基于MATLAB/GUI的水質(zhì)參數(shù)光譜分析可視化界面設(shè)計(jì)＊

陳 希，李麗娜

（華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門(mén)361021）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，全球水資源問(wèn)題日益嚴(yán)重。中國(guó)水資源占有總量排在世界前列，但由于人口眾多，中國(guó)人均水資源占有量?jī)H有世界人均占有量的1/4。保護(hù)水資源、防止水污染至關(guān)重要[1]。

水質(zhì)參數(shù)（包括物理性指標(biāo)、化學(xué)性指標(biāo)和生物性指標(biāo)）檢測(cè)是保障人類(lèi)安全用水的前提，通過(guò)水質(zhì)檢測(cè)可確定水污染分布狀況、預(yù)測(cè)污染物的變化趨勢(shì)，為水污染防治工作提供技術(shù)支持[2]。

水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)方法包括常規(guī)化學(xué)分析檢測(cè)方法、紫外/可見(jiàn)光譜法、熒光光譜法、原子吸收光譜法、氣相色譜法和可見(jiàn)/近紅外（visible near infrared，VIS-NIR）光譜法等[3-4]?？梢?jiàn)/近紅外光譜分析法具有檢測(cè)速度快、無(wú)污染、綠色環(huán)保、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)的研究熱點(diǎn)之一。

基于可見(jiàn)/近紅外光譜技術(shù)的水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)方法，在最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用前，通常需通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)來(lái)確定測(cè)量模型[5-7]。測(cè)量模型的訓(xùn)練通常在MATLAB軟件上進(jìn)行，通過(guò)反復(fù)多次計(jì)算和分析，從而選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)處理方法、確定最佳的多元回歸模型參數(shù)，模型訓(xùn)練的計(jì)算和分析過(guò)程較為復(fù)雜耗時(shí)。

為方便研究人員開(kāi)展水質(zhì)光譜分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提高測(cè)量模型的建模效率，本設(shè)計(jì)研究開(kāi)發(fā)了一套基于MATLAB的水質(zhì)參數(shù)光譜分析的GUI界面，通過(guò)導(dǎo)入數(shù)據(jù)、預(yù)處理、多元校正、數(shù)據(jù)輸出4個(gè)模塊，提供常見(jiàn)的預(yù)處理方法和經(jīng)典的多元回歸方法。并通過(guò)蒸餾水pH值光譜分析基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)該可視化軟件效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 水質(zhì)參數(shù)光譜分析界面框架設(shè)計(jì)

圖形用戶界面，是用戶與計(jì)算機(jī)程序之間建立聯(lián)系，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交流的一種方式。它包含窗口、圖標(biāo)、菜單、文本、工具欄等圖形對(duì)象。用戶借助操作或更改的方式，選擇或激活圖形對(duì)象，建立屬于各自研究問(wèn)題領(lǐng)域的可視化交互界面。通過(guò)圖形用戶界面，用戶只要知道如何使用界面的每個(gè)組件，就可以與計(jì)算機(jī)建立聯(lián)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，操作簡(jiǎn)單、直觀[8]。

本設(shè)計(jì)主要面向水質(zhì)參數(shù)光譜分析領(lǐng)域，基于MATLAB/GUI編輯調(diào)整的可視化分析界面如圖1所示。

圖1 水質(zhì)參數(shù)光譜分析的可視化界面

主要包括導(dǎo)入數(shù)據(jù)模塊、預(yù)處理模塊、多元校正模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊。導(dǎo)入數(shù)據(jù)模塊的功能是，導(dǎo)入校正集、驗(yàn)證集數(shù)據(jù)，并可顯示原始數(shù)據(jù)的光譜圖；預(yù)處理模塊的功能是，提供常見(jiàn)的光譜預(yù)處理方法，包括最大最小歸一化、零均值化、一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)、多元散射校正（multiple scatter correction，MSC）和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換（standard normal variate transformation，SNV），并可顯示預(yù)處理后的光譜圖；多元校正模塊的功能是，提供經(jīng)典的偏最小二乘（partial least squares，PLS）回歸模型，通過(guò)輸入主成分個(gè)數(shù)，計(jì)算該參數(shù)條件下的預(yù)測(cè)均方根誤差（root mean square error of prediction，RMSEP），并可顯示預(yù)測(cè)值與參考值的比較圖，為工程應(yīng)用人員進(jìn)行模型訓(xùn)練提供參考。

2 基于MATLAB/GUI的界面開(kāi)發(fā)方法

MATLAB是美國(guó)MathWorks公司開(kāi)發(fā)的一套高性能數(shù)字計(jì)算軟件，MATLAB既能進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，又能根據(jù)用戶需求，開(kāi)發(fā)出便于計(jì)算和分析的用戶圖形界面（GUI）。用戶通過(guò)選擇、激活這些圖形對(duì)象，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算、繪圖，提高工程應(yīng)用人員研究效率[9-10]。本研究設(shè)計(jì)的水質(zhì)參數(shù)光譜分析可視化界面，主要開(kāi)發(fā)步驟和方法如下。

首先，在MATLAB主界面的Command Window中輸入guide，得到用戶圖形界面模板選擇窗口，選擇默認(rèn)空白（BLANK GUI）選項(xiàng)，如圖2所示，然后可進(jìn)入編輯界面，如圖3所示。

