基于近红外光谱的土壤营养指标多层次定量检测及其模型稳定性分析

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61505037
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    21.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0507.光谱信息学
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2018-12-31

项目摘要

Soil is an important part of agricultural sustainable development, concentrate delivers the agricultural important elements and many ecological environment problems. Quantitative determination of soil nutrients, successively improvement of the soil fertility for crop planting, is the key to promote the development of precise agriculture. In this project, we propose the multi-level indicator quantitative technology for soil nutrition quality based on near-infrared spectrometry, to establish stable spectroscopic analytical models for multi-component simultaneous quantitativeness, to achieve the simple, rapid determination of the soil contents (e.g. organic matter, nitrogen, phosphorus, potassium and etc.). Actually, in-depth study of several chemometric methods will be performed for quantitative analysis. Several core comprehensive indicators for model evaluation are constructed at the multiple levels of single-, duel-, or multi-components. The integrated modes for the combined optimization of waveband selection and data pretreatment are investigated, aiming to establish near-infrared analytical models with an appreciate prediction accuracy. Furthermore, the modeling parameters should be re-analyzed and circle-optimized by considering model stability, so that the models can be used to determine the standard range of near-infrared predictive values of each component for soil nutrition contents. Near-infrared spectrometry with multi-level indicator quantitativeness is expected to become a new technology for rapid detection of soil nutritional quality. Compared with the independent determination of single indicator, the technology of simultaneous quantitativeness of multi-level indicators is in more accordance with the actual demand. It is expected to have broad application prospects.
土壤是农业可持续发展的重要组成部分,是农业重要要素和诸多生态环境问题的集中体现者。通过对土壤营养成分的定量检测,进而改善作物种植的土壤肥力,是促进精密农业发展的关键。本项目基于近红外光谱,研究土壤营养指标多层次定量分析方法,建立直接快速、稳定的光谱定标模型,实现对土壤营养成分(有机质、氮素、磷、钾等)的多成分同时测定。深入研究若干计量学方法,通过在成分独立、双成分组合和多成分融合的多个层次上构建综合模型指标,确定光谱预处理与信息子波段联合筛选的综合优化模式,建立具有较高预测精度的近红外分析模型;进一步结合模型稳定性分析进行模型参数优选,从而确定土壤营养指标的近红外多层次预测范围,使近红外光谱的指标多层次分析成为一种能够快速检测土壤营养的新方法。与单一指标独立检测相比,指标多层次同时定量分析更符合实际需求,具有广阔的应用前景。

结项摘要

土壤是农业可持续发展中最重要的组成部分,是现代农业环境的重要要素和诸多生态问题的集中体现者。实现对土壤成分的实时快速定量检测是发展精准农业的必要手段。本项目研究了基于近红外(NIR)光谱的土壤营养指标多层次定量检测的计量学方法,建立直接快速的NIR光谱定标检测模型,实现对土壤各营养成分(有机质、总氮等)的指标多层次定量测定,并分析了模型稳定性。一方面,研究了Savitziky-Golay滤波、Whittaker平滑、竞争自适应加权抽样(CARS)、移动窗口(Moving Window)等技术,确定光谱预处理与信息子波段联合筛选的综合优化模式,实现数据降噪和特征提取;另一方面,研究了若干线性和非线性的光谱建模计量学方法,如偏最小二乘(PLS)、支持向量机(SVM)、随机森林(RF)、BP神经网络(BPNN)等,实现了多重计量学方法组合的步进网格式参数优化,并提出了基于网络深度学习模式的特征变量筛选方法,从各成分独立、双成分组合和多成分融合的多个层次上对土壤或以土壤为载体的农作物的营养成分指标实现NIR定量分析,建立具有较高预测精度的、多层次适用的NIR定标模型;进一步利用实验重复性和建模不确定性理论进行NIR定标模型的稳定性分析,找到了待测营养成分的近红外多层次定量预测的标定范围。使近红外光谱指标多层次定量分析技术成为能够快速检测土壤营养成分的农业信息化手段,为土壤质量在线监控提供技术参考。.本项目取得比较丰富的研究成果。在国内外学术期刊上发表论文13篇(其中SCI、EI收录10篇);参加全国性和国际性会议并发表会议论文1篇;申请国家发明专利3项;获得软件著作权1项;累计培养硕士研究生7名。

项目成果

期刊论文数量(13)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(1)
专利数量(3)
Determination of Parameter Uncertainty for Quantitative Analysis of Shaddock Peel Pectin using Linear and Nonlinear Near-infrared Spectroscopic Models
使用线性和非线性近红外光谱模型测定柚皮果胶定量分析的参数不确定度
  • DOI:
    10.1080/00032719.2017.1384479
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Analytical Letters
  • 影响因子:
    2
  • 作者:
    Huazhou Chen;Lili Xu;Zhen Jia;Ken Cai;Kai Shi;Jie Gu
  • 通讯作者:
    Jie Gu
LSSVM Combined with SPA Applied to Near-Infrared Quantitative Determination of the Octane in Fuel Petrol Samples
LSSVM 结合 SPA 近红外定量测定燃油样品中的辛烷值
  • DOI:
    10.4236/ojapps.2018.89032
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Open Journal of Applied Sciences
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Lili Xu;Jie Gu;Huazhou Chen;Jiangbei Wen;Gaili Xu
  • 通讯作者:
    Gaili Xu
Grid Search Parametric Optimization for FT-NIR Quantitative Analysis of Solid Soluble Content in Strawberry Samples
草莓样品中固溶物含量 FT-NIR 定量分析的网格搜索参数优化
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Vibrational Spectroscopy
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Huazhou Chen;Zhenyao Liu;Ken Cai;Lili Xu;An Chen
  • 通讯作者:
    An Chen
ICP-AES结合SVDV技术应用于饮用水品质检测性能诊断
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    光谱学与光谱分析
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈华舟;许丽莉;蔡肯;刘振尧;陈安;梁园媛
  • 通讯作者:
    梁园媛
Synchronization Design and Error Analysis of Near-Infrared Cameras in Surgical Navigation
手术导航中近红外相机的同步设计与误差分析
  • DOI:
    10.1007/s10916-015-0368-2
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Journal of Medical Systems
  • 影响因子:
    5.3
  • 作者:
    Ken Cai;Rongqian Yang;Huazhou Chen;Yizhou Huang;Xiaoyan Wen;Wenhua Huang;Shanxing Ou
  • 通讯作者:
    Shanxing Ou

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其他文献

Modified biogeography-based optimization with local search mechanism
具有局部搜索机制的改进的基于生物地理学的优化
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    Journal of Applied Mathematics
  • 影响因子:
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  • 作者:
    封全喜;刘三阳;吴群英;唐国强;张浩敏;陈华舟
  • 通讯作者:
    陈华舟
多元散射校正与Savitzky-Golay平滑模式的组合优选应用于土壤有机质的近红外光谱分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    计算机与应用化学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈华舟;潘涛;陈洁梅
  • 通讯作者:
    陈洁梅
FT-NIR光谱应用于柚子皮果胶定量分析的波段优选
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    科学技术与工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈华舟;唐国强;艾武;梁嘉如
  • 通讯作者:
    梁嘉如
FT-NIR光谱法与Whittaker平滑应用于土壤有机质和总氮的定量检测
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    分析试验室
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    梁嘉如;陈华舟;秦强
  • 通讯作者:
    秦强
特征峰值投影技术应用于鱼粉蛋白近红外波长优选
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    科学技术与工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘振尧;陈福;陈华舟;卢启鹏;高洪智;丁海泉;温江北
  • 通讯作者:
    温江北

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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