周 悅， 王世博， 葛世榮， 王賽亞， 向 陽(yáng)， 楊 恩， 呂淵博

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116

引 言

綜放開(kāi)采方法是我國(guó)特厚煤層礦區(qū)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的主要技術(shù)途徑， 煤矸識(shí)別是實(shí)現(xiàn)綜放開(kāi)采自動(dòng)化放煤控制的關(guān)鍵核心技術(shù)[1]。 半個(gè)世紀(jì)以來(lái)， 眾多學(xué)者研究了多種區(qū)分煤與巖石的方法， 如天然射線探測(cè)[2]、 聲波探測(cè)[3]、 熱紅外探測(cè)[4]、 圖像分析[5]等， 然而對(duì)從煤和巖的物質(zhì)本質(zhì)屬性上進(jìn)行區(qū)分的研究報(bào)道相對(duì)較少。 近紅外反射光譜技術(shù)是一種高信噪比、 實(shí)時(shí)、 低廉、 針對(duì)原位物質(zhì)的光譜分析技術(shù)， 其中反射光譜是獲取物質(zhì)屬性的主要途徑， 識(shí)別機(jī)理為被測(cè)物質(zhì)所含的特定化學(xué)成分和組成結(jié)構(gòu)在特定波長(zhǎng)處產(chǎn)生特定的光譜反射吸收特性， 近紅外反射光譜分析技術(shù)不僅在煤礦和巖礦遙感等定性識(shí)別探測(cè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用[6]， 而且已在煤炭、 礦物、 土壤等成分定量分析檢測(cè)領(lǐng)域中得到了較多應(yīng)用； 王妍[7]基于偏最小二乘(PLSR)建立鋁土礦內(nèi)部成分Al2O3含量與其近紅外光譜之間的定量數(shù)學(xué)關(guān)系模型， 此模型穩(wěn)定性較高， 預(yù)測(cè)能力較強(qiáng)。 楊恩等[8]建立了PCA-SVM、 GRB-KPCA-SVM兩種識(shí)別模型實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)-近紅外光譜波段對(duì)煤與炭質(zhì)頁(yè)巖的識(shí)別。 李明等搭建構(gòu)造基于SVM算法與LVQ算法的定性分析模型， 完成基于近紅外光譜分析技術(shù)的煤產(chǎn)地的快速鑒別。 在利用多波段、 高光譜的遙感數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別地物時(shí)， 人們發(fā)現(xiàn)角度信息對(duì)地物的光譜特征有影響[9]。

由于放落在后部刮板輸送機(jī)的煤巖體形狀不規(guī)則與堆積高度不確定， 即使近紅外探測(cè)裝置固定， 煤巖近紅外光譜的探測(cè)距離與探測(cè)角度仍不斷變化。 而探測(cè)條件(探測(cè)距離、 入射角度、 方位角、 探測(cè)角度等)會(huì)對(duì)煤巖的反射光譜產(chǎn)生一定的影響[9]。 同時(shí)， 綜放工作面的煤巖均為塊狀試樣。 收集了某礦井綜放工作面賦存的碳質(zhì)泥巖、 砂質(zhì)泥巖、 砂巖和氣煤塊狀試樣4種， 試驗(yàn)研究了不同探測(cè)距離與角度下煤巖近紅外漫反射光譜的光譜特性以及最佳預(yù)處理方法與定性分析模型。

1 實(shí)驗(yàn)部分

圖1為塊狀煤巖試樣漫反射光譜采集裝置的實(shí)物照片和工作原理示意圖。 100 W的鹵素聚光燈與帶準(zhǔn)直鏡的光纖探頭固定在可調(diào)向滑臺(tái)上， 光纖探頭通過(guò)Y型光纖分別與荷蘭AvaSpec-NIR512近紅外光譜儀(波長(zhǎng)范圍1 000～2 500 nm， 波長(zhǎng)精度3 nm)、 激光指示光源連接。 激光指示光源用于指示光纖探頭的收光范圍。 采集計(jì)算機(jī)通過(guò)USB3.0與光譜儀連接， 實(shí)時(shí)顯示并采集煤樣樣品的漫反射光譜。 可調(diào)向滑臺(tái)可以調(diào)整光纖頭與煤巖樣品之間的距離和角度。 實(shí)驗(yàn)中， 光纖探頭與煤巖樣品之間的距離設(shè)定為1.3， 1.4和1.5 m， 鹵素聚光燈與試樣表面中心的垂直距離設(shè)定為40 cm， 入射角度≤40°、 探測(cè)角度≤40°、 方位角5°和相位角0°。 從某煤礦綜放工作面現(xiàn)場(chǎng)收集了炭質(zhì)泥巖、 砂質(zhì)泥巖、 砂巖、 氣煤塊狀試樣4種， 列于表1中。

