塞米松棕榈酸酯分子结构的红外吸收模式主要包括:C—H伸缩振动模式(ν_(CH-DXP))、CH_(3)基团不对称伸缩振动模式(ν_(as CH3-DXP))、CH2基团不对称伸缩振动模式(ν_(as CH2-DXP))、CH_(2)基团对称伸缩振动模式(νs CH2-DXP)、C=O伸缩振动模式(νC=O-DXP)、C=C伸缩振动模式(νC=C-DXP)、CH_(2)基团变角振动模式(δ_(CH2-DXP))、CH_(3)基团对称变角振动模式(δ_(s CH3-DXP))和CH_(2)基团面内摇摆振动模式(ρCH2-DXP).地塞米松棕榈酸酯原始光谱进行不同阶数(包括:一阶、二阶、三阶及四阶)处理,其中二阶导数MIR光谱的谱图分辨能力优于其他导数MIR光谱,二阶导数MIR光谱在不同平滑点(包括:5、9、13、19、25、37、49、149个平滑点)下具有一定的差异性,其中5个平滑点的二阶导数MIR光谱提供的光谱信息最丰富,但随着平滑点的增加,二阶导数MIR光谱的谱图分辨能力进一步降低.

基于结构化特征重构的高光谱图像分类

特征提取是高光谱图像分类的关键.现有分类方法在特征提取时,往往忽略特征的信息保有量和空间分布等因素,导致输出的特征可能面临低信息保有量与无序分布等问题,预测结果不佳.为此,本文提出一种基于结构化特征重构的高光谱图像分类方法,能够有效地减少特征提取过程中信息丢失,提高信息保有量,并充分考虑特征的空间分布,增强特征的判别性.借鉴重构思想以及自表达理论,建立结构特征重构的特征表示模型,可提升图像信息的利用率,并描述反映有序分布的结构信息.针对建立的多变量模型,设计一种基于交替更新的优化策略来求解模型.利用支持向量机来对特征进行分类计算和标签预测.利用Salinas、Pavia Center、Botswana以及Houston数据进行实验验证,结果表明,本文算法优于现有的分类模型,在OA(Overall Accuracy)、AA(Average Accuracy)以及Kappa系数等指标上平均提升了2.6%、3.9%、3.3%.

叶肉结构对不同树龄核桃叶片氮磷钾含量光谱反演精度的响应

为探究不同树龄核桃叶片、氮(N)、磷(P)、钾(K)光谱特征参量稳定性的响应机理,利用光谱仪测定不同树龄核桃叶片光谱反射率,运用电镜对叶片表面微形态和超微结构进行观察,探寻核桃叶肉结构和N、P、K光谱特征参量稳定性的内在响应。结果表明:2~6年树龄核桃叶片N、P、K光谱特征参量均不相同,但8~12年树龄核桃叶片N元素光谱特征参量均为R_(g)、RNIR/Red, P元素光谱特征参量均为λy,K元素光谱特征参量均为D_(y)、RNIR/Green、SD_(r)/SD_(y)、R_(g)/R_(o)、SD_(b)、(R_(g)-R_(o))/(R_(g)+R_(o))。(2)利用稳定光谱特征参量构建的8~12年树龄核桃叶片N、P、K含量光谱反演模型具有较高精度,其拟合度(r^(2))为0.763 2~0.973 6,均方根误差为0.512 8~1.011 9 g/kg,相对误差绝对值为0.368 7%~4.948 1%,且均通过置信椭圆F检验。(3)核桃叶片表面腺毛分泌的结晶体随树龄增加而减少,经分析结晶体成分为碳(C)、氧(O)、钠(Na)、镁(Mg)、硅(Si)、K、钙(Ca)等多种元素。(4)叶片靠近上表皮的第1层栅栏组织随着树龄增加排列逐渐增密,8~12年树龄的排列最为紧密,几乎无间隙。8年以下树龄核桃叶片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度均随树龄增加而增厚,而8年以上树龄的叶肉结构则随树龄变化基本稳定。综上,核桃叶片N、P、K光谱特征参量及反演精度与不同树龄核桃叶肉结构的稳定性高度一致,8年以上树龄核桃树体可构建具有普适性的N、P、K含量光谱反演模型。

