关键词:
土壤
重金属
X射线荧光光谱
人工神经网络
CARS
投影变量重要性
特征光谱
摘要:
便携式X射线荧光光谱仪(PXRF)测量结果易受光谱干涉、土壤基质效应等因素的影响.为实现对特定土壤条件下光谱仪的高效校准,并解决在利用竞争自适应重加权采样(CARS)算法筛选特征光谱时容易丢失荧光强度峰值的问题,本研究创新性的将投影变量重要性(VIP)替换传统CARS算法中的回归系数绝对值(AVRC),提出了一种基于VIP-CARS算法的特征光谱提取方法,并以Zn和Pb作为土壤中的典型重金属,对比分析了基于特征光谱、荧光强度峰值、固定取点及全光谱条件下不同人工神经网络(ANN)模型的预测性能.结果表明:VIP-CARS算法共提取52个特征能量通道,占全光谱的16.40%,主要分布在荧光强度峰值两侧,且荧光强度峰值未丢失;在Zn和Pb的预测中,基于特征光谱的Zn的SNN和DNN模型中RMSE分别为14.0989和15.9110,Pb的SNN和DNN模型中RMSE分别为13.2376和16.8380,均小于SLNN模型的RMSE.然而,对于待测样本,Zn和Pb的SLNN模型的RMSE分别为17.8962和11.9930,均小于对应的SNN和DNN模型,显示出SLNN模型在泛化能力上的优势.基于特征光谱构建的ANN模型在MRE和RMSE方面整体优于基于荧光强度峰值和固定取点条件下的ANN模型,且与全光谱条件下ANN模型的精度相似,因此基于VIP-CARS算法提取特征荧光光谱,并建立ANN预测模型,是一种高效且精确的土壤重金属定量分析方法,这对扩展PXRF的使用范围,提高土壤中重金属的检测效率均具有重要意义.