最近鄰法在黑色纖維比對分析的應(yīng)用研究

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分析是指通過對纖維樣品的儀器分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、譜圖解析以及結(jié)果比對等基本環(huán)節(jié)，鑒別、判斷不同地域提取的個體檢材是否來源于同一總體的分析過程。通過對犯罪現(xiàn)場與嫌疑人處提取的纖維及其制品的比對分析，能夠為案件偵破提供有力線索，為犯罪認(rèn)定提供科學(xué)證據(jù)?，F(xiàn)實中，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，纖維比對分析結(jié)果評判具有一定難度，一般只能給出兩個或多個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)模式識別中有監(jiān)督模式識別的一種，其基本思想是以各類樣本的重心來代表這個類，計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分析中應(yīng)用的報道。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)實際工作的要求。

二、實驗部分

（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、604號、605號、606號、607號、608號、609號和610號。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號樣品測定10次紅外譜圖）

（圖三：601號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光譜

本文對每組樣品分別測定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號樣品的10次紅外光譜測量圖和平均譜圖。另2份作為檢驗光譜，用以進(jìn)行比較檢驗，確定閾值。

（二）設(shè)置閾值

閾值實際上就是對庫中每一條平均參考光譜所定義的一個歐式距離限度。設(shè)置這個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限度，而庫中所有其他物質(zhì)光譜同這個平均參考光譜的歐氏距離都大于這個限度，也就是說閾值給平均光譜定義一個所謂的置信區(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，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 結(jié)果 樣號 結(jié)果 樣號 結(jié)果 樣號 結(jié)果 樣號 結(jié)果 樣號 結(jié)果 樣號 結(jié)果 樣號 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結(jié)果。帶*為比對不準(zhǔn)確的樣品，黑體為同組檢驗光譜）

（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結(jié)果均小于95%，所以就取95%為601號樣品閾值。

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結(jié)果均小于96%，所以就取96%為604號樣品閾值。

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結(jié)果均小于97%，所以就取97%為605號樣品閾值。

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結(jié)果均小于97.5%，所以就取97.5%為606號樣品閾值。

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結(jié)果均小于96%，所以就取96%為607號樣品閾值。

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，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*號樣品所對應(yīng)的參考光譜數(shù)據(jù)即606號和608號樣品的代表性，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)督模式識別算法，對分析數(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，同時確定該物質(zhì)的閾值。通過實驗和大量的數(shù)據(jù)處理，證實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。