使用python编写基于紫外-可见光谱的水质COD检测代码,读取三份excel文件,分别为10mg/L,15mg/L,20mg/L的标准溶液,excel文件中第一列数据为波长,第二列为透过率,对数据通过导数法进行预处理,得到一阶导数谱图,并绘制在同一个折线图上,再计算一阶导数谱的排列熵,通过排列熵算法进行特征波长的提取,最后,利用提取的特征波长处的特征值与对应的COD浓度进行PLS建模,得到COD的预测模型

时间: 2023-10-05 19:09:51 浏览: 50
首先,需要安装并导入所需的库,包括`pandas`、`numpy`、`matplotlib`、`scipy`和`sklearn`。可以使用以下代码安装和导入这些库: ```python !pip install pandas numpy matplotlib scipy scikit-learn import pandas as pd import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from scipy.signal import savgol_filter from sklearn.cross_decomposition import PLSRegression ``` 接下来,读取并处理excel数据,得到一阶导数谱图。可以使用以下代码读取数据并绘制谱图: ```python # 读取excel数据 data1 = pd.read_excel('10mg_L.xlsx') data2 = pd.read_excel('15mg_L.xlsx') data3 = pd.read_excel('20mg_L.xlsx') # 获取波长和透过率数据 wavelength = data1.iloc[:, 0].values tr1 = data1.iloc[:, 1].values tr2 = data2.iloc[:, 1].values tr3 = data3.iloc[:, 1].values # 对透过率数据进行预处理,得到一阶导数谱图 def get_derivative_spectrum(tr): # 对透过率数据进行Savitzky-Golay滤波 tr_smoothed = savgol_filter(tr, 31, 3) # 计算一阶导数 dy = np.diff(tr_smoothed) dx = np.diff(wavelength) dy_dx = dy / dx # 对一阶导数进行Savitzky-Golay滤波 dy_dx_smoothed = savgol_filter(dy_dx, 31, 3) return dy_dx_smoothed ds1 = get_derivative_spectrum(tr1) ds2 = get_derivative_spectrum(tr2) ds3 = get_derivative_spectrum(tr3) # 绘制一阶导数谱图 plt.plot(wavelength[1:], ds1, label='10mg/L') plt.plot(wavelength[1:], ds2, label='15mg/L') plt.plot(wavelength[1:], ds3, label='20mg/L') plt.xlabel('Wavelength (nm)') plt.ylabel('First Derivative') plt.legend() plt.show() ``` 接下来,计算一阶导数谱的排列熵,并通过排列熵算法提取特征波长。可以使用以下代码实现: ```python # 计算一阶导数谱的排列熵 def get_permutation_entropy(ds): # 对一阶导数谱进行离散化 ds_discrete = np.digitize(ds, np.histogram(ds, bins=20)[1]) # 计算排列熵 n = len(ds_discrete) pe = 0 for m in range(2, 7): count = {} for i in range(n - m + 1): seg = tuple(ds_discrete[i:i+m]) if seg in count: count[seg] += 1 else: count[seg] = 1 pe_m = 0 for seg in count: p = count[seg] / (n - m + 1) pe_m -= p * np.log(p) pe += pe_m return pe # 提取特征波长 pe1 = get_permutation_entropy(ds1) pe2 = get_permutation_entropy(ds2) pe3 = get_permutation_entropy(ds3) f1 = wavelength[np.argmin(np.abs(ds1 - pe1))] f2 = wavelength[np.argmin(np.abs(ds2 - pe2))] f3 = wavelength[np.argmin(np.abs(ds3 - pe3))] print('Feature wavelengths:', f1, f2, f3) ``` 最后,利用特征波长处的特征值与对应的COD浓度进行PLS建模,得到COD的预测模型。可以使用以下代码实现: ```python # 读取COD浓度数据 cod1 = 10 cod2 = 15 cod3 = 20 # 构建PLS模型 X_train = np.array([ds1[np.argmin(np.abs(wavelength - f1))], ds2[np.argmin(np.abs(wavelength - f2))], ds3[np.argmin(np.abs(wavelength - f3))]]).reshape(3, 1) y_train = np.array([cod1, cod2, cod3]).reshape(3, 1) pls = PLSRegression(n_components=1) pls.fit(X_train, y_train) # 预测COD浓度 X_test = np.array([ds1[np.argmin(np.abs(wavelength - f1))], ds2[np.argmin(np.abs(wavelength - f2))], ds3[np.argmin(np.abs(wavelength - f3))]]).reshape(3, 1) y_pred = pls.predict(X_test) print('Predicted COD concentrations:', y_pred[:, 0]) ``` 这样就完成了基于紫外-可见光谱的水质COD检测代码的编写。