化学计量学在遥感ftir谱图解析中的应用及发展

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1、南京理工大学博士学位论文化学计量学在遥感FTIR谱图解析中的应用及发展姓名：张琳申请学位级别：博士专业：化学工程与技术指导教师：王俊德20060401博士论文化学计量学在遥感FTIR谱图解析中的戌用及发展摘要本论文用化学计量学的方法，建立了对大气环境中有毒易挥发有机化合物(volatileorganiccompounds，VOCs)的遥感傅立叶变换红外光谱(Fouriertransforminfrared，兀1R)谱图解析方法，文中所建立的方法，更好地发挥了遥感分析的快速、准确、实时等优势。同时，化学计量学方法在具体问题的解决中，也得到发展。

2、由于遥感FUR谱图存在信号噪声大、未知干扰、背景信号波动大等特点，本文从方法的普适性和稳健性角度，提出了遥感FUR谱图的解析的方法。建立了基于偏最小二乘法(partialleastsquares．PLS)的谱图定量分析方法：正交信号处理(orthognnalsignalcorrection,OSC)方法较好地对干扰和信号进行分离，得到了一种稳健和简单化的模型；由改进PLS线性内部关系出发，建立了对5组分VOCs体系进行分析的多项式偏最小二乘(polynomialpartialleastsquares，PPLS)的方法；创新性地引入模型传递的思

3、路，通过选择方法以及方法的优化，用少的潜变量建立分析模型并实现了EPA数据对遥感数据的分析；用PLS方法建立对VOCs的模式识别方法，结合实验设计手段实现对VOCs定性和定量同时分析；本研究初步建立了被动式遥感FTIR谱图分析技术，创新性地利用平行因子分析法(parallelfactoranalysis，PARAFAC)实现了在有干扰情况下，被动式遥感FTIR谱图的定性和定量的同时分析。本文取得的基本成果总结如下：1．基于偏最小二乘法的遥感FTIR谱图解析方法本研究根据遥感唧t信号特点，从方法的普适性和稳健性角度出发，建立了改进PLS的谱图分

4、析技术。对于遥感FUR数据，由于噪声的加入，使得PLS模型的潜变量变大，噪声数据不能同真实数据相分离，OSC．PLS有效改善了对遥感FTIR谱图的解析能力，建模潜变量个数的减少，对更复杂的体系也同样具有较好的预测性能。相对于PLS，PPLS利用非线性的内部关系，对VOCs混合物含量的预测准确度有了提高，显示出很好的处理非线性数据的能力。遗传算法(geneticalgorithm,GA)可以有效选取PLS建模变量，使模型简单化的同时提高预测准确度。但是，GA-PLS对遥感数据的预测仅限于用遥感数据建立校正模型的情况。经过PLS对数据压缩，人工神

5、经网络(artificialneuralnetwork,ANN)输入数据变小，计算精度提高。既改善了ANN模型对训练集的要求，又满足了遥感FUR实时分析的要求。摘要博士论文2．以模型传递解决遥感FTIR谱图分析工作本研究根据对模型传递本质的理解，创新性地将这一概念引入遥感FT限谱图分析中。经过选择，OSC可以用更少的潜变量来建立模型，即模型的简单化。相对于直接标准化(directstandardization,DS)和分段直接标准化(piecewisedirectstandardization,PDS)，虽然三者传递效果相当，但是OSC不需要

6、同一样品在两台仪器上的测量信号，对标样的来源也没有限制。同时，可以用较少的支集进行转换，具有稳健性。OSC被确定为最好的模型传递方法。将优化后的OSC模型传递方法应用于遥感FTIR谱图分析中，预测精度高，模型简单．实现了EPA数据对遥感数据的分析。这种方法也可以推广至其他非线性体系的分析中。3．遥感FTIR谱图的模式识别本研究通过校正模型的设计，建立了PLS对VOCs的模式识别方法。通过选择建模方法，可以提高对目标物的识别；在干扰物存在的情况下，模型的稳健性不够稳定，但由于模型大小对偏最tb--乘法鉴别法(partialleastsquare

7、sdiscriminateanalysis，PLSDA)影响不大，可以通过扩大建模范围来改善方法；经过模型传递的信号处理，对图谱互相干扰的四组分遥感数据可以识别。拒绝率达到100％，但识别率有所下降。本研究还建立了基于实验设计的VOCs的定性定量方法。经过选择合适的参数，确定效能最大的P．B(plaekett-burman)设计表，通过对P．B表的合理构造，可以实现对数据的定性定量同时分析。4．基于平行因子分析法的遥感FTIR谱图的定性定量分析本研究建立了被动式遥感FTIR谱图的分析方法。以黑体温度变化为切入点，对谱图严重干扰的三种组分的混合

8、物的分析体系，建立了其被动式遥感FTIR谱图进行定量分析方法；本研究创新性引入PARAFAC方法，进行了谱图的定性和定量的同时分析工作。PARAFAC可以用于遥感F