基于紫外-可见光谱与深度学习CNN算法的水质COD预测模型研究

文献类型： 中文期刊

第一作者： 贾文珅

作者： 贾文珅;张恒之;马洁;梁刚;王纪华;刘鑫

作者机构：

关键词： 紫外-可见光谱;卷积神经网络;化学需氧量;预测模型

期刊名称： 光谱学与光谱分析

ISSN： 1000-0593

年卷期： 2020 年 40 卷 009 期

页码： 2981-2988

收录情况： EI ; 北大核心 ; CSCD

摘要： 水是生命之源,作为人类生活的必需品,水质的优劣直接关系到人们的健康生活.目前,关于水质COD在线检测方法的研究主要集中在光谱数据预处理和光谱特征提取,而针对光谱数据建模方法的研究较少.卷积神经网络(CNN)作为目前深度学习领域应用最广泛的网络模型,具有强大的特征提取和特征映射能力,本文将CNN与紫外-可见光谱分析法相结合,建立了基于CNN的水质COD紫外-可见光谱预测模型.模型使用Savitzky-Golay平滑滤波方法去除光谱噪声,光谱输入卷积层提取光谱数据特征、池化层降维、全连接层映射全局特征,通过ReLU和Adam优化方法,从而得到模型的预测值.通过实验发现,CNN模型具有较强的水质COD预测能力,具有较高的预测精度和回归拟合优度,通过与BP,PCA-BP,PLSR和RF等模型比较后发现,CNN模型的预测样本的RMSEP和MAE最小,R2最大,模型拟合效果最优.在与训练样本的模型效果评价对比后发现,模型具有较强的泛化能力.针对吸收光谱的波峰偏移对预测结果所造成的预测结果不准确的问题,作者还提出了一种基于CNN的分类回归模型卷积神经网络增强模型(CNNs),去噪后的光谱数据通过CNN分类模型按照吸收波峰的不同特征分为三类,分别输入对应CNN回归模型进行预测.实验结果表明,分段式CNNs模型比整体式CNN模型的拟合效果更好,预测精度更高,R2达到0.9991,测试样本的MAE和RMSEP分别为2.3143和3.8745,比CNN分别下降了25.9% 和21.33%,效果显著.通过对预测模型的性能测试,计算得出检出限为0.28 mg·L-1,测量范围为2.8~500 mg·L-1.本文创新的将卷积神经网络与光谱分析方法相结合,为光谱分析方法在水质COD吸收光谱建模的应用开拓了新思路.

分类号： O657.32

  • 相关文献

[1]基于混合蛙跳算法的果园土壤全氮含量高光谱预测. 冯上奇,袁全春,黄凯,孙元昊,曾锦,吕晓兰. 2025

[2]聚藏红T修饰电极的制备及对多巴胺的电催化性能. 杨秋霞,张梅风,李国宝,张颖. 2007

[3]消落带夏冬季土壤溶解有机质的组成特征及来源. 郝蓉,徐召玉,沈祠福,伍玉鹏,宋艳暾,张金良. 2019

[4]高浓度富里酸在臭氧体系中的降解特性. 张爱平,李民,陈炜鸣,施国中,贺莉. 2017

[5]VD_3与大豆分离蛋白相互作用的多重光谱分析与计算. 陈爽,王小丹,李瑞,孙洪蕊,王喜波,江连洲. 2019

[6]基于紫外-可见光谱国标Ⅰ级水净化系统的设计与实现. 张恒之,马洁,贾文珅,王纪华. 2019

[7]生物质炭和有机肥配施对水稻土溶解性有机质光谱学特征的影响. 梁栋,周巧林,张辉,马洪波,宁运旺,张永春,徐聪,焦加国,汪吉东. 2024

[8]UV-Vis结合HPLC FP对不同采收期傣药灯台叶的鉴别及品质研究. 杨妮娜,张霁,赵艳丽,王元忠,赵应红. 2016

[9]西北灌漠土长期不同施肥改变土壤可溶性有机质的化学及光谱学特性. 常单娜,曹卫东,包兴国,白金顺,张久东,卢秉林,高嵩涓,曾闹华,王雪翠,志水胜好. 2016

[10]基于FTIR和UV-Vis光谱表征蒸汽介质高温热改性对橡胶木颜色的影响. 李晓文,李彤彤,李冠君,李民,秦韶山,陆全济. 2019

[11]阴离子聚丙烯酰胺处理医院污水的研究. 赵彩凤,张乐平,邵颖,李先. 2016

[12]厌氧-氧化塘处理猪场粪尿效率的季节性变化分析. 刘迎春,陆乃升,张聪,雷胡龙,姜雪元,陆扬,夏东. 2018

[13]便携式多参数光学水质检测仪设计. 赵贤德,董大明,高振,邢振. 2020

[14]水体COD激光诱导击穿光谱快速测量方法研究. 赵贤德,陈肖,董大明. 2019

[15]海州湾近岸海域水质状况调查与风险评价. 韩彬,林法祥,丁宇,陈发荣,高伟,李倩,郑立. 2019

[16]清粪工艺对猪场污水厌氧处理的影响. 陆乃升,张聪,雷胡龙,姜雪元,陆扬,夏东. 2018

[17]水质在线监测及其在农业中的应用. 钱国明,吴崇友. 2008

[18]羊,鸭,兔粪厌氧消化产沼气潜力与特性. 宋立,邓良伟,尹勇,蒲小东,王智勇. 2010

[19]粉煤灰分子筛强化砂生物滤池处理农村生活污水效果研究. 王艳芹,付龙云,杨光,袁长波,姚利,罗加法. 2017

[20]沼液中化学需氧量(COD)测量的不确定度评估. 贺莉,陈子爱,丁自立,彭德全. 2015

作者其他论文 更多>>

微信小程序