吳亞宇 嚴(yán)婷 趙穎 吳國萍

一、引言

紡織纖維是案發(fā)現(xiàn)場上最常見、最直接的物證。法庭科學(xué)含義上紡織纖維的比對(duì)分析是指通過對(duì)纖維樣品的儀器分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、譜圖解析以及結(jié)果比對(duì)等基本環(huán)節(jié)，鑒別、判斷不同地域提取的個(gè)體檢材是否來源于同一總體的分析過程。通過對(duì)犯罪現(xiàn)場與嫌疑人處提取的纖維及其制品的比對(duì)分析，能夠?yàn)榘讣善铺峁┯辛€索，為犯罪認(rèn)定提供科學(xué)證據(jù)。現(xiàn)實(shí)中，由于受檢材數(shù)量、儀器設(shè)備性能以及譜圖解析技術(shù)等因素影響，纖維比對(duì)分析結(jié)果評(píng)判具有一定難度，一般只能給出兩個(gè)或多個(gè)檢材在某些方面相同或不同的結(jié)果。

最近鄰算法是化學(xué)模式識(shí)別中有監(jiān)督模式識(shí)別的一種，其基本思想是以各類樣本的重心來代表這個(gè)類，計(jì)算待分類樣本到各類重心的距離，歸入距離最近的類。在判別分析中可采用多種距離，如歐氏距離、馬氏距離等。紅外光譜ATR技術(shù)結(jié)合化學(xué)模式方法鑒別中草藥材的來源已取得較好效果，但未見該類方法在纖維比對(duì)分析中應(yīng)用的報(bào)道。因此，本文的研究既是刑事鑒定技術(shù)理論發(fā)展的需要，也是刑事鑒定技術(shù)實(shí)際工作的要求。

二、實(shí)驗(yàn)部分

（一）儀器設(shè)備和參數(shù)設(shè)置

采用美國NICOLET公司的560型傅里葉變換紅外光譜儀，OMNIC采樣器，測定范圍為4000—400cm-1，掃描次數(shù)為32次 ，分辨率為4cm-1。

（二） 樣品來源

首先收集南京面料市場近500種的不同廠家不同成分的紡織面料進(jìn)行紅外譜圖解析，運(yùn)用聚類分析的方法，挑選出譜圖性質(zhì)很相近的8種樣品，分別為黑色貢絲棉601號(hào)、604號(hào)、605號(hào)、606號(hào)、607號(hào)、608號(hào)、609號(hào)和610號(hào)。紅外譜圖如圖一所示。

（圖一：八種黑色貢絲棉纖維樣品紅外譜圖）

（圖二：601號(hào)樣品測定10次紅外譜圖）

（圖三：601號(hào)樣品的平均紅外譜圖）

三、數(shù)據(jù)處理

（一）獲取參考光譜庫和檢驗(yàn)光譜

本文對(duì)每組樣品分別測定10次，從中隨機(jī)取8份作為參考圖譜，建立平均譜庫。圖二、三分別是601號(hào)樣品的10次紅外光譜測量圖和平均譜圖。另2份作為檢驗(yàn)光譜，用以進(jìn)行比較檢驗(yàn)，確定閾值。

（二）設(shè)置閾值

閾值實(shí)際上就是對(duì)庫中每一條平均參考光譜所定義的一個(gè)歐式距離限度。設(shè)置這個(gè)限度的目的就是為了選取合適的閾值，使同一種物質(zhì)中所有單獨(dú)參考光譜同平均參考光譜的歐式距離都小于這個(gè)限度，而庫中所有其他物質(zhì)光譜同這個(gè)平均參考光譜的歐氏距離都大于這個(gè)限度，也就是說閾值給平均光譜定義一個(gè)所謂的置信區(qū)間。如果代表檢材光譜的點(diǎn)落在給定檢材的置信區(qū)間內(nèi)，就可認(rèn)為這份檢材與給定檢材是相同的，反之，則是不同的。確定閾值后就可以用未知樣的光譜與其平均光譜進(jìn)行比較以進(jìn)行同一認(rèn)定。

（三）鑒定未知檢材

將未知檢材的紅外譜圖與參考庫進(jìn)行比對(duì)，如果未知檢材光譜到參考光譜的距離只小于一種參考檢材的閾值，則可以被惟一鑒定為此參考檢材，也即得出同一認(rèn)定的結(jié)論。

