可见-近红外高光谱成像技术对灵武长枣VC含量的无损检测方法

合集下载

基于高光谱成像技术的灵武长枣缺陷识别

基于高光谱成像技术的灵武长枣缺陷识别

基于高光谱成像技术的灵武长枣缺陷识别吴龙国;王松磊;康宁波;何建国;贺晓光【期刊名称】《农业工程学报》【年(卷),期】2015(31)20【摘要】Zizphus jujube Mill cv.Lingwu changzao, as one of characteristic agricultural products in Ningxia, is favored by the broad consumer for its high nutritional value. However, the external quality of long jujube will affect directly its sale and storage. In the traditional detection method, it has several disadvantages such as time-consuming, laborious and low efficiency, etc. Hyperspectral imaging technique has become an important trend to employ nondestructive testing of fruit quality, because it simultaneously has the merit of spectral technique and imaging technique. In order to study an effective method for quickly detecting common defects (bruise, insect-infested and cracks) on jujube fruits, the methods of principal component analysis (PCA) on the optimal wavelengths combined with band ratio (BR) were applied to identify the crack, insect and bruised jujubes. In the first place, a total of 300 samples were placed in 4℃ refrigerator storage, including a set of 100 defective jujubes with cracks; a set of 100 insect-infested jujubes with a hole greater than 0.1 mm in diameter on each of the selected jujube's surfaces; a set of 50 bruised jujubes, which are normal jujubes dropped from 1 m and with the region of injury marked; a set of 50 intact jujubes, were picked out by hand-picked the way to randomly and manually collect from three orchards in Lingwu, China during the harvest period of 2013. Before measuring, the samples were kept overnight at room temperature (23℃). Secondly, the hyperspectral images of jujubes in the spectral region 918-1 678 nm were acquired for 300 jujube samples. Region of interests (ROIs) as an average spectral of various jujubes were obtained and the wavelengths in the spectral region of near-infrared reflection were analyzed and combined with PCA method to determine feature wavelengths by weighted coefficient. Intact jujubes were selecting four optimal wavelength (1 028, 1 109, 1 312, 1 449 nm) , crack jujubes were selecting seven optimal wavelength (1 031, 1 112, 1 225, 1 312, 1 392, 1 449, 1 461 nm) , bruised crack jujubes were selecting four optimal wavelength (1 025, 1 109, 1 312, 1 449 nm) , and insect-infested jujubes were selecting four optimal wavelength (1 034, 1 112, 1 312, 1 449 nm). Compared to principal component images of full wavelength, the model of principal component images based on important wavelengths was the best to further studies. Then, the PCA method was performed again based on important wavelengths and the plot of PC-1 was used to classify bruised, insect-infested, cracked and intact jujube fruits. The classification rate of intact, insect-infested, cracked and bruised jujubes in the spectral region of near-infrared reflection were 100%, 72%, 86%, 100%, respectively; In order to further improve the recognition rate, the band ratio method was utilized to distinguish the previously unidentified jujubes (insect-infested, cracked). For insect- infested jujubes, four optimal wavelength (1 034, 1 112, 1 312, 1449 nm) were made band ratio each other and the band ratio ofR1231/R1109 was thought as optimal band combination. For crack jujubes, seven optimal wavelength (1 031, 1 112, 1 225, 1 312, 1 392, 1 449, 1 461 nm) were made band ratio each other but the results was not ideal, so the method of band ratio was not applicable to crack jujubes. In a word, the classification rate of intact, insect-infested, crack and bruised jujubes in the spectral region of near-infrared reflection were 100%, 90%, 86%, 100%, respectively. The results showed that the band ratio algorithm had positive effect on insect-infested jujubes, but not to crack jujubes. The rest of jujubes could not be correctly identified because that some crack and insect-infested jujubes in the defect area was too small, resulting in unable to conduct normal recognition. The results proved that the capability of NIR hyperspectral imaging technology for identifying external defects of jujube was feasible, which would provide research basis for online detection of jujube quality using multi-spectral imaging technology.%为研究快速识别灵武长枣表面裂痕、虫眼、碰伤等常见缺陷的有效方法,利用特征波长主成分分析法结合波段比算法进行长枣裂痕、虫眼、碰伤识别.首先,采用近红外(Near Infrared Reflection,NIR)波段范围的高光谱成像系统获取300个长枣反射图像,提取并分析各类型长枣光谱曲线,选择918~1 678 nm波段范围进行主成分分析,通过权重系数提取特征波长;然后,对特征波长下图像进行主成分分析,选择最优的主成分图像进行识别;最后,对未识别的长枣图像采用波段比算法进一步进行识别.NIR波段的正常枣、虫眼枣、裂痕枣、碰伤枣的识别率分别100%、90%、86%、100%.结果表明:NIR高光谱成像仪对长枣外部缺陷识别是可行的,为多光谱成像技术应用于在线检测长枣品质提供了理论依据.【总页数】6页(P281-286)【作者】吴龙国;王松磊;康宁波;何建国;贺晓光【作者单位】宁夏大学土木水利工程学院,银川 750021;宁夏大学土木水利工程学院,银川 750021;宁夏大学农学院,银川 750021;宁夏大学土木水利工程学院,银川750021;宁夏大学土木水利工程学院,银川 750021;宁夏大学农学院,银川 750021;宁夏大学农学院,银川 750021【正文语种】中文【中图分类】TP391.41;TP274【相关文献】1.基于高光谱成像技术的灵武长枣常见缺陷检测 [J], 王婉娇;贺晓光;王松磊;刘贵珊;吴龙国2.基于高光谱成像技术的山楂损伤和虫害缺陷识别研究 [J], 刘德华;张淑娟;王斌;余克强;赵艳茹;何勇3.基于高光谱成像的苹果虫伤缺陷与果梗/花萼识别方法 [J], 田有文;程怡;王小奇;刘思伽4.基于高光谱成像技术的柑橘缺陷无损检测 [J], 章海亮;高俊峰;何勇5.基于高光谱成像技术的苹果表面缺陷\r无损检测 [J], 孟庆龙;张艳;尚静因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

