一种基于近红外光谱检测沼液质量指标的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于近红外光谱检测沼液质量指标的方法，涉及沼液检测技术领域，所述方法包括采集玉米秸秆和牛粪样品，经厌氧发酵后，得到沼液样品；进行沼液质量指标的检测，获得沼液样品的质量指标初始值；进行透射光谱扫描，得到所述沼液样品的近红外光谱；基于反向区间偏最小二乘法以及入侵杂草优化算法进行特征波长优选，得到样品特征波长优选值；基于所述样品特征波长优选值建立定量检测模型；对目标沼液进行透射光谱扫描，得到目标特征波长优选值，根据所述目标特征波长优选值和所述定量检测模型，获得所述目标沼液的质量指标值。与现有技术比较，检测速度快、精度高，能够实现沼液质量指标的同步快速检测。实现沼液质量指标的同步快速检测。实现沼液质量指标的同步快速检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于近红外光谱检测沼液质量指标的方法


[0001]本专利技术涉及沼液检测
，具体而言，涉及一种基于近红外光谱检测沼液质量指标的方法。

技术介绍

[0002]厌氧发酵产生的沼液，可以用作肥料，用来浸种，防止病虫害，还可以用作畜禽饲料。因此，沼液的合理利用，能够有效促进农牧废弃物生物燃气化利用，而氮素、有机质和类大肠杆菌等沼液质量指标是检测沼液是否可用的重要指标。其中，类大肠杆菌属于细菌类微生物，其含量的检测对于沼液的质量有重要影响。但采用传统测定方法测定含量时存在测试成本高、速度慢的问题。
[0003]近红外光谱分析技术因其具有简便、快速、无损、低成本以及多组分同步快速检测的优势，在农产品及农牧业废弃物的定性分析和定量检测方面得到了广泛应用。但由于近红外光谱仪器采集的数据量大，在建立上述检测模型时以全谱波长点建模，计算量大，波长冗余严重，不相干和非线性的波长点对模型预测精度影响较大，因此，现有近红外光谱检测效率和精度普遍较低。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的问题是现有传统沼液质量指标含量测试成本高、速度慢，或近红外光谱检测效率和精度普遍较低中的至少一个方面。
[0005]为解决上述问题，本专利技术提供一种基于近红外光谱检测沼液质量指标的方法，包括如下步骤：步骤S1，采集玉米秸秆和牛粪样品，经厌氧发酵后，得到沼液样品；步骤S2，分别取所述沼液样品的上清液进行沼液质量指标的检测，获得沼液样品的质量指标初始值，所述沼液质量指标包括氮素、有机质或类大肠杆菌；步骤S3，对所述沼液样品进行透射光谱扫描，得到所述沼液样品的近红外光谱；步骤S4，根据所述沼液样品的质量指标初始值，并基于反向区间偏最小二乘法以及入侵杂草优化算法对所述沼液样品的近红外光谱进行特征波长优选，得到所述沼液样品的质量指标的样品特征波长优选值；步骤S5，基于所述样品特征波长优选值建立定量检测模型；步骤S6，对目标沼液进行透射光谱扫描，基于所述样品特征波长优选值得到所述目标沼液的质量指标的目标特征波长优选值，根据所述目标特征波长优选值和所述定量检测模型，获得所述目标沼液的质量指标值。
[0006]可选地，步骤S1中，所述厌氧发酵包括：分别以玉米秸秆段、玉米秸秆粉、牛粪、玉米秸秆粉牛粪混合物为厌氧发酵原料，以常年驯化正常产气的牛粪厌氧发酵液为接种物，混合后进行所述厌氧发酵。
[0007]可选地，步骤S3中，所述对所述沼液样品进行透射光谱扫描，得到所述沼液样品的
近红外光谱，包括：对所述沼液样品进行透射光谱扫描，得到原始光谱后进行光谱预处理，得到所述沼液样品的近红外光谱。
[0008]可选地，步骤S4中，根据所述沼液样品的质量指标初始值，并基于反向区间偏最小二乘法以及入侵杂草优化算法对所述沼液样品的近红外光谱进行特征波长优选，得到所述沼液样品的质量指标的样品特征波长优选值，包括：步骤S41，基于反向区间偏最小二乘法对所述沼液样品的近红外光谱进行特征区间优选，得到初步优选结果；步骤S42，根据所述沼液样品的质量指标初始值，并采用入侵杂草优化算法对所述初步优选结果进行二次优选，得到所述沼液样品的质量指标的样品特征波长优选值。
[0009]可选地，步骤S41中，基于反向区间偏最小二乘法对所述沼液样品的近红外光谱进行特征区间优选，得到初步优选结果，包括：步骤S411，根据预设标准波长点数将所述沼液样品的近红外光谱划分为多个子区间；步骤S412，将交叉验证均方根误差最小的所述子区间的组合确定为所述初步优选结果。
[0010]可选地，步骤S42中，根据所述沼液样品的质量指标初始值，并采用入侵杂草优化算法对所述初步优选结果进行二次优选，得到所述沼液样品的质量指标的样品特征波长优选值，包括：步骤S421，基于所述初步优选结果中包含的初始特征波长点，进行二进制编码和种群初始化，并根据所述沼液样品的质量指标初始值计算初始种群中每个杂草在所述初始种群中的适应度值；步骤S422，所述初始种群依次经过种群繁殖和空间扩散后，根据扩散后种群规模的判断结果，确定进行步骤S423或重新进行所述种群繁殖；步骤S423，确定适应度值最小的杂草个体以得到优选特征波长点，将多次重复得到的所述优选特征波长点确定为所述样品特征波长优选值。