表1 實(shí)驗(yàn)試樣

測(cè)量試樣表面反射光譜時(shí)， 試樣固定， 入射與探測(cè)角從初始0°(天頂角處)開(kāi)始， 在同一組測(cè)量距離下， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的可調(diào)向滑臺(tái)， 每隔10°改變照射與探測(cè)角一次， 共改變5次[見(jiàn)圖1(b)中的0°， 10°， 20°， 30°和40°]， 在每個(gè)方向上采集試樣上同一區(qū)域的10 條光譜曲線， 計(jì)算這10條光譜曲線的平均值作為該試樣在此方向上最終的反射光譜曲線， 進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)最終得到75條(計(jì)算平均值之后)光譜曲線。 光譜儀的2個(gè)邊緣波段1 000～1 100和2 400～2 500 nm具有較強(qiáng)的電流噪聲， 因此只取1 100～2 400 nm波段內(nèi)光譜數(shù)據(jù)。

圖1 塊狀煤巖試樣反射光譜采集裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 煤巖反射光譜曲線

圖2為5個(gè)塊狀煤巖試樣在不同探測(cè)條件下的近紅外漫反射光譜曲線。 由圖2(a)—(d)可知， 所有巖樣在1 400和1 900 nm附近有較明顯的吸收谷， 在2 300 nm附近出現(xiàn)微弱吸收谷， 其中巖3在2 200 nm附近出現(xiàn)明顯的吸收谷， 巖2在2 200 nm附近出現(xiàn)微弱的雙吸收谷， 巖1與巖4在2 200 nm附近出現(xiàn)明顯的雙吸收谷。 由圖2(e)可知， 煤樣反射光譜曲線在1 100～2 400 nm沒(méi)有明顯的吸收谷， 主要是因?yàn)槊悍肿咏Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)， 其吸收光譜的研究多集中于中紅外波段, 所以其近紅外漫反射光譜曲線在1 100～2 400 nm之間沒(méi)有較明顯的吸收谷。 在1 100～2 000 nm范圍內(nèi)吸收谷的出現(xiàn)主要為礦物晶格中的羥基與水分子中的羥基振動(dòng)引起的， 其中， 1 400 nm附近為O—H伸縮振動(dòng)的第一倍頻處， 此處的吸收谷應(yīng)主要是由試樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)水引起的， 1 900 nm附近為H—O—H鍵和O—H伸縮的組合頻處， 此處的吸收谷應(yīng)主要是由試樣中的吸附水引起的[10]， 該吸收谷測(cè)量時(shí)受溫度和濕度影響， 另外， 由于[OH]帶的頻率一般比H2O高， 從圖2(a)—(d)可知， 光譜曲線的1 400 nm附近的吸收谷較1 900 nm附近的吸收谷尖窄。 2 200 nm為Al—OH的診斷波段， 此外， 高嶺石的存在會(huì)使光譜曲線在2 160 nm附近出現(xiàn)雙吸收谷， 而巖1與巖4在2 160 nm附近的雙吸收峰較巖2更明顯， 推測(cè)是因?yàn)閹r1與巖4中的高嶺石含量較巖2高。 2 300 nm波段附近有微弱吸收是因?yàn)榇嬖谏倭康腗g， Mg—OH在此波段附近的振動(dòng)造成吸收谷。

圖2 煤巖試樣在探測(cè)距離與角度下的光譜反射率曲線

2.2 煤巖反射光譜預(yù)處理

為增強(qiáng)光譜吸收特征， 利用Savitzky-Golay卷積平滑、 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換、 一階微分三種方法對(duì)圖2中所有75條煤巖反射光譜曲線作預(yù)處理。 三種預(yù)處理方法的核心求解算法如下：

(1) 一階微分(FD)

(1)

(2) Savitzky-Golay卷積平滑

(2)

(3) 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換(SNV)

(3)

xi, λ, A=-lgxi, λ

(4)

(5)

隨機(jī)選擇2條煤樣與8條巖樣的光譜預(yù)處理結(jié)果作說(shuō)明， 圖3(a)—(c)為10條反射光譜曲線經(jīng)一階微分、 Savitzky-Golay卷積平滑、 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換后的反射光譜曲線。 由圖3知， 經(jīng)過(guò)三種預(yù)處理方法后， 光譜曲線反射吸收波形特征更明顯。

圖3 三種方法預(yù)處理后的煤巖樣光譜曲線

2.3 煤巖定性分析結(jié)果

為了根據(jù)煤巖的反射光譜進(jìn)行煤巖定性分析， 從75條光譜曲線中隨機(jī)選擇30條為訓(xùn)練樣本， 不同探測(cè)距離與角度下的煤樣10條， 巖樣20條。 其余45條光譜曲線作為測(cè)試樣本， 其中煤樣5條， 巖樣40條。 由以上分析可知， 光譜反射率受探測(cè)條件的影響， 光譜曲線波形與吸收谷位置受探測(cè)條件的影響不明顯， 因此， 為有效的消除探測(cè)條件對(duì)光譜反射率的影響， 利用注重衡量向量方向上差異， 不注重?cái)?shù)值差異的余弦相似度、 皮爾遜相關(guān)系數(shù)這兩種識(shí)別模型分別進(jìn)行煤巖定性分析， 兩種模型的核心計(jì)算方法如下：

余弦相似度

(6)