可见近红外高光谱成像对灵武长枣定量损伤等级判别

可见近红外高光谱成像对灵武长枣定量损伤等级判别

Vol 41,No. 4,pp1182-1187April, 2021第41卷,第4期2021 年 4 月光谱学与光谱分析SpectroscopyandSpectralAnalysis可见近红外高光谱成像对灵武长枣定量损伤等级判别袁瑞瑞,刘贵珊* *,何建国,康宁波,班晶晶,马丽敏收稿日期:2020-03-26,修订日期:2020-07-19基金项目:宁夏特色果蔬冷链关键技术装备研发与示范项目(018ZDKJ0182),国家自然科学基金项目(1560481)资助作者简介:袁瑞瑞,1994年生,宁夏大学农学院硕士研究生e-mail : **********************通讯作者e-mail 'liugs @宁夏大学农学院,宁夏银川750021摘要利用可见近红外(Vis-NIR )高光谱成像技术对完好和损伤等级灵武长枣进行快速识别检测$采用定量损伤装置得到损伤I , # ,',-和V 级的灵武长枣,借助高光谱成像系统采集完好长枣和损伤长枣样本高光谱图像$提取感兴趣区域(region of interest, ROI)并计算样本平均光谱值$利用光谱-理化值共生距离算法(SPXY)将420个长枣样本按3 : 1的比例划分校正集315个和预测集105个$灵武长枣原始光谱建立 偏最小二乘判别分析(PLS-DA )分类模型,得到校正集和预测集准确率分别为72. 70%和86. 67% &灵武长枣原始光谱数据采用移动平均(MA )、卷积平滑(SG )、多元散射校正(MSC )、正交信号修正(OSC )、基线校准 (baseline )和去趋势(detrending)等方法进行光谱预处理并建立PLS-DA 分类判别模型$通过分析比较,得到MSC-PLS-DA 为最优分类判别模型,校正集准确率为76.19% ,预测集准确率为86.67% ,其中校正集比 原始光谱建模准确率提高了 3. 49% ,预测集准确率较原始光谱建模结果未提高&为了提高建模效果,对灵武长枣原始光谱和预处理后的光谱分别采用连续投影算法(SPA )、无信息变量消除(UVE )、竞争性自适应 加权抽样(CARS )和区间变量迭代空间收缩法(iVISSA)等算法提取特征波长,建立PLS-DA 分类判别模型,结果表明,MSC-CARS-PLS-DA 为最优模型组合,校正集准确率为77.14% ,预测集准确率为89.52% ,建 模准确率较原始光谱建模准确率分别提高了 4. 44%和2.85% $结果表明,Vis-NIR 高光谱成像技术结合 MSC-CARS-PLS-DA 模型可实现灵武长枣损伤等级的快速识别$关键词 灵武长枣&高光谱&定量损伤&等级判别&偏最小二乘判别分析(PLS-DA )中图分类号:TS255文献标识码:ADOI: 10. 3964/j. issn. 1000-0593(2021)04-1182-06引言灵武长枣(Zizyphus jujuba Miller)又名马牙枣,是宁夏优势特色枣果,因其口感甜脆和营养丰富而倍受消费者喜爱[1]$灵武长枣在采摘、运输和加工等过程中,因其皮薄易受到人为或机械等造成的内外部不同程度的损伤,外部损伤可通过观察挑选出,但内部损伤不易识别,将会加速枣果变质,降低质量并增加病原体侵染的风险等,影响消费者购买决策23 $因此,亟需寻找一种快速无损的检测技术实现灵武长枣内部损伤的判别$高光谱成像技术作为一种快速无损高效的检测技术, 近年来已成为研究热点,主要应用于农产品物质含量45)、病虫害6、农药残留7和内外部损伤识别89)等检测$ Wu等〔讪使用Vis-NIR 和NIR 高光谱成像技术检测灵武长枣的破裂、青肿、虫害常见缺陷,识别率均达到93.9%以上;Lu等利用高光谱成像和平行六面体分类法检测奇异果上的暗疮,检测错误率为14.5% $综上所述,利用高光谱技术快速识别水果损伤是可行的$以灵武长枣为研究对象,利用Vis-NIR 高光谱成像技术 结合多种预处理算法、特征波长选择算法及偏最小二乘判别分析(partial least squares-discriminant analysis, PLS-DA)分类模型,可实现灵武长枣机械损伤等级的快速识别,为其他果蔬损伤等级的判别提供参考$1实验部分1.1样本采集从宁夏灵武某果园手工采摘大小颜色一致、完好无损伤的灵武长枣,放入保鲜袋中当天运回实验室,选取420个灵 武长枣贮藏在(0 + 2) h 的冰箱备用$1.2损伤实验第4期光谱学与光谱分析1183如图1所示为3D打印的灵武长枣定量损伤实验装置(2),该装置由试验台、固定支架、活动摆臂和曲率半径为8mm和重量为22g的实心铁半球组成$实验时摆臂初始臂角为57°,铁半球冲击灵武长枣赤道位置一次为I级损伤,两次为#级损伤,依次类推得到损伤等级为I,#,川和V级的灵武长枣$图1灵武长枣定量损伤装置Fig.1Quantitative damage device of Lingwu long jujube1.3高光谱图像校正灵武长枣光谱信息采集前,高光谱系统预热30min$由于CCD摄像头中暗电流的存在和光源在不同波段下强度分布不均匀以及其他因素的影响,造成光谱图像不稳定$因此,参照万国玲等黑白校正法进行高光谱图像校正$1.4光谱数据处理方法1.4.1预处理方法利用移动平均(moving average,MA)%卷积平滑(savitzky golay,SG)%多元散射校正(multiplicative scatter correction,MSC)、正交信号修正(orthogonal signal correc­tions,OSC)、基线校准(baseline)和去趋势(de-trending)等预处理算法可以减少噪声和背景信息的干扰,增加样本光谱数据的有效信息,提高建模的准确性$1.4.2特征波长选择方法连续投影(successive projections algorithm,SPA)算法能够选取冗余最小的变量来解决共线性问题;无信息变量消除(uninformative variable elimination,UVE)算法能够去除一一些噪声变量,提高建模效果&竞争性自适应加权抽样(com-p/titiv/adaptiv/r/w/ight/dsampling,CARS)算法是一种经过多次计算,淘汰误差较大的变量,选择最优特征波段的新型算法$区间变量迭代空间收缩法(interval variable iterative spaceshr9nkageapproach,9VISSA)算法是根据波段和光谱之间的位置和宽度进行组合,从全局和局部选择波长的一种波长选择算法(3)$2结果与讨论2.$光谱分析如图2所示,完整长枣和损伤长枣的平均光谱反射值呈现先低后高的变化趋势,其中在640和900nm左右的波峰,在500,680和970nm左右的波谷,主要是由于表皮叶绿素吸收和红边效应引起等(4)$---Intact0.8n4005006007008009001000W a velength/nm图2原始光谱的平均光谱反射曲线Fig.2AveragereflectionspectraofLingwulongjujubeafterdi f erentpretreatments2.2光谱预处理对灵武长枣PLS-DA等级判别影响利用光谱-理化值共生距离(sample set partitioning based on joint x-y distance,SPXY)算法对420个样本划分校正集1184光谱学与光谱分析第41卷315个和预测集105个,利用MA,SG,MSC,OSC,baseline 和detrending六种算法对样本的原始光谱预处理,建立模型结果如图3,校正集准确率在72.70%〜79.37%之间,预测集准确率在80.00%〜89.52%之间$原始光谱建立的模型中,校正集结果为72.70%,预测集结果为86.67%$6种预处理算法预处理后,较原始光谱校正集的准确率都有提高,其中De-trending方法预处理后准确率比原始光谱提高了6.67%$通过MA,SG和Baseline方法预处理后提高预测集的准确率,准确率分别为8857%,89.52%和8857%, MSC,OSC和De-trending较原始光谱预测集准确率未提高$2.3特征波长对灵武长枣PLS-DA等级判别影响2. 3.1基于原始光谱的PLS-DA分析4种算法对原始光谱选择的特征波长建立的模型结果如表1$校正集结果在67.30%〜69.21%之间,预测集结果在74.29%〜87.62%之间$SPA,UVE和CARS算法提取特征波长建模中校正集结果比原始光谱结果都低&iVISSA算法提取的特征波长建立的模型预测集结果为87.62%,比原始光谱建模结果高$2.3.2基于MA预处理光谱的PLS-DA分析4种算法选择的特征波长建立的模型结果如表2$通过分析,在SPA-PLS-DA和CARS-PLS-DA模型中,预测集准确率都为87.62%,比原始光谱准确率提高了0.95%$其他模型准确率较原始光谱建模均未提高,可能是波长选取过程中剔除了有用信息,建立的模型准确率偏低$表1原始光谱特征波长建立的PLS-DA分类结果Table1Cla s ificationresultsofPLS-DA modelbasedonfeaturewavelengthsoforiginalspectraMethodNumberofwavelengthsCalibrationset PredictionsetSamples Detected Accuracy/%Samples Detected Accuracy/%SPA3231521267.301058883.81 UVE5131521869.211057874.29 CARS5031521869.211058480.00 iVISSA4631521467.941059287.62表2MA预处理光谱特征波长建立的PLS-DA分类结果Table&Cla s ificationresultsofPLS-DA modelbasedonfeaturewavelengthsofMApretreatedspectraMethodNumberofwavelengthsCalibrationset PredictionsetSamples Detected Accuracy/%Samples Detected Accuracy/%SPA4231522270.481059287.62 UVE3531521267.301058782.86 CARS6231523373.971059287.62 iVISSA5431519963.171058379.052.3.3基于SG预处理光谱的PLS-DA分析4种算法选择的特征波长建立的模型结果如表3$SPA 提取的特征波长建立的模型中校正集准确率未提高,预测集准确率为87.67%,提高了0.95%&UVE提取特征波长建立的模型准确率较原始光谱建模均未提高&CARS-PLS-DA模型中,校正集准确率和原始光谱模型准确率都为72.70%,预测集准确率比原始光谱模型准确率提高了0.95%,为87.62%&iVISSA-PLS-DA模型中,模型中校正集准确率未提高,预测集准确率提高了 3.81%,为90.48%$2.3.4基于MSC光谱的PLS-DA分析4种算法选择的特征波长建立的模型结果如表4$SPA 和iVISSA选择的特征波长建立的模型准确率较原始光谱建模均未提高&UVE提取特征波长建立的模型中,校正集结果为74.29%,比原始光谱结果提高了159%,预测集结果为84.76%$CARS提取特征波长建立的模型中,校正集准确率比原始光谱提高了 4.44%,为77.14%,预测集准确率比原始光谱建模也提高了2.85%,为89.52%$表3SG预处理光谱特征波长建立的PLS-DA分类结果Table3Classification results of PLS-DA model based on feature wavelengths of SG pretreated spectraMethodNumberofwavelengthsCalibrationset PredictionsetSamples Detected Accuracy/%Samples Detected Accuracy/%SPA3731521768.891059287.62 UVE5431521668.571059085.71 CARS3231522972.701059287.62 iVISSA4131522370.791059590.48第4期光谱学与光谱分析1185表4MSC预处理光谱特征波长建立的PLS-DA分类结果Table4Classification results of PLS-DA model based on feature wavelengths of MSC pretreated spectraMethodNumberofwavelengthsCalibrationset PredictionsetSamples Detected Accuracy/%Samples Detected Accuracy/%SPA283"52"367.62"059085.7"UVE533"523474.29"058984.76CARS693"524377."4"059489.52iVISSA443"520765.7""058984.762.3.5基于OSC光谱的PLS-DA分析4种算法选择的特征波长建立的模型结果如表5$SPA 和UVE提取特征波长建立的模型中,建模结果较原始光谱建模结果均未提高$CARS提取特征波长建立的模型中!校正集准确率为75.87%,比原始光谱建立的模型准确率提高了 3.17%&预测集准确率为86.67%!与原始光谱建立的模型准确率一样$iVISSA-PLS-DA模型中,校正集准确率为73.33%&预测集准确率未提高$2.3.6基于Baseline光谱的PLS-DA分析4种算法选择的特征波长建立模型结果如表6$SPA-PLS-DA模型中!