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Study on test and classification of Plastic Handkerchief paper packaging bags based on Raman Spectroscopy and K-means

【客戶案例】拉曼光譜結(jié)合K均值法檢驗手帕紙包裝袋的研究


引言
 

手帕紙包裝袋使用具有廣泛性,其包裝袋殘片被遺留在案件現(xiàn)場的概率較大,弄清手帕紙的種屬來源,能夠提供使用人身份及活動路線信息,對案件推動具有重要作用?,F(xiàn)場殘留包裝袋往往受環(huán)境因素影響,僅余部分殘片,給追溯手帕紙的來源、品牌,實現(xiàn)檢驗分類設(shè)置了障礙,亟待開展進一步檢驗分析。
 
手帕紙由于生產(chǎn)廠家,合成工藝、商品化助劑添加及生產(chǎn)設(shè)備選取都存在一定偏差,不同品種的手帕紙塑料包裝袋有不同物理及化學(xué)特征,這些差異均會使拉曼散射強度有所差異。因此采用拉曼光譜法可以有效的區(qū)分手帕紙外包裝,從而為實際現(xiàn)場塑料物證檢驗提供了充分參考。
 
研究成果
 
近期,中國公安大學(xué)姜紅教授團隊基于Matlab進行拉曼數(shù)據(jù)預(yù)處理及相似度分析,結(jié)合K均值聚類法(K-means)對收集到的不同手帕紙小包裝袋樣本進行建模分析,可以獲得合適的初始凝聚點數(shù)K,實現(xiàn)了手帕紙的區(qū)分檢驗。
 
手帕紙外包裝袋為塑料,以樹脂為主要原料,以增塑劑、填充劑、潤滑劑、著色劑等添加劑為輔助成分通過高壓合成的高分子化合物。包裝袋主要填料為合成樹脂,多為聚乙烯、聚氯乙烯或聚丙烯,常見塑料助劑為CaCO3、滑石粉和BaSO4。通過篩選我們發(fā)現(xiàn)依據(jù)填料種類可將樣本分為三大類(見表3),第I類樣品中主要填料為聚乙烯(如圖2),第II類樣品中主要填料為聚氯乙烯(如圖3),第III類樣品中主要填料為聚丙烯(如圖4).

 

表3 手帕紙塑料包裝袋樣品分類


圖2 第I類樣品的拉曼光譜圖
 
 
圖3 第II類樣品的拉曼光譜圖
 
圖4 第III類樣品的拉曼光譜圖
 

 

首先基于主成分分析法(principle component analysis,PCA)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)降維,提升分析準確性,從總體協(xié)和方差矩陣出發(fā)進行主成分分析。選取分類貢獻率大于百分之一的PC1、PC2、PC3作為主特征,以待后續(xù)驗證分析。作為快速聚類法,K均值聚類法不需預(yù)知樣本種數(shù),可對K值進行迅速演算并反饋樣本吻合度,最終篩選出合適K值,同時實現(xiàn)樣本分類。本次結(jié)合kmeans函數(shù)及silhouette函數(shù)分別對三大類樣品進行進一步分類,數(shù)據(jù)準確性達93%。結(jié)合K均值聚類法,基于已知樣本標準數(shù)據(jù),可實現(xiàn)對未知樣本的快速分類和高效鑒定,分類成功率達97.14%。
 

該方法操作簡便、精確度高,將計算機軟件技術(shù)和光譜檢測技術(shù)相結(jié)合,相較傳統(tǒng)的譜圖分析法更加快速準確,數(shù)據(jù)處理效率更高,為實際應(yīng)用提供了充分參考。對信噪比較高的樣本數(shù)據(jù)也可實現(xiàn)迅速分類,背景容錯率好,可在公安實踐中對現(xiàn)場不易分類的局部手帕紙外包裝袋進行檢測分類,為實際辦案中劃定嫌疑人活動軌跡、偵破案件提供線索,為刑事訴訟提供合法證據(jù)。
 
文章信息:
 
該成果近期以“拉曼光譜結(jié)合K均值法檢驗手帕紙包裝袋的研究”為題發(fā)表在期刊上,該工作由中國公安大學(xué)姜紅課題組完成,論文鏈接如下:http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-GSSX201902009.htm。
 
本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司Finder Insight 便攜式拉曼光譜儀。如需了解該產(chǎn)品,歡迎咨詢我司。
 
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