皮爾遜相關(guān)系數(shù)

(7)

(8)

由式(6)知， 余弦相似度就是計(jì)算兩個(gè)向量A與B之間的余弦值， 余弦值越接近1， 就表明夾角越接近0°， 也就是兩個(gè)向量越相似； 由式(7)知， 皮爾遜相關(guān)系數(shù)就是在計(jì)算余弦?jiàn)A角值之前先求向量中所有元素的均值， 然后將向量中每一元素值減去此均值， 再求余弦相似度。

表2與表3分別為在1 100～2 400 nm波段范圍內(nèi)的煤巖漫反射光譜曲線經(jīng)過(guò)三種預(yù)處理后在余弦相似度、 皮爾遜相關(guān)系數(shù)兩種模型下的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。 由表2可知， 在Savitzky-Golay卷積平滑預(yù)處理下： 不同探測(cè)距離與角度下煤巖光譜曲線的類別預(yù)測(cè)率均維持在100%， 探測(cè)條件的變化并不影響識(shí)別率； 在一階微分預(yù)處理下： 僅在探測(cè)距離1.5 m、 探測(cè)角0°情況下的類別預(yù)測(cè)率為80%， 整體預(yù)測(cè)率為98%左右， 探測(cè)條件的變化對(duì)預(yù)測(cè)率產(chǎn)生微弱的影響； 在標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換預(yù)處理下： 探測(cè)條件的變化使煤巖識(shí)別率產(chǎn)生較大的波動(dòng)， 且其預(yù)測(cè)率較低。 由表3可知， 在Savitzky-Golay卷積平滑預(yù)處理下： 僅在探測(cè)距離1.3 m、 探測(cè)角30°下的類別預(yù)測(cè)率為80%， 整體的類別預(yù)測(cè)率為98%左右， 探測(cè)條件的變化對(duì)識(shí)別率產(chǎn)生微弱的影響； 在一階微分預(yù)處理下： 僅在探測(cè)距離1.5 m、 探測(cè)角0°下的類別預(yù)測(cè)率為80%， 整體的類別識(shí)別率在98%左右， 探測(cè)條件的變化對(duì)識(shí)別率產(chǎn)生微弱的影響； 在標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換預(yù)處理下： 探測(cè)條件的變化使煤巖識(shí)別率產(chǎn)生明顯的波動(dòng)， 其整體預(yù)測(cè)率相對(duì)較低。 對(duì)比表2與表3可知， Savitzky-Golay卷積平滑預(yù)處理后的預(yù)測(cè)效果較佳， 推測(cè)是因?yàn)榇祟A(yù)處理方法通過(guò)平滑有效的消除光譜曲線中的噪聲以及消除探測(cè)條件對(duì)光譜曲線波形的影響， 使不同探測(cè)條件下的煤巖識(shí)別率均較高； SNV預(yù)處理后的光譜在兩種模型下的預(yù)測(cè)率均相對(duì)較差， 推測(cè)是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)條件中的顆粒度差異引起的散射現(xiàn)象并不明顯， 而在使用SNV預(yù)處理過(guò)程中卻明顯地減弱了目標(biāo)因素的信息。

表2 1 100～2 400 nm波段內(nèi)的余弦相似度模型下的預(yù)測(cè)率

表3 1 100～2 400 nm波段內(nèi)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)模型下的識(shí)別率

3 結(jié) 論

(1)探測(cè)角度與距離對(duì)光譜曲線波形和吸收谷位置無(wú)明顯影響， 但明顯影響光譜反射率。 在1.3 m探測(cè)距離下， 光譜反射率隨著探測(cè)角度的增大而增大； 在1.4和1.5 m探測(cè)距離下， 光譜反射率隨著探測(cè)角度的增大而減小。 在10°， 20°和30°探測(cè)角度下， 光譜反射率隨著探測(cè)距離的增大而增大； 在40°和90°探測(cè)角度下， 光譜曲線的反射率隨著探測(cè)距離的增大而降低。

(2)Savitzky-Golay卷積平滑有效的消除探測(cè)角度與高度對(duì)煤巖光譜的影響， 其中， 在余弦相似度模型下： Savitzky-Golay卷積平滑預(yù)處理有效的消除探測(cè)條件對(duì)光譜曲線波形的影響， 其整體分類效果最佳， 一階微分預(yù)處理后的分類效果次之， 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換預(yù)處理后的分類效果相對(duì)較差。 在皮爾遜相關(guān)系數(shù)模型下： Savitzky-Golay卷積平滑與一階微分預(yù)處理后的整體分類效果相對(duì)較好， 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換預(yù)處理后的分類效果相對(duì)較差。

(3)綜合對(duì)比上述幾種預(yù)處理后模型的性能， 可得出試驗(yàn)中存在的影響因素應(yīng)主要是噪聲與基線干擾。 本研究結(jié)果可以為在不同探測(cè)角度與探測(cè)距離下直接利用近紅外漫反射光譜波形進(jìn)行識(shí)別煤巖時(shí)選擇最佳預(yù)處理方法以及定性分析模型提供參考。