四、結(jié)果與討論

本文隨機(jī)抽取這八種纖維168張圖譜作為未知樣本與平這8種樣品的平均光譜進(jìn)行比對(duì)認(rèn)定，結(jié)果如表一所示。

各組隨機(jī)取樣與各自的平均譜圖的比較結(jié)果601組 604組 605組 606組 607組 608組 609組 610組樣號(hào) 結(jié)果 樣號(hào) 結(jié)果 樣號(hào) 結(jié)果 樣號(hào) 結(jié)果 樣號(hào) 結(jié)果 樣號(hào) 結(jié)果 樣號(hào) 結(jié)果 樣號(hào) 結(jié)果601-4 95.90% 601-1 84.76% 601-1 81.13% 601-2 79.97% 601-4 90.22% 601-5 96.90%* 601-2 78.27% 601-10 95.15%601-7 95.51% 601-3 74.85% 601-3 83.05% 601-4 96.68% 601-2 77.31% 601-2 94.16% 601-5 92.17% 601-3 82.43%604-3 94.44% 601-7 84.83% 601-7 83.74% 601-5 93.36% 601-5 93.37% 601-8 84.87% 601-8 94.26% 601-8 93.28%604-5 84.08% 604-4 96.66% 604-10 83.23% 604-1 97.56%* 604-2 93.43% 604-1 92.56% 604-2 92.37% 604-2 94.26%604-9 82.30% 604-7 96.69% 604-3 95.56% 604-3 96.41% 604-6 93.15% 604-3 89.30% 604-4 91.48% 604-5 92.65%605-2 94.99% 605-10 95.07% 604-7 92.11% 604-9 88.21% 604-8 84.36% 604-7 90.52% 604-5 88.25% 604-8 91.78%605-7 94.35% 605-4 94.10% 605-1 97.90% 605-1 96.99% 605-3 70.33% 605-10 96.35%* 605-3 85.90% 605-4 91.87%605-8 91.95% 605-6 95.08% 605-2 97.13% 605-2 95.93% 605-5 79.02% 605-2 91.08% 605-7 94.21% 605-2 84.23%606-3 92.12% 606-3 81.89% 606-3 79.81% 605-9 97.53%* 605-4 79.81% 605-4 85.76% 605-8 92.67% 605-9 94.11%606-5 92.03% 606-5 91.13% 606-6 88.31% 606-6 97.51% 606-5 82.15% 606-6 86.96% 606-10 86.84% 606-2 87.36%606-9 94.32% 606-6 82.74% 606-8 93.16% 606-9 97.73% 606-3 91.38% 606-8 74.19% 606-6 91.57% 606-7 96.23%607-5 77.91% 607-1 94.53% 607-2 88.63% 607-4 94.41% 606-6 92.51% 606-2 93.08% 606-3 92.16% 606-9 86.32%607-8 93.48% 607-2 91.53% 607-4 80.37% 607-5 86.92% 607-3 96.58% 607-4 91.55% 607-2 78.62% 607-3 91.27%607-9 92.88% 607-9 88.33% 607-6 87.85% 607-8 94.69% 607-6 96.91% 607-6 92.72% 607-3 87.25% 607-7 89.67%608-3 91.25% 608-10 86.27% 608-2 78.43% 608-3 90.99% 608-2 79.45% 607-8 96.88%* 607-7 80.75% 607-9 87.25%608-5 89.07% 608-4 79.54% 608-7 89.61% 608-7 86.52% 608-6 91.25% 608-5 96.89% 608-3 91.34% 608-10 86.47%608-7 92.65% 608-6 83.46% 608-5 93.76% 608-2 95.11% 608-8 95.66% 608-9 96.76% 608-6 84.28% 608-6 95.63%609-1 84.57% 609-3 91.28% 609-1 92.17% 609-4 93.56% 609-3 76.98% 609-4 82.60% 608-8 93.16% 608-8 93.78%609-3 93.14% 609-6 91.56% 609-4 95.69% 609-7 91.86% 609-6 90.04% 609-9 90.64% 609-2 95.26% 609-7 87.26%609-6 88.39% 609-7 81.64% 609-8 78.24% 609-3 89.57% 609-7 78.32% 609-1 91.55% 609-7 95.37% 609-2 91.62%

