利索能及
我要发布
收藏
专利号: 2024101820196
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-09-30
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种基于红外高光谱的纺织品成分定量反演方法,其特征在于,包括如下步骤:S1、利用近红外光谱分析仪,对羊毛、涤纶、棉纺织样本布料进行红外高光谱数据采集;

S2、将采集到的羊毛、涤纶、棉纺织样本布料的红外高光谱数据进行数据预处理,划分高光谱训练集数据和测试集数据;

S3、基于随机森林算法建立随机森林回归模型,用于布料成分分析,并获取模型的评价指标;

所述随机森林算法,以纺织品的成分含量为因变量、红外光谱数据为自变量,以决策树为基本单元,依据随机森林回归,采用随机子空间划分的方法,随机选择不同的样本子集构建多个独立的决策树,在构建每棵决策树时,从全部特征中进行随机抽取,对羊毛、涤纶、棉混纺纺织品的成分进行分类和回归分析;

S4、利用麻雀搜索算法优化随机森林回归模型,寻找随机森林回归算法中的mtry最优值,优化随机森林回归模型;

S5、将羊毛、涤纶、棉纺织样本布料高光谱训练集数据,输入到优化后的随机森林回归模型进行训练,并将测试集数据输入至优化后的随机森林回归模型进行测试,获取优化后的模型的评价指标;

S6、获取待测布料的光谱数据,并按照步骤S2方法得到布料光谱处理后的数据,将数据输入到经过优化后的随机森林回归模型中,进行样本布料成分分析。

2.根据权利要求1所述的基于红外高光谱的纺织品成分定量反演方法,其特征在于,步骤S2中数据预处理,包括线性归一化、主成分分析及数据分类,具体如下:S2.1、线性归一化,将一条光谱数据映射到[0,1],减少无关信息的干扰,公式如下:;

其中, 为归一化之后的数值,Xi为光谱数据的实际数值,Xmin为一条光谱数据中最小值,Xmax为一条光谱数据中最大值;

S2.2、样本数据主成分分析,将羊毛、涤纶、棉纺织样本布料高光谱数据从高维数据转化为低维数据;

S2.3、样本数据数据分类,对降维后的羊毛、涤纶、棉混纺织品样本数据设置标签值,根据标签值进行训练集和测试集的随机划分。

3.根据权利要求2所述的基于红外高光谱的纺织品成分定量反演方法,其特征在于,步骤S2.2样本数据主成分分析,方法如下:S2.2.1、标准化数据,对高光谱数据进行标准化,确保高光谱数据的每个特征具有零均值和单位方差;

S2.2.2、计算标准化后数据的协方差矩阵,描述高光谱数据特征之间的相关性;

S2.2.3、计算协方差矩阵的特征值和特征向量,并选取主成分:按照特征值的大小排序特征向量,选择前n个特征向量作为主成分,将原羊毛、涤纶、棉纺织样本纺织布料光谱数据从高维数据降至低维数据;

S2.2.4、将原始高光谱数据投影到所选定的主成分上,得到降维后的高光谱数据。

4.根据权利要求1所述的基于红外高光谱的纺织品成分定量反演方法,其特征在于,步骤S3中,随机子空间划分的方法,步骤如下:S3.1、样本数据随机抽样:对包含有p个特征变量的原始样本D,采用有放回的抽样方法对D的部分观测值进行抽样,随机产生K个训练集θ1、θ2、…θk,未被抽中的数据组成袋外数据集作为测试样本集;

S3.2、特征变量随机选取:对于每个训练集中的样本,从p个特征变量中随机选取固定个数为n的变量作为决策树的分枝节点,构建决策树,n

其中,X表示自变量, K棵决策树组成随机森林回归模型,通过取平均值方式得到预测回归值 :;

式中,每棵树对同一个样本的预测值分别为Y1,Y2,…,YK, 是对输入样本X的预测回归值;

S3.3、确定随机森林回归模型的超参数, mtry值为随机抽样的决策树的分枝节点数,即构建决策树时从P个变量中随机选取的 n个变量 。

5.根据权利要求4所述的基于红外高光谱的纺织品成分定量反演方法,其特征在于,步骤S4中,利用麻雀搜索算法,优化步骤S3中建立的随机森林回归模型,步骤包括:S4.1、初始化群体:初始化一群麻雀个体,每个麻雀个体表示问题的一个候选解;

S4.2、评估适应度:对每个麻雀个体计算其适应度值,问题是寻找随机森林回归模型中mtry的最优值,根据适应度函数,计算候选解在问题域中的性能或质量度量;

S4.3、根据麻雀的适应度值选择领袖麻雀,麻雀群体中的其他麻雀成员飞向领袖麻雀,模仿领袖麻雀的行为;

S4.4、更新位置:麻雀成员飞行后,每只麻雀更新其位置,向领袖麻雀的方向移动;

S4.5、检查停止条件:达到最大迭代次数或找到满意的问题解后算法结束;否则,回到步骤S4.3,重复选择领袖麻雀、其他麻雀成员飞行和位置更新的过程;

S4.6、返回最优解:算法结束,返回找到的最优解,将mtry最优值输入至随机森林回归模型中,优化随机森林回归模型。

6.根据权利要求5所述的基于红外高光谱的纺织品成分定量反演方法,其特征在于,步骤S5中,随机森林回归模型训练,步骤如下:S5.1、高光谱数据准备:准备用于训练和测试的羊毛、涤纶、棉纺织样本布料高光谱数据,并且确定输入的6个特征和目标变量;

S5.2、随机选择数据集:从步骤S2中已分类的总体羊毛、涤纶、棉纺织样本布料高光谱训练数据集中随机选择样本,进行有放回的抽样,形成用于随机选择的训练子集;

S5.3、构建决策树:基于特征的阈值,对训练子集的特征进行递归分割,构建若干个子决策树模型;

S5.4、特征选择:在每个决策树的分割过程中,仅从特征集中随机选择一部分特征;

S5.5、预测结果:对于分类问题,随机森林回归模型通过投票或多数表决确定最终预测结果;对于回归问题,随机森林回归模型通过平均或取中位数方式整合每棵树的预测结果。

7.根据权利要求6所述的一种基于红外高光谱的纺织品成分定量反演方法,其特征在于,所述步骤S3和步骤S5获取的随机森林回归模型评价指标,包括决定系数、平均绝对误差、均方根误差,具体如下:所述决定系数R‑squared,用于评价模型对数据的拟合程度,计算方法如下:;

其中,yi为纺织品纤维真实含量, 为模型对纺织品纤维的预测含量, 为纺织品纤维含量的平均值,n为样本数;

所述平均绝对误差MAE,用于评价模型的准确性,反映预测值和实际值之间的平均差距,计算如下:;

所述均方根误差RMSE,用于量化模型预测的平均准确度,够评估大误差对整体预测准确性的影响,计算如下:;

对于MAE或RMSE,指标的值越小,模型的预测准确度越高,性能越好;决定系数、平均绝对误差、均方根误差三个指标一起使用时,用于随机森林回归模型计算前后效果的对比,全面评估模型的性能。

8.一种电子设备,其特征在于,包括:

一个或多个处理器;

存储装置,其上存储有一个或多个程序;

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行,使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1至7中任一项所述的基于红外高光谱的纺织品成分定量反演方法。

9.一种计算机可读存储介质,其特征在于,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时,实现权利要求1至7中任一项所述的基于红外高光谱的纺织品成分定量反演方法。