基于可见/近红外高光谱成像技术的牛肉品种鉴别

利用可见/近红外高光谱成像技术实现荷斯坦奶牛、秦川牛、西门塔尔牛三个品种牛肉的快速无损鉴别。首先,对原始光谱进行预处理并对样本集进行划分;应用竞争性自适应重加权算法(CARS)、连续投影算法(SPA)和无信息变量消除算法(UVE)对预处理后的光谱数据提取特征波长;结合偏最小二乘判别模型(PLS-DA)、K最近邻(KNN)模型及支持向量机(SVM)模型进行全波段及特征波段鉴别分析。结果表明,一阶导数(FD)法为最优预处理方法,利用光谱-理化值共生距离法(SPXY)法划分后的样本模型预测性能最好;利用CARS、SPA和UVE分别选出24、17和19个特征波长;基于CARS法提取的特征波长所建的RBF-SVM模型的校正集与预测集正确率分别为100%、98.82%。由此可见,基于高光谱成像技术能够获得较好的牛肉品种鉴别效果。该研究可为牛肉品种的快速无损鉴别提供参考。     

基于高光谱成像技术的金银花霉变检测模型

利用高光谱成像技术,研究一种快速、准确、无损检测金银花霉变程度的方法。通过比较Savitzky-Golay(SG)卷积平滑、多元散射校正(MSC)和SG-MSC 3种预处理方法对偏最小二乘算法(PLS)建模效果的影响,得到SG-MSC为建模最优预处理方法。使用连续投影算法(SPA)和竞争性自适应重加权算法(CARS)选择经预处理后光谱的特征波长,并分别建立偏最小二乘判别(PLS-DA)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)的判别分析模型。结果表明,光谱经SG-MSC预处理后,应用CARS提取特征波长并建立LS-SVM判别分析模型为金银花不同霉变程度最优判别模型,其训练集与验证集的正确率均达到100%。利用高光谱成像技术能够快速无损、有效地鉴别金银花霉变程度,并且在特征波长下能实现金银花霉变程度的快速判别分析。     

基于高光谱成像技术的小麦籽粒品种鉴别方法研究

为了更精确地鉴别小麦品种,实现小麦品种快速、无损、有效、稳定的鉴别。利用高光谱成像系统采集6个小麦品种籽粒光谱和图像信息,提取小麦籽粒胚、胚乳、胚和胚乳混合部位的光谱,采用不同的预处理方法对原始光谱进行处理,利用竞争性自适应重加权算法(CARS)和连续投影算法(SPA)提取特征波长,基于全波长和特征波长建立线性判别分析(LDA)、支持向量机(SVM)和K最邻近(KNN)模型,筛选出最佳的籽粒部位光谱、预处理方法和特征波长提取方法;在此基础上,分析光谱信息、形态特征及二者结合信息对小麦品种的鉴别效果。结果表明,基于34个特征波长光谱信息结合形态特征建立的LDA模型效果最佳,其训练集和预测集的正确判别率分别为91.3%和86.0%。基于高光谱成像技术进行小麦品种鉴别是可行和有效的。     

近红外光谱技术对圆枣产地的判别分析

采用近红外高光谱成像系统对3类不同产地的圆枣进行判别分析,快速鉴别圆枣产地。应用近红外高光谱获取3类圆枣样本的光谱数据,对光谱采用标准正则变换(SNV)方法预处理,从原始光谱数据中提取特征波长,并建立全波段与特征波段下的线性判别模型来判别3类圆枣的产地。结果表明,近红外光谱结合线性判别法对圆枣产地鉴别的特征波段模型可有效替代全波段模型,模型准确率均大于99%,为实现农产品产地鉴别和自动分类提供理论依据。     