完整代码如下: ```python import pandas as pd import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from scipy.signal import savgol_filter from sklearn.cross_decomposition import PLSRegression # 读取excel数据 data1 = pd.read_excel('10mg_L.xlsx') data2 = pd.read_excel('15mg_L.xlsx') data3 = pd.read_excel('20mg_L.xlsx') # 获取波长和透过率数据 wavelength = data1.iloc[:, 0].values tr1 = data1.iloc[:, 1].values tr2 = data2.iloc[:, 1].values tr3 = data3.iloc[:, 1].values # 对透过率数据进行预处理,得到一阶导数谱图 def get_derivative_spectrum(tr): # 对透过率数据进行Savitzky-Golay滤波 tr_smoothed = savgol_filter(tr, 31, 3) # 计算一阶导数 dy = np.diff(tr_smoothed) dx = np.diff(wavelength) dy_dx = dy / dx # 对一阶导数进行Savitzky-Golay滤波 dy_dx_smoothed = savgol_filter(dy_dx, 31, 3) return dy_dx_smoothed ds1 = get_derivative_spectrum(tr1) ds2 = get_derivative_spectrum(tr2) ds3 = get_derivative_spectrum(tr3) # 绘制一阶导数谱图 plt.plot(wavelength[1:], ds1, label='10mg/L') plt.plot(wavelength[1:], ds2, label='15mg/L') plt.plot(wavelength[1:], ds3, label='20mg/L') plt.xlabel('Wavelength (nm)') plt.ylabel('First Derivative') plt.legend() plt.show() # 计算一阶导数谱的排列熵 def get_permutation_entropy(ds): # 对一阶导数谱进行离散化 ds_discrete = np.digitize(ds, np.histogram(ds, bins=20)[1]) # 计算排列熵 n = len(ds_discrete) pe = 0 for m in range(2, 7): count = {} for i in range(n - m + 1): seg = tuple(ds_discrete[i:i+m]) if seg in count: count[seg] += 1 else: count[seg] = 1 pe_m = 0 for seg in count: p = count[seg] / (n - m + 1) pe_m -= p * np.log(p) pe += pe_m return pe # 提取特征波长 pe1 = get_permutation_entropy(ds1) pe2 = get_permutation_entropy(ds2) pe3 = get_permutation_entropy(ds3) f1 = wavelength[np.argmin(np.abs(ds1 - pe1))] f2 = wavelength[np.argmin(np.abs(ds2 - pe2))] f3 = wavelength[np.argmin(np.abs(ds3 - pe3))] print('Feature wavelengths:', f1, f2, f3) # 读取COD浓度数据 cod1 = 10 cod2 = 15 cod3 = 20 # 构建PLS模型 X_train = np.array([ds1[np.argmin(np.abs(wavelength - f1))], ds2[np.argmin(np.abs(wavelength - f2))], ds3[np.argmin(np.abs(wavelength - f3))]]).reshape(3, 1) y_train = np.array([cod1, cod2, cod3]).reshape(3, 1) pls = PLSRegression(n_components=1) pls.fit(X_train, y_train) # 预测COD浓度 X_test = np.array([ds1[np.argmin(np.abs(wavelength - f1))], ds2[np.argmin(np.abs(wavelength - f2))], ds3[np.argmin(np.abs(wavelength - f3))]]).reshape(3, 1) y_pred = pls.predict(X_test) print('Predicted COD concentrations:', y_pred[:, 0]) ```

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