双共振和频光谱分析自组装单分子层/铂界面的电子结构

[目的]界面电子结构对于物理和化学过程具有重要的影响,发展界面电子结构的表征方法具有重要意义.[方法]以Pt表面自组装单分子层(SAM)为模型体系,根据和频(SFG)光谱强度随入射光波长的变化,研究SAM对Pt基底电子结构的影响.[结果]研究发现,对巯基苯甲腈分子自组装于Pt基底表面时,基底的SFG响应显著增强.对巯基苯甲腈分子通过巯基与Pt表面相互作用,改变了界面电子结构,形成了SAM/Pt电荷转移态,在510~620 nm波段出现了新的吸收带,从而产生双共振SFG效应使基底的SFG响应显著增强.[结论]具有界面选择性的SFG光谱可以有效分析金属界面的电荷转移态,是研究界面电子结构的有力工具.

石油卟啉电子结构和光谱性质的量子化学研究

石油卟啉通常是卟啉和Ni、V形成的化合物,种类和形态较多且十分复杂。通过量子化学计算方法,使用PBE泛函对Ni^(2+)和VO^(2+)的初卟啉(ETIO)型化合物的几何结构、电子结构和光谱性质进行了计算,得到的相关结论和文献中发表的规律一致。ETIO卟啉环通过4个N原子和Ni^(2+)或VO^(2+)配位,分别形成具有D 4h对称性和C_(4V)对称性的化合物。轴向配位O原子的竞争作用使得V—N键弱于Ni—N键,因而渣油加氢过程中V比Ni更容易进行渣油加氢脱金属反应。解析了Ni^(2+)/VO^(2+)-ETIO化合物的电子结构,卟啉环具有显著的共轭效应,形成的共轭π轨道与Ni/V的3d轨道发生明显的轨道重叠。因此,卟啉和Ni或V的相互作用十分强烈。使用含时密度泛函理论计算了Ni^(2+)-ETIO和VO^(2+)-ETIO化合物的价层电子跃迁,得到了石油卟啉分子的紫外-可见光吸收光谱。理论计算得到强吸收的Soret带和弱吸收的Q带,从电子跃迁角度解释了石油卟啉的紫外-可见光谱存在的特征吸收带。

银杏内酯分子结构和光谱性质的理论研究

采用密度泛函理论方法详细考察四种银杏内酯分子(银杏内酯A、B、C和J)的结构和光谱性质.研究发现,改变银杏内酯上的取代基,银杏内酯分子骨架具有相对稳定的结构.基于优化得到的稳定结构,我们计算得到了四种银杏内酯分子的红外(Infrared,IR)光谱、拉曼(Raman)光谱和振动圆二色(Vibrational circular dichroism,VCD)光谱性质.我们发现,四种银杏内酯分子的IR光谱图在1100 cm^(-1)有较明显的区别,这些振动峰主要是银杏内酯分子中C-O-C键的伸缩振动峰.在Raman光谱图中,波长在3600cm^(-1)处为银杏内酯分子中羟基的伸缩振动,银杏内酯A、银杏内酯B、银杏内酯C分裂成了两个强度不等的振动峰,而银杏内酯J分子表现为一个宽的振动峰.在VCD光谱图中,我们发现四种银杏内酯分子在3800 cm^(-1)附近有明显的区别.

联萘基-芘衍生物结构和ECD光谱性质的理论研究

采用密度泛函理论方法研究s-联萘基-芘分子结构、联萘二面角、能隙、电子的圆二色(electronic circular dichroism, ECD)光谱等性质,系统考察其溶剂效应和取代基效应.研究发现,在苯、四氯化碳、氯仿、环己烷和水五种溶剂中,s-联萘基-芘分子的结构和ECD光谱等性质均相似.然而,在氯基、甲基、羟基、甲氧基和苯基五种取代基中,苯基取代基可以调节s-联萘基-芘分子的结构和ECD光谱等性质.

基于GF-5高光谱遥感的农作物种植结构监测研究

光学影像在农作物种植结构分类研究中因光谱波段数量有限,对于外在特征差异较小的农作物识别与分类存在一定的局限性。本研究探索利用高分五号(GF-5)高光谱卫星影像的丰富光谱信息,根据不同类别农作物对不同谱段反射光谱曲线差异性进行分类,结果表明农作物种植结构分类效果良好。