[0011]可选地，步骤S422中，所述种群繁殖过程中，每个杂草所产生的种子个数为：，其中，f为当前杂草的适应度值；f
min
为当前种群中杂草的最小适应度值；f
max
为当前种群中杂草的最大适应度值；S
max
为单个杂草所能产生种子的最大值；S
min
为单个杂草所能产生种子的最小值。
[0012]可选地，步骤S422中，所述空间扩散包括：将产生的种子按正态分布随机扩散在所述初始特征波长点周围。
[0013]可选地，步骤S422中，所述根据扩散后种群规模的判断结果，确定进行步骤S423或重新进行所述种群繁殖，包括：在所述空间扩散后计算海明距离，判断所述海明距离是否满足多样性阈值，若满足，进行步骤S423；若否，重新进行所述种群繁殖。
[0014]可选地，所述海明距离的计算公式如下：，其中，diver为海明距离，weed
i
是父代杂草i的遗传信息编码，weed
t
是杂草i繁殖的第t个子代杂草的遗传信息编码，sum是二进制变量中编码为1的个数。
[0015]本专利技术所述的基于近红外光谱检测沼液质量指标的方法相对于现有技术的优势在于：本专利技术先采用反向区间偏最小二乘法进行特征波长初步优选，进行特征光谱区间的初步定位。在特征波长初步优选的基础上，再使用入侵杂草优化算法对结果进行二次优选，进一步剔除相关性较弱的波长点。因此，反向区间偏最小二乘法联合入侵杂草优化算法进行波长选择，在兼顾波长优选性能的同时简化算法结构提高搜索效率，有效减少搜索时间，检测速度快，精度高，能够实现沼液氮素、有机质和类大肠杆菌等质量指标的同步快速检测。
附图说明
[0016]图1为本专利技术实施例中基于近红外光谱检测沼液质量指标的方法流程图；图2为本专利技术实施例中基于反向区间偏最小二乘法以及入侵杂草优化算法得到所述沼液样品的质量指标的样品特征波长优选值的流程图。
具体实施方式
[0017]下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、详尽地描述。
[0018]在本申请实施例的描述中，术语“一些实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本专利技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0019]如图1所示，本专利技术实施例提供一种基于近红外光谱检测沼液质量指标的方法，包括如下步骤：步骤S1，采集玉米秸秆和牛粪样品，经厌氧发酵后，得到沼液样品；步骤S2，分别取所述沼液样品的上清液进行沼液质量指标的检测，获得沼液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于近红外光谱检测沼液质量指标的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，采集玉米秸秆和牛粪样品，经厌氧发酵后，得到沼液样品；步骤S2，分别取所述沼液样品的上清液进行沼液质量指标的检测，获得沼液样品的质量指标初始值，所述沼液质量指标包括氮素、有机质或类大肠杆菌；步骤S3，对所述沼液样品进行透射光谱扫描，得到所述沼液样品的近红外光谱；步骤S4，根据所述沼液样品的质量指标初始值，并基于反向区间偏最小二乘法以及入侵杂草优化算法对所述沼液样品的近红外光谱进行特征波长优选，得到所述沼液样品的质量指标的样品特征波长优选值；步骤S5，基于所述样品特征波长优选值建立定量检测模型；步骤S6，对目标沼液进行透射光谱扫描，基于所述样品特征波长优选值得到所述目标沼液的质量指标的目标特征波长优选值，根据所述目标特征波长优选值和所述定量检测模型，获得所述目标沼液的质量指标值。2.根据权利要求1所述的基于近红外光谱检测沼液质量指标的方法，其特征在于，步骤S1中，所述厌氧发酵包括：分别以玉米秸秆段、玉米秸秆粉、牛粪、玉米秸秆粉牛粪混合物为厌氧发酵原料，以常年驯化正常产气的牛粪厌氧发酵液为接种物，混合后进行所述厌氧发酵。3.根据权利要求1所述的基于近红外光谱检测沼液质量指标的方法，其特征在于，步骤S3中，所述对所述沼液样品进行透射光谱扫描，得到所述沼液样品的近红外光谱，包括：对所述沼液样品进行透射光谱扫描，得到原始光谱后进行光谱预处理，得到所述沼液样品的近红外光谱。4.根据权利要求1所述的基于近红外光谱检测沼液质量指标的方法，其特征在于，步骤S4中，根据所述沼液样品的质量指标初始值，并基于反向区间偏最小二乘法以及入侵杂草优化算法对所述沼液样品的近红外光谱进行特征波长优选，得到所述沼液样品的质量指标的样品特征波长优选值，包括：步骤S41，基于反向区间偏最小二乘法对所述沼液样品的近红外光谱进行特征区间优选，得到初步优选结果；步骤S42，根据所述沼液样品的质量指标初始值，并采用入侵杂草优化算法对所述初步优选结果进行二次优选，得到所述沼液样品的质量指标的样品特征波长优选值。5.根据权利要求4所述的基于近红外光谱检测沼液质量指标的方法，其特征在于，步骤S41中，基于反向区间偏最小二乘法对所述沼液样品的近红外光谱进行特征区间优选，得到初步优选结果，包括：步骤S411，根据预设标准波长点数将所述沼液样品的近红外...

【专利技术属性】
技术研发人员：许永花，陈少鹏，曲京博，罗丽娜，张鸿琼，孙勇，
申请(专利权)人：东北农业大学，
类型：发明
国别省市：