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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于多源光谱分析技术的鱼油品牌判别方法研究

多源光谱分析技术被用于鱼油品牌快速无损鉴别。采用可见光谱分析技术、短波近红外光谱分析技术、长波近红外光谱分析技术、中红外光谱分析技术和核磁共振光谱分析技术采集了7种不同品牌的鱼油的光谱特征,并应用偏最小二乘判别分析法(partial least squares discrimination analysis,PLS-DA)和最小二乘支持向量机(least-squares support vector machine,LS-SVM)建立判别模型并比较判别结果。基于长波近红外光谱的PLS-DA模型和LS-SVM模型取得了最高识别正确率,建模集和预测集识别正确率均达到100%。采用中红外光谱和核磁共振谱分别建立的LS-SVM模型,也可以获得100%的判别正确率。而可见光谱和短波近红外光谱则判别准确率较差。且LS-SVM算法较PLS-DA更加适合用于建立光谱数据和鱼油品牌之间的判别模型。研究结果表面长波近红外光谱技术能够有效判别不同鱼油的品牌,为将来鱼油品质鉴定便携式仪器的开发提供了技术支持和理论依据。     

多光谱数据融合技术对绒柄牛肝菌产地的鉴别

采集5?个产地96?份绒柄牛肝菌样品的红外光谱和紫外光谱,结合多光谱信息融合策略,建立快速、有效鉴别绒柄牛肝菌产地的方法。运用多元散射校正、标准正态变量、二阶导数等预处理方法对原始光谱数据进行优化处理,减少噪音干扰。选取具有指纹特性的光谱信息进行初级数据融合;通过偏最小二乘判别分析（partial least squares-discriminant analysis,PLS-DA）筛选光谱数据中变量在投影方向重要程度大于1的波段,进行中级数据融合。利用优化处理后的单一光谱数据及多光谱融合数据建立PLS-DA模型和支持向量机（support vector machine,SVM）判别模型,比较两种判别模型对绒柄牛肝菌产地的鉴别效果。结果显示,通过红外光谱、紫外光谱、初级融合和中级融合数据分别建立PLS-DA模型,对绒柄牛肝菌产地的预测正确率为56.25%、56.25%、62.50%和81.25%;建立SVM判别模型,产地预测正确率分别为90.63%、65.63%、87.50%和96.88%,表明中级融合技术对绒柄牛肝菌产地鉴别效果显著,优于其他技术;并且SVM判别模型对牛肝菌产地区分效果优于PLS-DA模型。采用中级融合技术建立SVM判别模型,能够快速、有效鉴别不同产地绒柄牛肝菌,同时为食品质量监控提供有效方法和理论基础。     

基于高光谱成像技术无损检测苹果表面缺陷

基于高光谱成像技术结合模式识别,建立了苹果表面缺陷识别模型。首先,利用高光谱图像采集系统采集完好无损和表面有缺陷苹果的高光谱图像,提取感兴趣区域的平均光谱反射率;然后,比较标准正态变换(SNV)和多元散射校正(MSC) 2种光谱预处理方法对建模效果的影响,得出MSC为建模最优预处理方法。最后,采用主成分分析法选择累计贡献率超过99%的前5个主成分作为样本集特征光谱数据,分别建立了基于K最近邻(KNN)模式识别和偏最小二乘判别分析(PLS-DA)识别模型。结果表明:光谱经MSC预处理后,基于PLS-DA建立的识别模型对校正集和检验集识别率均达到100%,表明基于高光谱成像技术结合模式识别可实现苹果表面缺陷的无损检测。     

基于高光谱成像技术的宁夏枸杞产地溯源鉴别

本研究基于高光谱成像（400～1 000 nm）结合化学计量学开发一种用于识别枸杞产地多元化的检测方法。获取宁夏、甘肃、内蒙古、青海和新疆5个不同产地的枸杞高光谱图像,并基于阈值分割方法从感兴趣区域提取光谱数据。同时使用多种预处理方法消除光谱的干扰信息,研究表明基于归一化反射光谱的判别模型表现出较好的性能。进一步地采用连续投影算法、竞争性自适应重加权算法（competitive adaptive reweighted sampling,CARS）、粒子群优化算法、迭代保留信息变量算法（iteratively retaining informative variables,IRIV）和CARS+IRIV选择特征波长。研究结果表明CARS+IRIV选取波长建立的简化模型性能最优,从二元分类到五元分类模型,特征波长仅占全波长的15.6%～27.7%,预测集准确率分别为97.7%、90.9%、89.2%、87.1%。此外,为了更加直观辨别分类种类,使用混淆矩阵可视化最佳简化分类模型。在对宁夏枸杞分类中获得了令人满意的灵敏度、特异性和Kappa系数。综上,高光谱成像技术结合化学计量学方法可有效鉴...     