结果较原始光谱建模结果未提高&UVE-PLS-DA模型中!校正集比原始光谱建模结果低!预测集与原始光谱建模结果都为86.67%&CARS-PLS-DA模型中,校正集和预测集结果都有提高!校正集结果为74.92%,比原始光谱结果提高2.22%&预测集结果为8857%,比原始光谱结果提高1.90%$iVISSA-PLS-DA模型中,预测集准确率为88.57%,较原始光谱准确率提高1.90%&校正集准确率未提高$2.3.7基于De-trending光谱的PLS-DA分析4种算法选择的特征波长建立的模型结果如表7$SPA-PLS-DA模型中,校正集准确率较原始光谱建模准确率未提高&UVE,CARS和iVISSA提取特征波长建立的模型中,校正集结果较原始光谱都有提高,UVE-PLS-DA模型校正集准确率比原始光谱建模提高了 4.44%,CARS-PLS-DA模型校正集准确率比原始光谱建模提高了 2.22%,iVISSA-PLS-DA模型校正集结果比原始光谱建模结果提高了 1.59%,预测集结果较原始光谱建模均未提高$表5OSC预处理光谱特征波长建立的PLS-DA分类结果Table5Cla9ificationre9ult9ofPLS-DA modelba9edonfeaturewavelength9ofOSCpretreated9pectraMethodNumberofwavelengthsCalibrationset PredictionsetSamples Detected Accuracy/%Samples Detected Accuracy/%SPA233"52"367.62"05868".90UVE 3"3"53"267.30"058883.8"CARS623"523975.87"059"86.67iVISSA623"523"73.33"058984.76表6Baseline预处理光谱特征波长建立的PLS-DA分类结果Table6Cla9ificationre9ult9ofPLS-DA modelba9edonfeaturewavelength9ofba9elinepretreated9pectraMethodNumberofwavelengthsCalibrationset PredictionsetSamples Detected Accuracy/%Samples Detected Accuracy/%SPA263"52257".43"058782.86UVE583"522270.48"059"86.67CARS693"523674.92"059388.57iVISSA543"522270.48"059388.57表7Detrending预处理光谱特征波长建立的PLS-DA分类结果Table7Classification results of PLS-DA model based on feature wavelengths of de-trending pretreated spectraMethodNumberofwavelengthsCalibrationset PredictionsetSamples Detected Accuracy/%Samples Detected Accuracy/%SPA353"522772.06"058580.95UVE493"524377."4"058379.05CARS433"523674.92"058782.86iVISSA643"523474.29"058"77."41186光谱学与光谱分析第41卷3结论利用Vis-NIR高光谱成像技术对完好和损伤状态(&, #!'!-和/级)的灵武长枣进行快速识别检测$在原始光谱建立的PLS-DA模型中!模型中校正集结果为72.70%!References 预测集结果为86.67%&预处理后光谱建立的PLS-DA模型,得到MSC-PLS-DA为最佳模型组合!模型校正集准确率为76.19%!预测集准确率为86.67%&特征波长建立的模型中!得到MSC-CARS-PLS-DA为最优模型组合,校正集准确率为77.14%!预测集准确率为89.52%$因此,Vis-NIR高光谱成像技术可用于灵武长枣损伤等级的快速识别检测$(1)Jiang W Q,Chen L H,Han Y R,et al Scientia Horticulturae,2020,274:109667.(2)Yu Keqiang,Zhao Yanru,Li Xiaoli,et al Computers and Electronics in Agriculture,2014,103: 1.(3)Lee Wang-Hee,Kim Moon S,Lee Hoonsoo,et al Journal of Food Engineering,2014,130:1(4)CHENG Li-juan,LIU Gui-shan,WAN Guo-ling,et al(程丽娟,刘贵珊,万国玲,等).Chinese Journal of Luminescence"发光学报),2019,40(8):1055.(5)Escribanoa S,Biasia W V,Lerud R,et al Postharvest Biology and Technology,2017,128:112.(6)Ahmad M N,Shariff A R M,Moslim R.Applied Spectroscopy Reviews,2018,53:836.(7)Li M,Zhang X Y,Jiang Q.IOP Conf.Ser.:Mater.Sci.Eng.,2018,466:012064.(8)Li Jiangbo,Chen Liping,Huang Wenqian,et al Postharvest Biology and Technology,2018,135:104.(9)Baranowski Piotr,Mazurek Wojciech,Wozniak Joanna,et al Journal of Food Engineering,2012,110:345.(10)Wu Longguo,He Jianguo,LiuGuishan,et al Postharvest Biology and Technology,2016,112:134.(11)Lu Qiang,Tang Mingjie.Procedia Environmental Sciences,2012,12:1172.(12)Ye Dandan,Sun Laijun,Tan Wenyi,et al Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems,2018,177:129.(13)SongXiangzhong!HuangYue!Yan Hong!etal AnalyticaChimicaActa!2016!948:19(14)SiedliskaA!BaranowskiP!Zubik M!etal PostharvestBiologyandTechnology!2018!139:115Quantitative Damage Identification of Lingwu Long Jujube Based on Visible Near-Infrared Hyperspectral ImagingYUAN Rui-rui,LIU Gui-shan*,HE Jian-guo,KANG Ning-bo,BAN Jing-jing,MA Li-minSchoolofAgriculture!NingxiaUniversity!Yinchuan750021!ChinaAbstract The visible near-infrared(Vis-NIR)hyperspectral imaging technology was used to identify the intact and damaged Lingwu long jujube rapidly.In this study,damage grades,including&,#,',—and/of Lingwu long jujubes were obtainedbyusingquantitativedamagedevices.Hyperspectralimagesofintactanddamagedsamples wereco l ectedbyusinga hyperspectralimagingsystem.Regionofinterest(ROI)was extracted from the image and average spectral values of samples werecalculated.Samplesetpartitioningbasedonjointx-ydistance(SPXY)wasusedtodividea l samples(420)intocalibration sets(315)and prediction sets(105)in a ratio of3: 1.The partial least squares discriminant analysis(PLS-DA)classification modelwasestablishedfortheoriginalspectrum andtheaccuraciesofthecalibrationsetandpredictionsetwere72.70%and 86.67%respectively.The original spectrum of Lingwu long jujube was preprocessed by meansof movingaverage(MA) SavitzkyGolay(SG)multiplicativesca t ercorrection(MSC)orthogonalsignalcorrections(OSC)baselineandde-trending. PLS-DA classification model was established after pretreatment.The results showed that in the PLS-DA classification model establishedbyspectrumpreprocessedbydi f erentpretreatmentalgorithms.Throughanalysisandcomparison itwasfoundthat MSC-PLS-DA wastheoptimalmodelcombination.Intheestablishedclassificationdiscrimination model theaccuraciesofthe calibration set and prediction set were76.19%and86.67%,respectively.The accuracy of the calibration set was3.49%higher thanthatoftheoriginalspectralmodeling andtheaccuracyofthepredictionsetwasnothigherthanthatoftheoriginalspectral modeling.Originalspectraland spectralafter pretreatment was used to extractfeature wavelengths using the successive projections algorithm(SPA),uninformative variable elimination(UVE),competitive adaptive reweighted sampling(CARS)and intervalvariableiterativespaceshrinkageapproach(iVISSA)and established the PLS-DA classification modelbasedonthe featurewavelengths.Theresultsshowedthat MSC-CARS-PLS-DA wastheoptimalclassification model theaccuracyofthe calibration set was77.14%,the accuracy of the prediction set was89.52%.The modeling accuracy was improved by4.44%第4期光谱学与光谱分析1187and2.85%respectivelycompared withtheoriginalspectralmodelingaccuracy.Theaboveresearchshowedthatthe Vis-NIR hyperspectral imaging technology combined with MSC-CARS-PLS-DA modelcouldrealizetherapididentification oflingwu RuRubedamagegrade.Keywords Lingwu long jujube;Hyperspectral&Quantitative damage&Level discriminant;Partial least squares-discriminant analysis(PLS-DA)(Received Mar.26,2020;accepted Jul.19,2020)%Correspondingauthor敬告读者一《光谱学与光谱分析》已全文上网从2008年第7期开始在《光谱学与光谱分析》网站()"在线期刊''栏内发布《光谱学与光谱分析》期刊全文,读者可方便地免费下载摘要和PDF全文,欢迎浏览、检索本刊当期的全部内容;并陆续刊出自2004年以后出版的各期摘要和PDF全文内容。