（表1：八種纖維未知樣與已知樣的比對(duì)結(jié)果。帶*為比對(duì)不準(zhǔn)確的樣品，黑體為同組檢驗(yàn)光譜）

（一）不同種類纖維閾值的確定

1．從表一看出，601-4和601-7光譜與平均光譜的相似度為95.90%和95.51%，而其他樣品的譜圖與平均光譜的比對(duì)結(jié)果均小于95%，所以就取95%為601號(hào)樣品閾值。

2．從表一看出，604-4和604-7光譜與平均光譜的相似度為96.66%和96.69%，而其他樣品的譜圖與平均光譜的比對(duì)結(jié)果均小于96%，所以就取96%為604號(hào)樣品閾值。

3．從表一看出， 605-1和605-2光譜與平均光譜的相似度為97.90%和97.13%，而其他樣品的譜圖與平均光譜的比對(duì)結(jié)果均小于97%，所以就取97%為605號(hào)樣品閾值。

4．從表一看出，606-6和606-9的光譜與平均光譜的相似度為97.51%和97.73%，除604-1和605-9外，其他樣品譜圖與平均光譜的比對(duì)結(jié)果均小于97.5%，所以就取97.5%為606號(hào)樣品閾值。

5．從表一看出，607-3和607-6光譜與平均光譜的相似度為96.58%和96.91%，而其他樣品的譜圖與平均光譜的比對(duì)結(jié)果均小于96%，所以就取96%為607號(hào)樣品閾值。

6．可從表一依次推出，608、609和610這三種纖維樣品閾值應(yīng)分別為96.5%，95%，97%。

7．從表一可看出168份未知樣只有帶*號(hào)的4份譜圖與已知樣本的平均譜圖的相似度高于閾值，因而可推斷比對(duì)的準(zhǔn)確性為97.6%

8．閾值確定本文研究的關(guān)鍵,一方面希望設(shè)置值應(yīng)盡可能高，能使已知檢材光譜都能夠在此閾值之內(nèi)，只有這樣才能進(jìn)行正確鑒定；但另一方面，也希望設(shè)置能夠盡可能低，只有這樣才能將不屬于同一類檢材而又具有相似光譜特征的檢材區(qū)別開來。因此，在設(shè)置時(shí)，必須在忽略檢材本身之間差異和測量過程中誤差能夠產(chǎn)生誤判之間獲得一個(gè)平衡點(diǎn)，也就是要求每一種檢材都必須收集多條單獨(dú)的光譜，借助多種算法優(yōu)化閾值。

（二）平均光譜的確定

每一來源檢材只要一條光譜,但實(shí)際測量中，由于測量技術(shù)變化影響，同一檢材的光譜也可能會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的差別。因而獲得參考光譜庫的過程包括得到同一檢材不同部位的多條光譜，其中包括對(duì)同一部位的多次測量，然后用這些單獨(dú)光譜來產(chǎn)生一條平均光譜。平均光譜包含同一檢材不同部位及每次測量中帶來的變異信息，因而它比任何用來產(chǎn)生平均光譜的單獨(dú)光譜都具有代表性。在下一步的研究工作中要進(jìn)一步補(bǔ)充表一數(shù)據(jù)中帶*號(hào)樣品所對(duì)應(yīng)的參考光譜數(shù)據(jù)即606號(hào)和608號(hào)樣品的代表性，使得該組樣品的參考光譜特征更為明顯。

五、結(jié)論

本文通過對(duì)南京面料市場近500種的不同廠家不同成分的紡織面料進(jìn)行紅外譜圖解析，運(yùn)用聚類分析的方法，挑選出譜圖性質(zhì)很相近的8種樣品的紅外光譜的指紋特征的數(shù)據(jù)化處理，運(yùn)用有監(jiān)督模式識(shí)別算法，對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的空間處理，從中抽出紅外指紋特征信息，并轉(zhuǎn)換為參考物的形式，同時(shí)確定該物質(zhì)的閾值。通過實(shí)驗(yàn)和大量的數(shù)據(jù)處理，證實(shí)了該方法為纖維種類的鑒別中的準(zhǔn)確性達(dá)到97.6%以上，這為纖維種類的鑒別提供了新的思路。