高光谱成像技术检测油茶果成熟度

为解决油茶果采摘期判断不准确可能导致的茶油产量降低问题,应用高光谱成像技术结合化学计量法对油茶果成熟度进行定性判别。完成了高光谱图像的曲率校正,分析不同成熟阶段油茶果的光谱特征和理化特征的变化情况。使用4 种不同的分类算法建立基于全波段光谱数据的油茶果成熟度判别模型,发现支持向量机（support vector machine,SVM）模型的分类正确率最高为97%。结合5 种特征变量选择方法对全波段光谱数据进行降维,发现经过竞争性自适应重加权算法（competitive adaptive reweighted sampling,CARS）选择的特征波长建立的模型正确率最高为82%。提取高光谱图像中的颜色特征和纹理特征建立SVM模型后发现,融合颜色特征和光谱特征建立的SVM模型的正确率高于使用单一的光谱特征（经CARS降维）建立的模型正确率：训练集分类正确率为95%,测试集正确率为93%。结果表明,利用高光谱成像技术能够对不同成熟度的油茶果进行较准确的分类,为茶农对油茶果最佳采摘期的判断提供科学依据,在保障茶籽产量最大化、油质最优化等方面具有重要意义。     

基于可见/近红外光谱技术的红提成熟度判别模

成熟度是水果评价的重要标准,直接影响水果的品质和经济价值。针对红提采摘成熟度评判困难,果肉营养价值参差不齐、产品竞争力低等问题,建立基于可见/近红外光谱技术的红提成熟度判别模型。该研究选取红提生长过程的4个阶段（分别为：未成熟、半成熟、成熟、过熟）的样本并进行光谱信息采集。选择550 nm~1 000 nm的光谱波段建模,分别将经过预处理的光谱用竞争性自适应加权算法（Competitive Adaptive Reweighted Sampling,CARS）、无信息变量消除算法（Uniformative Variable Elimination,UVE）和连续投影算法（Successive Projection Algorithm,SPA）进行特征波长提取,建立支持向量机（Support Vector Machines,SVM）、极限学习机（Extreme Learning Machine,ELM）和偏最小二乘判别分析（Partial Least Squares Discriminant Analysis,PLS-DA）的判别模型,最终建立可见/近红外光谱技术的红提成熟度的最佳判别分类模型。研究结果表明,在Savitzky-Golay（SG）卷积平滑处理算法光谱预处理后运用SPA算法进行特征波段提取建立的ELM模型成熟度判别分类效果最佳,SVM模型次之,PLS-DA模型最差。因此,红提成熟度的最佳判别分类模型为SG-SPA-ELM,该模型的训练集和测试集的准确率分别为97.50%和96.67%。利用可见/近红外光谱技术对红提成熟度进行判别是可行的,该研究为红提成熟度的判别找到了一种新的无损检测方法。     

近红外光谱法快速鉴别转基因大豆模型优化

目的应用近红外光谱(NIR)结合偏最小二乘判别分析(PLS-DA)建立转基因大豆的快速鉴别模型,并选择最优模型。方法主成分分析(PCA)用于从光谱数据中提取相关特征并剔除异常样品。在试验中,94份样品用于构建模型,41份样品用作验证评估模型的效果。分别讨论样品形态(整粒和粉末)、波长范围和光谱预处理方法对所建模型判别正确率的影响。结果粉末状大豆样品建模的效果好于整粒大豆样品。其中判定效果最好的模型,整粒大豆在9 403～5 438 cm~(-1)范围内,采用二阶导数(2nd)处理光谱,模型的校正集和验证集的判定正确率均为100.00%;粉末状大豆在7 505～4 597 cm~(-1)范围内,采用矢量归一化+一阶导数(SNV+1st)处理光谱,模型的校正集和验证集的判定正确率也均为100.00%。结论通过选择样品形态、波长范围和光谱预处理方法可以优化鉴别模型,提高近红外判别模型的鉴别正确率。     