圖2 GUI模板選擇窗口

圖3 GUI編輯界面

接著，在GUI編輯界面上建立需要的控件，編輯控件的基本屬性，將界面各個(gè)控件擺放整齊、美觀、方便。

然后，根據(jù)各控件需要完成的功能，編輯回調(diào)函數(shù)。

最后，進(jìn)行可視化界面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和程序調(diào)試。

對(duì)于導(dǎo)入數(shù)據(jù)模塊，由八個(gè)靜態(tài)文本框、六個(gè)按鈕組成。設(shè)置靜態(tài)文本框的屬性作為提醒使用者的提示，導(dǎo)入數(shù)據(jù)按鈕按下后運(yùn)行對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，打開(kāi)文件夾并且從文件夾中選擇需要的文件加載到程序中。

MATLAB函數(shù)global可用于定義全局變量。

MATLAB函數(shù)[filename,filepath]=uigetfile('*.*','請(qǐng)選擇文件')可實(shí)現(xiàn)從文件夾中選擇數(shù)據(jù)。

MATLAB函數(shù)set(handles.text6,'String',[filename])可實(shí)現(xiàn)將文件名顯示在界面上。

MATLAB函數(shù)importdata(strcat([filepath,filename]))可實(shí)現(xiàn)文件的導(dǎo)入。

MATLAB函數(shù)axes(handles.axes1)、plot，可實(shí)現(xiàn)在axes1坐標(biāo)上繪圖，點(diǎn)擊“生成光譜圖”按鈕，就會(huì)在界面繪圖區(qū)顯示光譜圖。

類(lèi)似的，對(duì)于預(yù)處理模塊、多元校正模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊，基于MATLAB編輯好對(duì)應(yīng)的預(yù)處理函數(shù)、多元回歸函數(shù)及其回調(diào)函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)預(yù)處理方法的選擇、PLS模型參數(shù)“主成分個(gè)數(shù)”設(shè)置、PLS模型的運(yùn)行、RMSEP的計(jì)算以及預(yù)測(cè)值與參考值比較的圖形繪制。

MATLAB函數(shù)k=str2num(get(handles.edit1,'String'))可實(shí)現(xiàn)從可輸入編輯框中獲得參數(shù)k。

MATLAB函數(shù)guidata(hObject,handles)可實(shí)現(xiàn)從可輸入編輯框中獲得輸入的主成分個(gè)數(shù)。

3 蒸餾水pH值光譜分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

采用可見(jiàn)/近紅外分光光度計(jì)V-1800PC（上海美譜達(dá)儀器公司）測(cè)量樣品光譜，光譜波長(zhǎng)間隔2 nm。1 cm的石英池用于裝載水樣。pH值的參考值采用精度為±0.1個(gè)單位的酸度計(jì)（上海力辰儀器公司）測(cè)量。為了獲得不同酸堿度的水樣，在蒸餾水中隨機(jī)加入0.1 mmol/L的HCL或0.1 mmol/L的NaOH，用酸度計(jì)測(cè)量獲得pH參考值。采用透射式測(cè)量獲取每個(gè)樣品的光譜數(shù)據(jù)。采集的光譜波長(zhǎng)范圍是400～1 100 nm，共351個(gè)波長(zhǎng)。

實(shí)驗(yàn)中共獲得34個(gè)樣本，其中24個(gè)樣本作為校正集、11個(gè)樣本作為驗(yàn)證集，用于PLS模型訓(xùn)練，來(lái)測(cè)試本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)GUI界面的性能。圖4為應(yīng)用本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的可視化界面繪制的圖像，圖4（a）為原始光譜圖，圖4（b）為經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換預(yù)處理后的光譜圖。通過(guò)設(shè)置不同的主成分個(gè)數(shù)，然后運(yùn)行PLS，可以得到不同的模型精度參數(shù)值RMSEP，根據(jù)RMSEP來(lái)確定最優(yōu)的主成分個(gè)數(shù)，應(yīng)用本研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的可視化界面，可以方便的調(diào)整參數(shù)，確定最佳的PLS模型，提高建模效率。例如，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換預(yù)處理后，設(shè)置主成分個(gè)數(shù)為10，PLS模型的預(yù)測(cè)參數(shù)RMSEP顯示為0.335 221。PLS模型的預(yù)測(cè)值與參考值的對(duì)比圖如圖5所示。

圖4 GUI輸出光譜圖界面

圖5 GUI輸出PLS模型的預(yù)測(cè)值與參考值的對(duì)比圖頁(yè)面

4 結(jié)語(yǔ)

水質(zhì)檢測(cè)用于確保用水安全，對(duì)居民生活、工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)都非常重要?？梢?jiàn)/近紅外光譜分析技術(shù)具有簡(jiǎn)便、快速、經(jīng)濟(jì)、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是目前極具發(fā)展前景的水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)方法之一。為方便研究人員進(jìn)行光譜分析，本研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于MATLAB/GUI的水質(zhì)參數(shù)光譜分析的可視化界面。應(yīng)用該水質(zhì)參數(shù)光譜分析界面，可快速切換預(yù)處理方法和主成分個(gè)數(shù)，根據(jù)PLS模型精度參數(shù)、以及預(yù)測(cè)值和參考值的圖像分析，達(dá)到快速確定最佳預(yù)處理方法和多元校正模型，提高建模效率的目的?；贛ATLAB/GUI的可視化圖形界面，設(shè)計(jì)界面簡(jiǎn)潔清晰，可極大方便研究人員開(kāi)展水質(zhì)參數(shù)光譜分析工作，提高研究效率。