近红外光谱技术检测灵武长枣果肉硬度和贮藏时间

近红外光谱技术检测灵武长枣果肉硬度和贮藏时间

江苏农业学报(JiangsuJ.ofAgr.Sci.)ꎬ2019ꎬ35(1):182~188http://www.jsnyxb.com彭雅玲ꎬ邱㊀雪ꎬ张海红ꎬ等.近红外光谱技术检测灵武长枣果肉硬度和贮藏时间[J].江苏农业学报ꎬ2019ꎬ35(1):182 ̄188.doi:10.3969/j.issn.1000 ̄4440.2019.01.026近红外光谱技术检测灵武长枣果肉硬度和贮藏时间彭雅玲ꎬ㊀邱㊀雪ꎬ㊀张海红ꎬ㊀吴宝婷ꎬ㊀朱韵昇(宁夏大学农学院ꎬ宁夏银川750021)收稿日期:2018 ̄05 ̄02基金项目:国家自然科学基金地区科学基金项目(31860422)ꎻ宁夏高校科学研究项目(NGY2016019)作者简介:彭雅玲(1993 ̄)ꎬ女ꎬ甘肃白银人ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为农产品无损检测ꎮ(E ̄mail)m18341654254_2@163.com通讯作者:张海红ꎬ(E ̄mail)nxdwjyxx@126.com㊀㊀摘要:㊀利用近红外光谱(400~1000nm)系统采集140个灵武长枣样本的光谱信息ꎬ采用不同方法预处理原始光谱数据ꎬ优选出最佳预处理方法ꎮ分别建立竞争性自适应加权算法(CARS)和连续投影算法(SPA)提取特征变量的果肉硬度偏最小二乘回归(PLSR)预测模型ꎬ并利用原始光谱建立灵武长枣贮藏时间的偏最小二乘判别(PLS ̄DA)模型ꎮ结果表明ꎬ去趋势法(Detrend)为最优预处理方法ꎻ建立的Detrend ̄CARS ̄PLSR模型效果较好ꎬ果肉平均硬度校正集和预测集模型相关系数均为0 868ꎻ果肉最大硬度校正集和预测集模型相关系数分别为0 914㊁0 849ꎮ建立的贮藏时间PLS ̄DA判别模型的校正集判别准确率为98%ꎬ预测集判别准确率为99%ꎮ说明ꎬ采用近红外光谱技术对灵武长枣贮藏过程中长枣果肉硬度和贮藏时间的快速预测具有可行性ꎮ关键词:㊀近红外光谱ꎻ果肉硬度ꎻ贮藏时间中图分类号:㊀S665.1㊀㊀㊀文献标识码:㊀A㊀㊀㊀文章编号:㊀1000 ̄4440(2019)01 ̄0182 ̄07Near ̄infraredspectroscopyforthedeterminationofhardnessandstoragetimeofjujubefruitPENGYa ̄lingꎬ㊀QIUXueꎬ㊀ZHANGHai ̄hongꎬ㊀WUBao ̄tingꎬZHUYun ̄sheng(CollegeofAgronomyꎬNingxiaUniversityꎬYinchuan750021ꎬChina)㊀㊀Abstract:㊀Spectralinformationof140Lingwulongjujubesampleswascollectedbyusingnear ̄infraredspectroscopy(400-1000nm).Differentmethodswereappliedtopreprocesstheoriginalspectrumꎬandtheoptimalpretreatmentmethodwasselected.Thecompetitiveadaptivereweighedsampling(CARS)andsuccessiveprojectionsalgorithm(SPA)wereusedtoselectcharacteristicwavelengthsꎬandthepartialleastsquaresregression(PLSR)modelwasestablishedbasedoncharacter ̄isticwavelengthsforpredictingfleshfirmnessofLingwulongjujube.Thepartialleastsquaresdiscriminateanalysis(PLS ̄DA)modelsoflongjujubestoragetimewereestablishedbasedonfullspectrum.TheresultsindicatedthattheDetrendmeth ̄odwastheoptimalpretreatmentmethodꎬtheDetrend ̄CARS ̄PLSRmodelwasthebestꎬandcorrelationcoefficientsofaveragefleshfirmnessforcalibrationsetandpredictionsetwere0.868and0.868ꎬandcorrelationcoefficientsofmaximumfleshfirm ̄nessforcalibrationsetandpredictionsetwere0.914and0.849ꎬrespectively.ThePLS ̄DAdiscriminantmodelofstoragetimewasestablishedandthediscriminationaccuracyofcalibrationsetandpredictionsetwere98%and99%.InconclusionꎬitisfeasibletopredictfleshfirmnessandstoragetimeofLingwulongjujubebasedonnear ̄infraredspectroscopytechnique.Keywords:㊀near ̄infraredspectroscopyꎻfleshfirmnessꎻstoragetime㊀㊀灵武长枣是宁夏的优势特色果品ꎬ其外形独特ꎬ色艳个大ꎬ鲜脆可口ꎬ酸甜适宜ꎬ且富含多种矿物质和维生素ꎬ倍受消费者的青睐ꎬ被誉为 枣中之王 [1]ꎮ灵武长枣素以鲜食为主ꎬ果肉硬度等质构参数是衡量长枣品质的重要指标[2]ꎮ目前ꎬ枣果的281硬度参数主要采用硬度计或质构仪对枣果进行整果穿刺测试ꎮ硬度计测试精度易受外界干扰因素的影响ꎬ如测试者用力大小和探头规格及削皮厚度ꎬ均会使测试数据产生较大的测量误差[3]ꎮ穿刺测试虽能够较好地反映整个果实的流变学特征[4]ꎬ但测试已造成枣果破损ꎬ使其失去了商品价值ꎬ因此研究一种鲜枣果肉硬度的无损快速检测方法意义明显ꎮ近红外光谱技术(NIRS)是现代光谱分析技术㊁计算机技术和现代化学计量学的高度集合体ꎬ是一种多信息融合检测技术ꎬ可同时获取样品空间各点的光谱ꎬ从而进一步得到空间各点的组成和结构信息[5 ̄6]ꎮ近年来ꎬ基于近红外光谱技术的快速无损检测技术的研究与开发受到了国内外学者的广泛关注[7 ̄10]ꎮ闫润等[11]应用近红外光谱技术ꎬ通过提取少量特征光谱信息ꎬ建立了草莓品质的PLSR ̄ANN校正模型ꎬ实现了草莓品种的快速鉴别ꎮ刘燕德等[12]采用可见/近红外漫透射光谱技术ꎬ进行了黄桃表面缺陷与可溶性固形物同时在线检测的研究ꎬ表面缺陷果的正确判断率为100%ꎬ可溶性固形物分选准确率达到93%ꎮNICOLAI等[13]利用近红外漫反射光谱技术在波长800~1690nm内ꎬ采用PLSR法建立的苹果糖含量预测模型预测效果较好ꎮMa等[14]利用近红外光谱技术建立的苹果可溶性固形物含量的PLSR预测模型取得了较好的预测效果ꎬ模型的交叉验证决定系数为0.89ꎬ交叉验证的均方根误差为0 05%ꎮ但是基于近红外光谱技术针对果品果肉硬度的预测却鲜有报道ꎬ有待进一步的深入研究ꎮ本研究拟以宁夏灵武长枣为研究对象ꎬ利用近红外光谱仪ꎬ采集灵武长枣400~1000nm的原始光谱信息ꎮ分别选取多种预处理方法ꎬ根据PLSR建模效果ꎬ优选最佳预处理方法ꎮ应用CARS和SPA提取特征变量ꎬ分别建立基于全波段和特征波段的PLSR枣果肉平均硬度和最大硬度预测模型ꎬ优选最佳预测模型ꎮ运用PLS ̄DA建立灵武长枣贮藏时间的判别模型ꎬ为鲜食果品果肉硬度的快速无损检测和贮存期判别提供理论依据ꎮ1㊀材料与方法1.1㊀测试材料灵武长枣采摘自宁夏灵武市大泉林场红枣生产基地ꎬ去除灰尘后在室温下贮藏ꎮ为减少样本个体差异对试验结果的影响ꎬ共选出大小形状相似㊁成熟度一致ꎬ无病害㊁无损伤的140个测试样本ꎬ每天从中随机取出20个样本进行光谱和硬度测量ꎬ连续测量7dꎮ1.2㊀试验方法1.2.1㊀近红外光谱数据采集㊀近红外光谱仪主要由光谱成像仪㊁CCD相机㊁光纤卤素灯(150W)㊁电控位移平台㊁计算机及数据采集软件(Spectralcube)等组成ꎬ其波长范围为400~1000nmꎬ分辨率为2 5nmꎬ共有125个波段ꎮ光谱信息采集时ꎬ根据预试验设置相机曝光时间为33msꎬ电控位移平台速度为220μm/sꎬ扫描线实际长度为60mmꎮ为了消除由摄像头中的暗电流和各波段下光源强度分布不均所产生的噪声ꎬ采集光谱图像前需要进行黑白校正[15]ꎬ公式如下:R=(R0-D)/(W-D)ˑ100式中ꎬR为校正后的漫反射光谱图像数据ꎬR0为样本原始的漫反射光谱图像数据ꎬD为暗图像数据ꎬW为白板的漫反射图像数据ꎮ得到的原始光谱反射曲线如图1所示ꎮ图1㊀灵武长枣果肉硬度原始光谱反射曲线Fig.1㊀OriginalspectrumoffleshfirmnessofLingwulongjujube1.2.2㊀硬度测量㊀利用TA.XTPlus物性仪及其自带软件TextureExponent32ꎬ选用P/2n针状探头(直径2mm)ꎬ选整枣赤道阴阳两面上的2点ꎬ以整果穿刺法进行枣果硬度的测试[16]ꎮ设置测前速度5mm/sꎬ贯入速度1mm/sꎬ测后速度5mm/sꎬ最小感知力5gꎬ穿刺深度5mmꎮ1.2.3㊀数据处理分析㊀由于样本的不均匀性ꎬ采集到的单个点的光谱信息仅能代表某一点的光谱ꎬ不能代表整个样本的信息ꎬ若取整个灵武长枣表面的光谱信息的平均值则更能代表整个样本的信息ꎬ真实的反应整个样本[17]ꎮ本研究拟利用ENVI4.6软381彭雅玲等:近红外光谱技术检测灵武长枣果肉硬度和贮藏时间件选择恰当的感兴趣区域ꎬ提取平均光谱值ꎮ采集到的原始光谱中主要包含样本信息ꎬ但也可能含有由仪器漂移和光散射导致的系统噪音ꎬ为了开发出更精确的光谱模型ꎬ需运用预处理方法来校正原始光谱以减少不需要的信息[18]ꎮ本研究利用Un ̄scramblerX10.4软件采用卷积平滑SG㊁归一化Nor ̄malize㊁基线校准Baseline㊁标准正态变量SNV㊁去趋势Detrend5种预处理方法对原始光谱进行预处理ꎮ光谱信息之间存在大量的冗余和共线性信息特征ꎬ对光谱有效信息的提取产生较大的干扰ꎬ且大量光谱数据会增加数据处理的负担[19]ꎮ特征波长提取是通过某种变换ꎬ使原始光谱数据从高维空间映射到低维空间ꎬ从而实现数据快速降维ꎬ并且得到有用的㊁可靠的数据[20]ꎮ本研究拟用Matlab2014软件对经预处理后的光谱采用竞争性正自适应加权算法(CompetitiveadaptivereweightedsamplingꎬCARS)和连续投影算法(SuccessiveprojectionalgorithmꎬSPA)进行特征波长的选择ꎮ1.2.4㊀建模方法㊀本研究采用PLSR法建立灵武长枣果肉硬度的预测模型ꎬ以校正均方根误差(RM ̄SEC)㊁校正相关系数(rc)以及预测均方根误差(RMSEP)㊁预测相关系数(rp)㊁交叉验证相关系数(rcv)㊁交叉验证均方根误差(RMSECV)作为评价指标来判断所建模型的精确性ꎬ相关系数(r)越大ꎬ均方根误差(RMSE)越小ꎬ表明模型精度越好[21]ꎮPLS ̄DA算法是基于PLS回归模型建立的判别分析算法[22 ̄23]ꎬ运用PLS ̄DA法通过建立光谱数据与类别特征之间的回归模型ꎬ进行灵武长枣贮藏期判别分析[24]ꎮ其中PLSR模型建立在UnscramblerX10.4中实现ꎬPLS ̄DA算法在Matlab2014a中完成ꎮ2㊀结果与分析2.1㊀样本果肉硬度测定结果采用SPXY法将140个样本以3ʒ1的比例划分为校正集和预测集ꎬ最终选取校正集样本105个ꎬ预测集样本35个ꎮ表1为灵武长枣校正集和预测集果肉硬度统计结果ꎮ从表1可知ꎬ校正集的果肉平均硬度和最大硬度范围分别为46.359~278 547g㊁71.750~471 047gꎬ预测集范围分别为58.821~272 408g㊁74.882~457 807gꎬ即校正集的硬度范围较大ꎬ校正集变化范围包含预测集ꎬ且校正集与预测集硬度平均值相差不大ꎬ表明样本集划分合理ꎮ校正集和预测集的变异性均不低于0 203ꎬ表明在本试验中选取的样本具有很强的代表性ꎮ表1㊀灵武长枣果肉硬度值Table1㊀FleshfirmnessvalueofLingwulongjujube指标样品集样品数最大值(g)最小值(g)平均值(g)变异性果肉平均硬度校正集105278.54746.359203.8690.203预测集35272.40858.821210.6200.247果肉最大硬度校正集105471.04771.750344.1540.222预测集35457.80774.882355.1290.268变异性=标准差/平均值ꎮ㊀㊀由图2可以看出ꎬ随着贮藏时间的延长ꎬ果肉平均硬度和最大硬度均逐渐降低ꎬ其主要原因可能是酶水解细胞壁多糖ꎬ使果胶㊁纤维素㊁半纤维素等细胞壁组分发生降解ꎬ细胞壁结构解体ꎬ胞间连丝消失ꎬ细胞趋于分散从而导致果实软化[25]ꎮ2.2㊀灵武长枣硬度预测模型的建立与分析2.2.1㊀光谱预处理对预测结果的影响㊀分别选用SG㊁Normalize㊁Baseline㊁SNV㊁Detrend5种预处理方法对原始光谱进行预处理ꎬ并以预处理后的光谱信息建立了灵武长枣果肉平均硬度和最大硬度的PLSR预测模型ꎬ比较研究全波段及不同预处理方图2㊀贮藏时间对灵武长枣果肉硬度的影响Fig.2㊀EffectofstoragetimeonfleshfirmnessofLingwulongjujube481江苏农业学报㊀2019年第35卷第1期法对预测模型的影响ꎬ分析结果如表2所示ꎮ表2㊀不同预处理方法的PLSR模型效果Table2㊀EffectofPLSRmodelwithdifferentpretreatmentmethods指标㊀㊀预处理方法㊀㊀主成分数校正集rcRMSEC交互验证rcvRMSECV预测集rpRMSEP果肉平均硬度原始光谱100.83522.7190.66631.5530.67441.573SG120.85021.7440.74227.9680.67152.084Normlize100.86220.9170.70930.0290.72738.296Baseline150.88119.5310.70630.4960.68344.260SNV60.78025.8160.69829.6780.70038.352Detrend90.86320.8180.72328.8160.73337.408果肉最大硬度原始光谱120.86138.6170.72453.9480.66980.616SG120.85040.0380.75050.7640.64597.743Normlize100.86338.4000.72253.9020.69573.991Baseline150.88335.6460.71755.3320.63587.161SNV60.77348.2380.69454.8800.67372.181Detrend100.87636.5960.73952.3210.71071.229rc:校正相关系数ꎻRMSEC:校正均方根误差ꎻrcv:交叉验证相关系数ꎻRMSECV:交叉验证均方根误差ꎻrp:预测相关系数ꎻRMSEP:预测均方根误差ꎮ㊀㊀由表2可以看出ꎬ经预处理后模型效果都有不同程度的变化ꎬ其中Detrend预处理可明显提高建模效果ꎮ平均硬度的Detrend ̄PLSR模型rc㊁rp和rcv分别为0 863㊁0 733和0 723ꎬ且RMSEC及RMSEP和RMSECV较小ꎮ最大硬度的Detrend ̄PLSR模型rc㊁rp和rcv分别为0 876㊁0 710和0 739ꎮ综合评价ꎬ采用Detrend方法对原始光谱进行预处理效果最佳ꎮ2.2.2㊀全波段和特征波段下的模型分析2.2.2.1㊀特征变量提取与分析㊀CARS方法提取特征波时ꎬ设定蒙特卡洛抽样次数从5~50次ꎬ均采用5折交叉验证法计算ꎬ结果如图3㊁图4所示ꎬ由图3a㊁图4a看出ꎬ随着运行次数增加ꎬ变量数的下降趋势由前段快速减少到后段逐渐平缓ꎬ反映了CARS的先 粗选 和后 精选 过程ꎻ图3b㊁图4b反映交叉验证均方根误差(RMSECV)的变化趋势ꎬ随着运行次数的增加ꎬRMSECV值先减少后增大ꎬ先减少表明筛选过程剔除与样本性质无关的变量ꎬ后又增大则可能剔除了关键变量ꎬ从而导致残差增大ꎻ图3c㊁图4c表示回归系数的变化趋势ꎮ通过此方法ꎬ分别优选出16个和22个特征波变量ꎬ占全波段的12 8%和17 6%ꎬ表明通过波长变量筛选ꎬ可有效降低模型的复杂程度ꎬ提高预测效率ꎮa:采样变量数筛选ꎻb:交叉验证均方根误差变化ꎻc:回归系数变化ꎮ图3㊀果肉平均硬度CARS特征变量选取Fig.3㊀SelectionofCARScharacteristicvariablesforoveragefleshfirmness㊀㊀SPA是一种向前循环算法ꎬ它通过多次迭代选择出冗余信息最少的变量组ꎬ能够解决信息重叠㊁共线性等问题ꎬ避免再从大量数据中选择有代表性的数据ꎬ极大地调高了模型的效率[26]ꎮ设定SPA选取的波长数为5~30ꎬ图5是均方根误差与有效波长581彭雅玲等:近红外光谱技术检测灵武长枣果肉硬度和贮藏时间a:采样变量数筛选ꎻb:交互验证均方根误差变化ꎻc:回归系数变化ꎮ图4㊀果肉最大硬度CARS特征变量选取结果Fig.4㊀SelectionofCARScharacteristicvariableformaximumfleshfirmness数的关系ꎬ以均方根误差值确定有效特征变量数ꎬ由图5a和5b看出ꎬ从125个波段中分别筛选出8个和7个特征变量ꎮa:果肉平均硬度ꎻb:果肉最大硬度ꎮ图5㊀基于SPA的变量筛选Fig.5㊀WavelengthsselectedbySPA2.2.2.2㊀特征波段与全波段PLSR模型比较与分析㊀表3是特征波段与全波段PLSR模型比较ꎬ由表3可以看出ꎬ全波段的校正和验证模型的相关系数分别为0 863和0 733ꎻ采用CARS法处理后特征波长下果肉平均硬度的校正和验证模型的相关系数均为0 868ꎬ果肉最大硬度的校正和验证模型相关系数分别为0 914和0 849ꎮ分析可知ꎬ采用CARS法提取特征波长后的模型r较高且RMSE和全波段模型相比较低ꎮ在特征波长下的光谱具有较低的维数ꎬ减小了数据的冗余ꎬ有利于实现在线快速检测ꎬ因此通过CARS提取特征波长建立的模型优于全波段建立的模型ꎬ可用CARS法选取的特征波长替代全波段数据进行建模分析ꎮ2.3㊀灵武长枣贮藏时间判别模型的建立与分析本研究在全波段范围内ꎬ以校正集原始光谱建立灵武长枣贮藏期的PLS ̄DA判别模型ꎮ在建立PLS ̄DA模型前需要确定最佳主因子数ꎬ主因子数初始范围为1~20ꎬ步长为1ꎬ交叉验证组数为5ꎬ分别建立PLS ̄DA模型ꎬ以校正集判别正确率㊁交叉验证判别正确率及方差解释率作为评价指标ꎮ选取校正集的判别正确率㊁交叉验证判别正确率及方差解释率最高时所对应的主因子数作为最佳主因子数ꎮ校正集判别正确率㊁交叉验证判别正确率和方差解释率与主因子数的关系见表4所示ꎮ由表4可知ꎬ主因子数在8~20时ꎬ方差解释率均为100%ꎮ主因子数为20时校正集判别正确率达到100%ꎬ且交叉验证判别正确率达到最大值ꎮ当主因子数为15时ꎬ校正集判别正确率为98%ꎬ交叉验证判别正确率为83%ꎮ考虑到主因子数小ꎬ更有利于模型的稳定性ꎬ因此本试验PLS ̄DA模型的最佳主因子数最终选取15ꎮ㊀㊀综上ꎬ确定最佳主因子数为15ꎬ通过105个校正样本训练模型ꎬ得到PLS ̄DA判别模型对灵武长枣贮藏时间的判别率达98%ꎬ为了进一步验证所建立的PLS ̄DA模型ꎬ将未参与建模的35个验证集样品的原始光谱代入上述PLS ̄DA校正模型并计算贮藏时间判别正确率ꎬ其判别正确率为99%(1个第1d的样本误判为第7d)ꎮ由此可见ꎬ所建模型的可靠性和预测能力较好ꎬ可有效鉴别灵武长枣的贮藏时间ꎮ3㊀结论本研究利用400~1000nm的近红外光谱技术对灵武长枣的贮藏时间及贮藏过程中果肉硬度进行无损检测鉴别ꎮ通过对比不同预处理方法建模后的效果ꎬ优选出最佳预处理方法ꎬ对最佳预处理后的光681江苏农业学报㊀2019年第35卷第1期表3㊀特征波段与全波段PLSR模型比较Table3㊀Comparisonofcharacteristicbandsandfull ̄bandPLSRmodels指标㊀㊀㊀模型㊀㊀㊀波点数校正集rcRMSEC交互验证rcvRMSECV预测集rpRMSEP果肉平均硬度FS ̄PLSR1250.86320.8180.72328.8160.73337.408CARS ̄PLSR160.86820.5190.80924.3720.86825.799SPA ̄PLSR80.71328.9530.62532.3660.81232.993果肉最大硬度FS ̄PLSR1250.87636.5960.73952.3210.71071.299CARS ̄PLSR220.91430.8760.85639.6510.84951.584SPA ̄PLSR70.71253.3900.62259.9020.78662.040rc㊁RMSEC㊁rcv㊁RMSECV㊁rp㊁RMSEP见表2注ꎮ表4㊀主因子数与校正集和交叉验证判别正确率及方差解释率的关系Table4㊀Therelationshipbetweenthenumberofmainfactorsandthecorrectnessofthecalibrationsetandcross ̄validationandtheinterpretationrateofvariance主因子数校正集判别正确率(%)交叉验证判别正确率(%)方差解释率(%)1211667227247933126874362996545399865644997655299871641009827010010877510011867710012898010013928210014957910015988310016988410017998610018100881001999871002010091100谱进行特征变量提取ꎬ并建立了Detrend ̄CARS ̄PLSR果肉硬度模型ꎮ试验结果表明ꎬ基于近红外光谱检测技术的灵武长枣果肉硬度预测是可行的ꎮ利用校正集原始光谱采用PLS ̄DA法建立灵武长枣贮藏时间判别模型ꎬ校正和交叉验证判别正确率均达80%以上ꎬ经预测集光谱验证后判别正确率达99%ꎬ所建模型可靠性和预测能力较好ꎬ可有效鉴别灵武长枣的贮藏时间ꎬ说明近红外光谱检测技术可有效预测灵武长枣的贮藏时间ꎮ参考文献:[1]㊀吴龙国ꎬ王松磊ꎬ康宁波ꎬ等.基于高光谱成像技术的灵武长枣缺陷识别[J].农业工程学报ꎬ2015ꎬ31(20):281 ̄286. [2]㊀姚㊀佳ꎬ胡小松ꎬ廖小军ꎬ等.高静压对果蔬制品质构影响的研究进展[J].农业机械学报ꎬ2013ꎬ44(9):118 ̄124ꎬ117. [3]㊀马庆华ꎬ王贵禧ꎬ梁丽松ꎬ等.冬枣的穿刺质地及其影响因素[J].林业科学研究ꎬ2011ꎬ24(5):596 ̄601.[4]㊀梁㊀静ꎬ孙㊀锐ꎬ孙㊀蕾ꎬ等.不同品种果桑穿刺试验质构特性分析[J].山东林业科技ꎬ2017ꎬ47(5):26 ̄30.[5]㊀杜雪燕ꎬ王㊀迅ꎬ柴沙驼ꎬ等.基于近红外光谱的天然牧草CNCPS组分分析与预测[J].江苏农业学报ꎬ2015ꎬ31(5):1115 ̄1123.[6]㊀HUANGJꎬPENGS.ComparisonandstandardizationamongChlo ̄rophyllmetersintheirreadingsonriceleaves[J].PlantProductionScienceꎬ2004ꎬ7(1):97 ̄100.[7]㊀石鲁珍ꎬ陈㊀杰ꎬ张树艳ꎬ等.基于蒙特卡洛法红枣光谱水分模型研究[J].江苏农业科学ꎬ2018ꎬ46(14):205 ̄208. [8]㊀陈㊀辰ꎬ鲁晓翔ꎬ张㊀鹏ꎬ等.基于可见 ̄近红外漫反射光谱技术的葡萄贮藏期间可溶性固形物定量预测[J].食品科学ꎬ2015ꎬ36(20):109 ̄114.[9]㊀CARAMESETSꎬALAMARPDꎬPOPPIRJꎬetal.Qualitycon ̄trolofcashewappleandguavanectarbynearinfraredspectroscopy[J].JournalofFoodComposition&Analysisꎬ2017ꎬ56:41 ̄46. [10]PAZPꎬSANCHEZMTꎬPEREZMARINDꎬetal.EvaluatingNIRinstrumentsforquantitativeandqualitativeassessmentofin ̄tactapplequality[J].JournaloftheScienceofFood&Agricul ̄tureꎬ2009ꎬ89(5):781 ̄790.[11]闫㊀润ꎬ王新忠ꎬ邱白晶ꎬ等.基于特征光谱的草莓品种快速鉴781彭雅玲等:近红外光谱技术检测灵武长枣果肉硬度和贮藏时间别[J].农业机械学报ꎬ2013ꎬ44(9):182 ̄186.[12]刘燕德ꎬ吴明明ꎬ孙旭东ꎬ等.黄桃表面缺陷和可溶性固形物光谱同时在线检测[J].农业工程学报ꎬ2016ꎬ32(6):289 ̄295. [13]NICOLAIBMꎬTHERONKIꎬLAMMERTYNJ.KernelPLSre ̄gressiononwavelettransformedNIRspectraforpredictionofsugarcontentofapple[J].Chemometrics&IntelligentLaboratorySys ̄temsꎬ2007ꎬ85(2):243 ̄252.[14]MATꎬLIXꎬINAGAKITꎬetal.NoncontactevaluationofsolublesolidscontentinapplesbyNear ̄infraredhyperspectralimaging[J].JournalofFoodEngineeringꎬ2017ꎬ224:53 ̄61.[15]ELMASRYGꎬWANGNꎬELSAYEDAꎬetal.Hyperspectralima ̄gingfornondestructivedeterminationofsomequalityattributesforstrawberry[J].JournalofFoodEngineeringꎬ2007ꎬ81(1):98 ̄107. [16]马庆华ꎬ王贵禧ꎬ梁丽松.质构仪穿刺试验检测冬枣质地品质方法的建立[J].中国农业科学ꎬ2011ꎬ44(6):1210 ̄1217. [17]陈亚斌.基于高光谱和荧光高光谱技术的灵武长枣内部成分无损检测研究[D].银川:宁夏大学ꎬ2017.[18]SUWHꎬBAKALISSꎬSUNDW.Fouriertransformmid ̄infrared ̄attenuatedtotalreflectance(FTMIR ̄ATR)microspectroscopyfordeterminingtexturalpropertyofmicrowavebakedtuber[J].Jour ̄nalofFoodEngineeringꎬ2018ꎬ218:1 ̄13.[19]张㊀初.基于光谱与光谱成像技术的油菜病害检测机理与方法研究[D].杭州:浙江大学ꎬ2016.[20]左㊀婷.基于高光谱图像技术的夏橙质构特性检测方法研究[D].武汉:华中农业大学ꎬ2015.[21]欧阳爱国ꎬ谢小强ꎬ刘燕德ꎬ等.苹果可溶性固形物近红外在线光谱变量优选[J].农业机械学报ꎬ2014ꎬ45(4):220 ̄225. [22]WANGQꎬXUEWQꎬMAHXꎬetal.Quantitativeanalysisofseedpurityformaizeusingnearinfraredspectroscopy[J].Transac ̄tionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringꎬ2012:259 ̄264.[23]黄㊀敏ꎬ朱㊀晓ꎬ朱启兵ꎬ等.基于高光谱图像的玉米种子特征提取与识别[J].光子学报ꎬ2012ꎬ41(7):868 ̄873.[24]彭彦昆ꎬ赵㊀芳ꎬ李㊀龙ꎬ等.利用近红外光谱与PCA ̄SVM识别热损伤番茄种子[J].农业工程学报ꎬ2018ꎬ34(5):159 ̄165. [25]黄志明ꎬ林素英ꎬ傅明连ꎬ等.枇杷果实发育过程中果肉质地与胞壁酶活性的变化[J].热带作物学报ꎬ2012ꎬ33(1):24 ̄29. [26]商㊀亮ꎬ谷静思ꎬ郭文川.基于介电特性及ANN的油桃糖度无损检测方法[J].农业工程学报ꎬ2013ꎬ29(17):257 ̄264.(责任编辑:陈海霞)881江苏农业学报㊀2019年第35卷第1期。