宁夏赤霞珠葡萄水分含量的高光谱无损检测研究

利用可见近红外高光谱成像技术对宁夏赤霞珠葡萄含水量的无损检测进行了初步探讨。通过高光谱成像系统(400~1000 nm)采集了136幅赤霞珠葡萄图像,对原始光谱、平均平滑、高斯滤波、中值滤波、卷积平滑、归一化、多元散射校正、标准正态化、基线校准、去趋势化等预处理的偏最小二乘回归(PLSR)模型进行对比分析;采用主成分分析(PCA)、偏最小二乘回归(PLSR)、连续投影算法(SPA)、竞争性自适应重加权(CARS)方法选择特征波长,建立4种特征波长下的PLSR的葡萄含水量预测模型,优选CARS提取特征波长的方法。在此基础上,对比分析了全波段与特征波长下的MLR、PCR、PLSR的葡萄含水量预测模型。结果表明:采用多元散射校正(MSC)光谱建立的PLSR模型优于原始光谱和其他预处理光谱的PLSR模型;CARS提取特征波长建立的PLSR模型优于多元线性回归(MLR)、主成分回归(PCR)模型,预测集的相关系数(R)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.806、0.144。因此,利用可见近红外高光谱成像技术提取特征波长进行宁夏赤霞珠葡萄含水量的检测是可行的。     

不同月龄乌珠穆沁羊肌纤维类型与肉品质的变化分析

利用可见/近红外高光谱(400 nm～1 000 nm)成像技术实现对荷斯坦奶牛、秦川牛、西门塔尔牛、安格斯牛、力木赞牛5个品种牛肉进行快速无损判别。首先对原始光谱进行预处理,并利用光谱-理化值共生距离法(sample set partitioning based on joint X-Y distance,SPXY)法划分样本集;结合偏最小二乘判别模型(partial least squaresdiscrimination analysis,PLS-DA),K最近邻(K-nearest neighbor,KNN)模型和径向基函数-支持向量机(radial basis function-support vector machine,RBF-SVM)模型进行全波段及特征波段判别分析。结果表明,一阶导数(first derivative,FD)法为最优预处理方法;基于RBF-SVM法所建模型的校正集与预测集准确率分别为100%、99%。可见,基于高光谱成像技术能够获得较好的牛肉品种判别效果。     

基于可见/近红外光谱技术的橘小实蝇侵染柑橘检测研究

目的 使用可见/近红外光谱技术实施橘小实蝇侵染柑橘不同时期的无损检测。方法 研究选取人工制备的不同侵染时期的柑橘样本作为研究对象,利用搭建的可见/近红外光谱系统测量的光谱信息结合人工标定的侵染时期,对原始光谱进行了5种预处理,采用竞争性自适应重加权算法（competitive adaptive reweighted sampling,CARS）、连续投影算法（successive projection salgorithm,SPA）两类方法提取反映侵染柑橘时期变化的光谱特征波长,应用偏最小二乘判别分析(partial least squares discriminant analysis,PLS-DA)建立基于特征波长光谱的柑橘侵染时期分类模型,对比分析不同光谱预处理方法的模型分类效果。结果 原始光谱经多元散射校正（multiplicative scatter correction,MSC）预处理的模型分类效果最佳,分别经CARS方法和SPA方法优选出了34和16个光谱特征波长。采用MSC-CARS-PLS-DA方法构建的模型分类效果最好,总准确率假阳率分别达到了96.8%和100.0%,模型对健康柑橘和侵染柑橘有较强的分类能力。结论 通过可见/近红外光谱结合PLS-DA判别方法,可以实现橘小实蝇侵染柑橘的无损检测,为今后继续开展橘小实蝇侵染柑橘光谱检测研究提供参考依据。     

基于可见/近红外高光谱成像技术的鸡蛋新鲜度无损检测

以400~1 000nm高光谱系统获得鸡蛋样本的高光谱图像,利用蒙特卡洛法检测异常样本,采用不同预处理方法处理原始光谱;应用竞争性正自适应加权算法(Competitive Adaptive Reweighted Sampling,CARS)、遗传偏最小二乘法(Genetic Algorithms PLS,GAPLS)和间隔蛙跳法(Interval Random Frog,IRF)对预处理后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回归(Partial Least Squares Regression,PLSR)和最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vector Machine,LS-SVM)鸡蛋新鲜度预测模型。结果表明:标准正态变量变换(Standardized Normal Variate,SNV)法为最优预处理方法;利用CARS、GAPLS和IRF分别选出8,35,74个特征波长;基于GAPLS提取的特征波长的LS-SVM模型最优,其校正相关系数(Rc)为0.899,预测相关系数(Rp)为0.832。表明基于高光谱成像技术的鸡蛋新鲜度无损检测是可行的。     

