不同含水量的岩石近红外光谱的特征选择

作者：张芳; 户佐乐; 侯欣莉; 张秀莲; 付成功; 李英骏; 何满潮

来源：光谱学与光谱分析, 2019, 39(11): 3395-3402.

• 含水岩石
• 近红外光谱
• 特征选择
• 相关性
• 含水量预测

岩石含水量是影响岩石物理、化学和力学特性的一个重要指标。在岩土工程、隧道工程等领域,岩石含水量的大小是诱发灾变和病害的关键原因。与传统方法相比,利用近红外光谱(NIRS)特征检测岩石含水量,具有无损、定量的明显优势,其难点和关键是近红外光谱的特征选择。针对该问题,进行了室内实验,研究不同含水量下的岩石近红外光谱的特征选择。特征选择方法中的Filter法,利用样本数据内在的特点,评价特征的重要程度,增强了特征与类的相关性,同时削减了特征之间的相关性,具有复杂度低、直观、效率高、普适性强的优点,符合该研究的数据特点。因此,选用Filter型的依赖性度量法进行特征选择。室内实验中,首先制备11种不同含水量的砂岩试样,并分别采集了前后左右4个测试点处的共计44条近红外光谱曲线;然后,利用一阶导数法对光谱进行预处理,基于此,选择1 400和1 930 nm谱段进行光谱特征分析,并分别提取2个谱段处的峰面积、峰高、半高宽、左肩宽度、右肩宽度、左右肩宽比共计6个初始特征变量;考虑到6个初始特征变量的量纲不同,且变量之间的变化幅度不同,对原始数据进行正规化变换,消除量纲和变化幅度不同带来的影响;接着,根据自变量的筛选原则,去掉自变量之间具有强线性相关的冗余变量;然后,利用依赖性度量法中的统计相关系数作为相关程度的度量标准,分析了初始特征变量之间以及初始特征变量与含水量之间的相关程度,并得到了2个强相关谱段处的最优特征变量;最后,在强相关谱段处分别构建了多元回归模型,并对模型进行了检验分析。研究结果表明:(1)波长1 400和1 930 nm附近的近红外光谱吸收峰特征与岩石含水量有明显相关性;(2)波长1 400 nm处的峰高、右肩宽度、左肩宽度与含水量线性相关性明显;波长1 930 nm处的峰高、右肩宽度与含水量线性相关性明显;(3)多元线性回归模型能够较精确表达含水量与近红外光谱之间的相关性,利用该模型可实现基于近红外光谱特征的含水岩石含水量预测,为利用近红外光谱实现动态监测与评估岩石含水量提供基础建模数据。

• 单位
  中国矿业大学（北京）; 建筑工程学院; 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室