基于近红外光谱及成像的品质无损检测方法和装置研究

基于近红外光谱及成像的品质无损检测方法和装置研究

基于近红外光谱及成像的品质无损检测方法和装置研究一、概述随着科技的不断进步和人们对产品品质要求的日益提高,无损检测技术成为了工业生产、食品安全、医疗诊断等领域中不可或缺的重要手段。

传统的无损检测方法如射线、超声波、磁共振等,虽然在一定程度上能够实现对物质内部结构的检测,但往往存在设备成本高、操作复杂、对操作人员技术要求高等问题。

寻求一种高效、便捷、低成本的无损检测方法和装置,一直是科学研究和工业应用的重要课题。

近红外光谱及成像技术作为一种新兴的无损检测技术,以其独特的优势在近年来受到了广泛关注。

近红外光谱是指波长在780nm至2500nm之间的电磁波,该波段的光谱信息能够反映物质内部的分子结构和化学键信息,因此具有对物质品质进行无损检测的潜力。

同时,近红外光谱及成像技术还具有设备成本低、操作简便、对操作人员技术要求不高等优点,因此在农业、食品、医药、化工等领域具有广阔的应用前景。

本研究旨在探索基于近红外光谱及成像的品质无损检测方法和装置。

通过深入研究近红外光谱及成像技术的原理和应用,结合现代信号处理和图像处理技术,开发出一套高效、便捷、低成本的品质无损检测装置。

该装置可实现对物质内部品质的快速、准确检测,为工业生产和食品安全等领域提供有力的技术支持。

同时,本研究还将对近红外光谱及成像技术的未来发展趋势进行展望,以期为该领域的进一步研究和应用提供参考和借鉴。

1. 阐述近红外光谱及成像技术在品质无损检测领域的重要性和应用背景。

在品质无损检测领域,近红外光谱及成像技术的重要性日益凸显。

品质无损检测旨在通过非破坏性手段对物质的内部结构和性质进行准确、快速的分析,对于保障产品质量、提高生产效率以及推动相关行业的科技进步具有重要意义。

近红外光谱及成像技术以其独特的优势,在这一领域中扮演着举足轻重的角色。

近红外光谱技术利用物质在近红外区域的吸收和反射特性,通过光谱分析揭示物质内部结构和组成信息。

这种技术具有快速、准确、非破坏性的特点,因此在农业、食品、医药等领域得到了广泛应用。

高光谱成像技术在果蔬品质与安全无损检测中的原理及应用

高光谱成像技术在果蔬品质与安全无损检测中的原理及应用

高光谱成像技术在果蔬品质与安全无损检测中的原理及应

高光谱成像技术是一种非常有前途的果蔬品质与安全无损检测
方法。

它基于物质分子对光的吸收、散射和反射特性,通过光谱反射信息来探测、分析和识别果蔬中的相关成分,为果蔬品质与安全评价提供可靠的依据。

高光谱成像技术利用光谱分析方法,将果蔬表面的光谱反射信息转化为数字信号,形成高光谱图像。

通过对高光谱图像的处理和分析,可以快速准确地确定果蔬的品种、成熟度、含水量、营养成分、病虫害等信息,同时也可以检测果蔬中的化学残留、重金属等有害物质。

在果蔬品质方面,高光谱成像技术可以通过分析果蔬的糖度、酸度等指标,判断果蔬的成熟程度和品质等级。

同时还可以分析果蔬中的营养成分,如维生素、蛋白质等,为果蔬的营养价值评价提供数据支持。

在果蔬安全方面,高光谱成像技术可以检测果蔬中的化学残留和重金属等有害物质,进行快速、准确的筛查和鉴定。

而传统的化学检测方法需要耗费大量时间和人力,且可能对果蔬造成污染。

总的来说,高光谱成像技术在果蔬品质与安全无损检测方面具有广泛的应用前景。

随着技术的不断进步和完善,相信它将会成为果蔬行业中不可或缺的一项技术。

- 1 -。

517 近红外光谱技术在南疆红枣品质检测的应用与研究(无图)

517 近红外光谱技术在南疆红枣品质检测的应用与研究(无图)

摘 要红枣是南疆的特产水果,也是我国主要出口水果之一。

目前,南疆红枣的分级仅停留在大小、 形状、 外观等外部的品质, 红枣的内部品质还未涉及, 因此大大影响南疆红枣在国际市场的竞争力。

其实,红枣内在品质比其外部品质更重要,内部品质包括水分、糖度、酸度等。

红枣内在品质如水 分用传统的烘干法检测费时费力,糖度的化学检测方法也存在需对红枣进行破坏、测量周期长、耗 费大量人力等缺点。

因此研究一种快速、简单、无损的红枣内部品质检测技术很有必要,近红外光 谱技术对红枣水分、糖度的检测简单、快速、无损。

本课题选择农一师十团红枣为试验样本,建立红枣水分和糖度模型,探索近红外光谱技术在南 疆红枣品质检测的应用与研究。

挑选 200 个红枣作为建立其水分和糖度的校正模型组,另外选取 20 个红枣作为模型验证组。

实验选用精密电子天平称其红枣重量,电热鼓风干燥箱为红枣干燥,阿贝折射仪检测红枣糖度。

红 枣的光谱采集及模型的建立选用聚光科技便携式光栅扫描光谱仪。

本课题实验目的:1)建立用近红外光谱预测南疆红枣水分和糖度的校正模型。

2)通过验证组对近红外光谱校正模型预测南疆红枣含水量和糖分的验证。

3)检查方法的适用性,对南疆红枣含水量和糖分的测定。

关键词:近红外光谱;红枣;水分;品质检测;糖度AbstractRed jujube is a specialty of southern xinjiang fruit, is also one of the main export fruit. At present, the xinjiang red jujube grading only stay on external traits, such as size, shape, appearance, red jujube in the internal quality is not involved, thus greatly affect the southern xinjiang red jujube in the international market competitiveness. Actually, red jujube inner quality is more important than its external quality, internal quality including water, sugar, etc. Red jujube inner qualities such as moisture content with the traditional drying method to detect time­consuming, laborious sugar chemical detection method is required to destroy red jujube, long measurement cycle and cost a lot of human faults. Therefore a rapid, simple, nondestructive jujube research internal quality testing technology is very necessary, near infrared spectroscopy to detect red jujube water, sugar, simple, rapid and nondestructive.This topic choice NongYiShi ten jujube as test sample, red jujube water and sugar model, explore the near infrared hyperspectral technology in southern xinjiang red jujube quality detection system of the application and research.200 red jujube were selected as the correction model group in the establishment of a water and sugar, in addition to select 20 red jujube as model validation group. Experiment choose precision electronic balance according to the red jujube weight, electric drum wind drying oven to dry jujube, jujube sugar abbe refractometer detection. Red spectral acquisition and model selection of condensing portable raster scan spectrograph of science and technology.This topic experimental objective:1) establish predicted using near infrared spectroscopy calibration models of the xinjiang red jujube water and sugar.2) through the validation group for nir calibration models predict validation of southern xinjiang red jujube water and sugar.3) check the applicability of the method, and the determination of sugars in nanjiang red jujube water content.Key words: near infrared spectrum; Red jujube;water; Quality inspection; sugar目 录1 前言 (1)1.1 红枣在南疆地区产业发展现状及发展优势分析 (1)1.2 南疆地区红枣产业发展存在的问题 (1)1.3 研究目的和意义 (1)1.4 国内研究现状及分析应用 (2)1.5 国外研究现状及分析 (3)2 近红外光谱分析技术在果品品质检测中的应用 (3)2.1 近红外光谱分析技术概述 (3)2.2 近红外光谱分析技术在果品品质检测中的应用 (4)2.2.1 糖度、酸度、硬度分析 (4)2.2.2 维生素 C 含量分析 (5)2.2.3 病变分析 (5)2.3 近红外光谱分析技术在果品品质检测中的存在问题 (5)3 实验仪器和实验方法 (5)3.1 实验材料与仪器 (5)3.2 实验步骤 (5)3.2.1 对红枣进行选取 (6)3.2.2 红枣光谱采集 (6)3.2.3 用电子天平称取红枣重量 (7)3.2.4 红枣烘干 (7)3.2.5 用化学方法测糖度 (8)3.2.6 建立校正模型 (9)3.2.7 选取最佳波长 (16)3.2.8 模型的验证 (18)4 实验结果与分析 (21)5 结论 (21)总 结 (22)致 谢 (23)参考文献 (24)附录 (26)1 前言1.1 红枣在南疆地区产业发展现状及发展优势分析近些年,红枣产业发展较快,20世纪 80 年代,自治区规划南疆的疏附、洛浦、泽普三县为红 枣基地,90 年代末,巴州若羌县从河南新郑调入 50万株枣苗,进行推广栽培,期间成效显著,到 2006 年为止,已陆续引进骏枣、灰枣、冬枣、赞皇大枣和金丝小枣等 20 多个品种,1300 万多株, 栽培面积 8000hm 2,在若羌县的带动下,温宿、沙雅、巴楚、民丰和洛浦等县及生产建设兵团也开 始大力发展红枣栽培,目前南疆红枣栽培面积已达 30 万hm 2,是世界最大的红枣生产基地。