基于高光谱成像技术无损检测芒果轻微损伤

目的 使用高光谱成像技术实现对芒果轻微损伤的无损识别。方法 在可见光-近红外波长范围内采集完好芒果和损伤芒果的高光谱图像, 并提取相应的感兴趣区域(regions of interest, ROI)获得样本高光谱数据。经过多种预处理方法比较, 选择光谱预处理方法。使用竞争性自适应重加权算法(competitive adaptive reweighted sampling, CARS)和连续投影算法(successive projections algorithm, SPA)分别对预处理后的光谱提取特征波长, 并分别建立了多元线型回归(multiple linear regression, MLR)模型和偏最小二乘回归(partial least squares regression, PLSR)模型。结果 选择多元散射校正(multiplicative scatter correction, MSC)作为光谱预处理方法。针对芒果轻微损伤识别, CARS-MLR模型识别效果最好, 其校正集相关系数为0.881, 预测集相关系数为0.821, 校正集均方根误差(calibration set root mean square error, RMSEC)为0.146, 预测集均方根误差(prediction set root mean square error, RMSEP)为0.236, 准确率为97.14%。结论 利用高光谱成像技术可以实现对芒果表面轻微损伤进行有效鉴别。     

Application of Visible and Near-Infrared Hyperspectral Imaging for Detection of Defective Features in Loquat

The intent of present work was to develop a valid method for detection of defective features in loquat fruits based on hyperspectral imaging. A laboratorial hyperspectral imaging device covering the visible and near-infrared region of 380–1,030 nm was utilized to acquire the loquat hyperspectral images. The corresponding spectral data were extracted from the region of interests of loquat hyperspectral images. The dummy grades were assigned to the defective and normal group of loquats, separately. Competitive adaptive reweighted sampling (CARS) was conducted to elect optimal sensitive wavelengths (SWs) which carried the most important spectral information on identifying defective and normal samples. As a result, 12 SWs at 433, 469, 519, 555, 575, 619, 899, 912, 938, 945, 970, and 998 nm were selected, respectively. Then, the partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) model was established using the selected SWs. The results demonstrated that the CARS-PLS-DA model with the discrimination accuracy of 98.51 % had a capability of classifying two groups of loquats. Based on the characteristics of image information, minimum noise fraction (MNF) rotation was implemented on the hyperspectral images at SWs. Finally, an effective approach for detecting the defective features was exploited based on the images of MNF bands with “region growing” algorithm. For all investigated loquat samples, the developed program led to an overall detection accuracy of 92.3 %. The research revealed that the hyperspectral imaging technique is a promising tool for detecting defective features in loquat, which could provide a theoretical reference and basis for designing classification system of fruits in further work.     

振动胁迫下双孢蘑菇高光谱成像品质检测

为快速有效识别双孢蘑菇轻微损伤,以不同振动时间后不同损伤程度的双孢蘑菇为研究对象,采集400～1 000 nm的完好无损、振动60 s和振动120 s双孢蘑菇的近红外高光谱图像,发现3 种类型的双孢蘑菇在450～750 nm的光谱曲线有明显差异。比较标准正态变量变换、SG（Savitzky-Golay）平滑和多元散射校正等预处理方法,确定SG平滑为最优预处理方法。并将处理后的数据采用连续投影算法和竞争性自适应重加权算法提取不同损伤程度的特征波段;基于灰度共生矩阵提取500 nm波长特征图像感兴趣区域的纹理特征,分别将光谱信息和纹理特征信息作为输入,建立偏最小二乘判别分析（partial least squares-discriminant analysis,PLS-DA）、BP（back propagation）神经网络和极限学习机损伤程度识别模型。结果表明,两种特征集建模,PLS-DA模型均表现出最好的识别效果,PLS-DA模型训练集和测试集平均识别准确率为93.33%、91.11%和88.89%、86.67%。最后基于光谱-纹理融合信息建立PLS-DA模型,训练集和测试集总体识别正确率分别为97.78%、95.56%。结果表明,光谱-纹理融合信息建模预测效果优于单一特征信息建立的判别模型。因此,采用高光谱融合信息建模可以提高不同损伤程度的双孢蘑菇检测精度,为双孢蘑菇贮藏、分类提供理论支撑。     

基于高光谱成像技术的酿酒高粱品种分类

针对不同品种酿酒高粱分类难、分类精度有待提高等问题,提出了一种结合光谱和图像信息的高光谱成像技术从而对酿酒高粱进行分类的方法。通过采集11类共550个高粱样本的高光谱数据,运用连续投影算法从多元散射校正预处理后光谱中筛选出48个特征波长,再提取图像的灰度共生矩阵作为图像特征,利用纹理特征、全光谱、特征光谱及其结合图像特征分别建立支持向量机、偏最小二乘判别和极限学习机分类模型,最后再采集220个未参与建模样本对所建模型进行外部验证。结果表明,基于特征光谱结合纹理特征建立的支持向量机模型效果最佳,训练集和测试集的识别率分别为96%和95.3%,验证集的识别率达到91.8%,高于单一光谱数据建模效果,说明光谱和图像信息结合可以提高酿酒高粱的分类识别率。该方法为高粱品种的高精度分类和不同酿酒原料的快速无损检测提供了可行的方法。     

基于高光谱和超声成像技术的原切与合成调理牛排鉴别

针对市场上存在合成调理牛排冒充原切售卖的现象,研究利用高光谱和超声成像技术对它们进行鉴别的方法。分别采集原切与合成调理牛排的高光谱和超声图像信息,利用灰度共生矩阵法提取图像的纹理特征值,分别建立线性判别分析、K最邻近（K-nearest neighbor,KNN）、反向传播人工神经网络和极限学习机（extreme learning machine,ELM）4?种鉴别模型,而后将2?种技术数据融合建模,并采用连续投影法、竞争性自适应重加权算法（competitive adaptive reweighted sampling,CARS）、变量组合集群分析（variables combination population analysis,VCPA）法3?种方法筛选特征变量建模。结果表明：合成调理牛排的肉块组织均匀,超声图像信号弱、均一性好,与原切调理牛排图像存在差异。高光谱和超声成像技术的最佳模型分别为KNN和ELM,模型预测集识别率分别为95.00%和90.00%。数据融合后建模,最佳模型ELM模型预测集识别率模型为97.50%,在3?种变量选择方法中,CARS和VCPA选择的纹理变量建立的模型预测集识别率达到100.00%。研究表明高光谱和超声成像数据融合结合变量选择方法可以快速准确地鉴别原切和合成调理牛排。     

基于可见-近红外高光谱技术对鸡种蛋性别鉴定的研究

目的 为实现鸡种蛋胚胎性别的无损检测,提出了基于可见-近红外高光谱检测海兰褐鸡种蛋胚胎性别的方法。方法 通过分析种蛋0~14 d大头部位的400~1000 nm波段下的光谱,建立基于偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和支持向量机（SVM）的种蛋性别判别模型,比较不同孵育天数下的模型判别率,优选出最佳的检测天数;通过分析四种不同的预处理算法,选出最佳的鸡种蛋胚胎高光谱预处理方法,最后构建基于全波段和特征波段光谱信息的判别模型,并对结果进行比较。结果 基于PLS-DA和SVM的模型在第9 d的预测集结果达到最高,分别为80%和82.5%。主成分分析（PCA）结果表明,雄雌种蛋光谱信息可以进行区分;变量标准化（SNV）为最佳预处理方法;全波段相对于连续投影算法（SPA）、竞争性自适应重加权算法（CARS）选择特征波长的模型更优,建模集、预测集准确率分别为90%和85%。结论 研究结果表明可见-近红外高光谱技术可以快速、较准确、无损检测海兰褐种蛋胚胎性别,该技术为褐壳种蛋胚胎性别鉴定实现在线检测提供了一定的理论基础。