基于近红外高光谱图像的冬枣损伤早期检测

基于近红外高光谱图像的冬枣损伤早期检测

基于近红外高光谱图像的冬枣损伤早期检测孙世鹏;彭俊;李瑞;朱兆龙;Vázquez-Arellano MANUEL;傅隆生【期刊名称】《食品科学》【年(卷),期】2017(038)002【摘要】为了对冬枣损伤进行早期检测,采用近红外高光谱图像技术对损伤区域成像.针对高光谱图像波长多的特点,分别采用连续投影算法、相关特征选择算法、一致性(Consistency)算法选择冬枣损伤的特征波长,对提取的特征波长分别应用k-邻近、朴素贝叶斯(naive bayes,NB)、支持向量机(support vectormachine,SVM)3种分类方法进行损伤区域识别.结果表明:所有方法选择的一致特征波长在1 353 nm和1 691 nm附近.Consistency算法选择的特征波长在SVM 分类器下分类识别正确率达到95.16%,一致特征波长在NB分类器下分类识别正确率达到84.26%,验证了一致波长的有效性,为多光谱成像技术实现在线检测冬枣损伤提供参考依据.【总页数】5页(P301-305)【作者】孙世鹏;彭俊;李瑞;朱兆龙;Vázquez-Arellano MANUEL;傅隆生【作者单位】西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;霍恩海姆大学农业工程研究所,德国巴符斯图加特 70599;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100【正文语种】中文【中图分类】TP391.4【相关文献】1.基于近红外高光谱图像的苹果轻微损伤检测 [J], 陈姗姗;宁纪锋;彭艺伟;张叶2.近红外高光谱成像技术的桃轻微损伤早期检测 [J], 杨婷婷;迟茜;王转卫;谢同振;孟繁宇3.基于近红外高光谱成像的猕猴桃早期隐性损伤识别 [J], 迟茜;王转卫;杨婷婷;刘大洋;郭文川4.基于近红外高光谱图像的黄瓜叶片色素含量快速检测 [J], 邹小波;陈正伟;石吉勇;黄晓玮;张德涛5.基于近红外高光谱成像技术南疆冬枣DOLP五次多项式拟合模型研究 [J], 王玉婷;索玉婷;王长旭;罗华平因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

近红外光谱技术在食用菌品质检测方面的应用研究进展

近红外光谱技术在食用菌品质检测方面的应用研究进展

王玉玲,王婧茹,刘红,等. 近红外光谱技术在食用菌品质检测方面的应用研究进展[J]. 食品工业科技,2024,45(1):359−367. doi:10.13386/j.issn1002-0306.2023030104WANG Yuling, WANG Jingru, LIU Hong, et al. Application Progresses on Near-infrared Spectroscopy in Quality Detection of Edible Fungi[J]. Science and Technology of Food Industry, 2024, 45(1): 359−367. (in Chinese with English abstract). doi:10.13386/j.issn1002-0306.2023030104· 专题综述 ·近红外光谱技术在食用菌品质检测方面的应用研究进展王玉玲1,王婧茹2,刘 红3,秦令祥4,高愿军4,周海旭2,李 波2, *,何鸿举2,*(1.河南科技学院农学院,河南新乡 453003;2.河南科技学院食品学院,河南新乡 453003;3.海南师范大学化学与化工学院/海口市热带特色药食同源植物研究与开发重点实验室,海南海口 571158;4.漯河食品职业学院,河南漯河 462333)摘 要:食用菌是一类高蛋白、低脂肪且兼具药用价值的大型真菌,因其多营养、鲜风味、低热量、多功效等特点而成为餐桌上常备食材之一。

随着消费理念不断转变,食用菌的高品质和高营养需求成为必然。

近红外光谱(near-infrared spectroscopy ,NIRS )技术因其快捷、无损、多组分同时检测、绿色无污染等优点,被广泛应用于食用菌品质检测研究。

本文全面归纳综述了近5年来NIRS 技术结合化学计量学方法在食用菌理化组分、活性成分、品种鉴别、产地溯源、病原菌污染、掺假识别等及其他方面的研究及应用进展,同时提出了NIRS 技术在食用菌品质检测应用方面的发展策略,以期为完善NIRS 技术检测食用菌理论、研发专用食用菌检测设备提供方法参考和思路借鉴。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

were collected in the wavelength range of 400 to 1 000 nm. Genetic algorithm (GA), successive projection algorithm (SPA)
and competitive adaptive reweighted sampling (CARS) algorithm were used to extract the characteristic wavelengths from
HE Jialin, QIAO Chunyan, LI Dongdong, ZHANG Haihong*, DENG Hong, SHAN Qimei, GAO Kun, MA Rui
(School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)
194 2018, Vol.39, No.06
食品科学
※成分分析
可见-近红外高光谱成像技术对灵武长枣 VC含量的无损检测方法
何嘉琳,乔春燕,李冬冬,张海红*,邓 鸿,单启梅,高 坤,马 瑞
(宁夏大学农学院,宁夏 银川 750021)
摘 要:为探究基于高光谱成像技术预测灵武长枣VC含量的可行性并寻找最佳预测模型。采集100 个长枣样本在 波长400~1 000 nm处的高光谱图像,对光谱数据进行预处理;应用遗传算法(genetic algorithm,GA)、连续投 影算法(successive projection algorithm,SPA)和竞争性正自适应加权(competitive adaptive reweighted sampling, CARS)算法对原始光谱数据提取特征波长;分别建立基于全光谱和特征波长的偏最小二乘(partial least squares regression,PLS)和最小二乘支持向量机(least squares support vector machine,LSSVM)VC含量预测模型。结 果表明,采用标准正态变换预处理算法效果最优,其PLS模型的交叉验证相关系数为0.839 5,交叉验证均方根误 差为16.248 2;利用GA、SPA和CARS从全光谱的125 个波长中分别选取出12、5 个和26 个特征波长;基于CARS 建立的PLS模型效果最优,其Rc、Rp、校正均方根误差、预测均方根误差分别为0.896 2、0.889 2、10.746 2%、 12.145 3%。研究结果表明基于高光谱成像技术对灵武长枣VC含量的无损检测是可行的。 关键词:灵武长枣;VC;可见-近红外高光谱成像;无损检测
methods were used to select 12, 5, and 26 characteristic wavelengths. The PLS model based on CARS method was the best
among the models developed, and its Rc, Rp, RMSEC and RMSEP values were 0.896 2, 0.889 2, 10.746 2%, and 12.145 3%, respectively. These results confirmed the feasibility of using hyperspectral imaging for the non-destructive detection of VC
variate (SNV) transformation was the best preprocessing approach. The cross validation correlation coefficient (Rcv) of the PLS model was 0.839 5, and the root mean square error of cross validation (RMSECV) was 16.248 2. GA, SPA and CARS
பைடு நூலகம்
Abstract: This study aimed to explore the feasibility of predicting the vitamin C (VC) content in “Lingwu Changzao”
jujubes using hyperspectral imaging and to find the best prediction model. Hyperspectral images of 100 jujube samples
the original spectral data. Partial least squares (PLS) and least squares support vector machine (LSSVM) were separately
used to establish VC prediction models based on the full and characteristic spectra. The results showed that standard normal
content in “Lingwu Changzao” jujubes.
Keywords: “Lingwu Changzao” jujubes; VC; visible near infrared hyperspectral imaging; non-destructive testing
Non-Destructive Detection of Vitamin C Content in “Lingwu Changzao” Jujubes (Zizyphus jujuba Mill. cv. Lingwu Changzao) Using Visible Near Infrared Hyperspectral Imaging
相关文档
最新文档