美味牛肝菌矿质元素富集能力及产地鉴别

研究美味牛肝菌矿质元素含量及富集规律,建立偏最小二乘判别分析（partial least squares discrimination analysis,PLS-DA）光谱数据融合模型鉴别美味牛肝菌不同产地。测定云南省内6 个产地美味牛肝菌和生长土壤样品的矿质元素,同时采集近红外光谱和紫外光谱信息。根据矿质元素含量及富集系数分析美味牛肝菌对矿质元素的积累特征和富集能力。采用平滑（Savitzky-Golay,SG）、二阶导数（second derivatives,2D）、标准正态变换（standard normal variables,SNV）、多元散射校正（multiple scattering correction,MSC）等对光谱数据进行预处理。运用PLS-DA建立单一光谱与数据融合产地分类模型。结果表明：美味牛肝菌富含K、P元素,相同元素不同产地之间存在显著性差异,其中Na元素含量差异较大,最高含量是最低含量的20.70 倍;6 个产地土壤中Fe元素含量最大,可能与云南富含Fe金属离子的酸性土壤有关;美味牛肝菌中P、K、Zn富集能力较强,其中P的富集系数达到4.63;光谱数据预处理中,近红外光谱和紫外光谱的最佳预处理结果为SG＋2D、SG＋MSC,预测集正确率为88.46%和96.15%;中级融合模型效果最佳,通过Hottelling T2检测法检验,所有样品未超过95%置信区间,模型训练集正确率100.00%,预测集正确率92.31%。对美味牛肝菌进行矿质元素、富集规律及产地鉴别研究有利于合理利用云南野生食用菌资源。     

基于可见-近红外光谱及随机森林的鸡蛋产地溯源

为了研究快速无损鉴别鸡蛋产地的可行性,利用可见-近红外光谱技术,采集4种湖北不同产地鸡蛋的透射光谱(500~900 nm),利用中心化、归一化、标准正态变量(SNV)、Savitzky-Golay平滑滤波(SG)和多元散射校正(MSC)、直接正交信号校正(Direct Orthogonal Signal Correction,DOSC)算法对光谱数据进行预处理,采用t分布式随机邻域嵌入(t-distributed stochastic neighbor embedding,t-SNE)、主成分分析(PCA)方法对预处理后的数据降维,并将降维后的数据分别输入极限学习机(extreme learning machine,ELM)和随机森林(random forest,RF),建立鸡蛋产地溯源模型。比较两种方法建立的模型,发现运用DOSC预处理及t-SNE提取的光谱特征信息建立的RF模型鉴别效果最好,训练集和预测集的鉴别正确率分别为100%和98.33%。研究结果表明基于可见-近红外光谱技术对鸡蛋产地溯源是可行的,为进一步研究与开发鸡蛋产地溯源便携式仪器提供技术支持。     

基于特征波长提取的激光近红外光谱快速鉴别食用植物油种类

提出了基于CARS、SPA和CARS-SPA特征波长提取的激光近红外光谱技术快速鉴别食用植物油种类的方法。应用光谱仪采集127个食用植物油样本的光谱数据,采用标准正态变量变换算法(SNV)、标准正态变量变换和去趋势技术联用算法(SNV-DT)对其进行预处理,采用CARS、SPA和CARS-SPA 3种方法对经过预处理的光谱数据进行特征波长提取,应用支持向量机分类方法(SVC)建立食用植物油种类定性分类校正模型,选择网格搜索算法对模型参数组合(C,g)进行寻优,确定最优参数组合。结果表明,CARS-SVC、SPA-SVC和CARS-SPA-SVC模型预测集准确率均达到96.77%,预测效果理想,其中SNV-DT-SPA-SVC模型预测效果最优,预测集准确率达到100%。综上基于特征波长提取的激光近红外光谱分析技术能够快速准确鉴别食用植物油种类,为便携式现场检测设备开发提供了理论基础。     

基于高光谱成像技术的青花椒产地识别研究

目的 基于高光谱成像技术结合机器学习建立一种青花椒产地的快速识别方法,可实现四川、贵州、云南、重庆等10个青花椒主要产地样品的快速无损鉴别。方法 本研究利用“全平皿法”、“五点平均法”和“中心点法”等3种不同的兴趣区域(region of interest,ROI)提取方式,获得平行光谱数据,分别采用五种预处理方法消除数据噪声提升模型性能,并比较了偏最小二乘判别分析(Partial least square-discriminant analysis,PLS-DA)、随机森林(Random Forests,RF)和支持向量机(Support vector machine,SVM)三种模型的产地识别效果。结果 采用“全平皿法”提取兴趣区域,通过二阶导(Second derivative,D2)预处理后建立的RF模型分类效果最佳,训练集和测试集的准确率均可达到100%。进一步采用连续投影算法(Successive projections algorithm,SPA)选择27个特征波长建模,结果表明多元散射校正(Multiplicative scatter correction,MSC)-RF模型判别效果最优,训练集准确率为98.8%,测试集准确率达到98.3%。结论 本研究建立的方法可实现不同青花椒主要产地样品的快速无损鉴别,为高光谱成像技术在食品和药品领域的推广应用及专属小型化仪器装备系统的开发提供了理论依据。     

CARS-SVM预测哈密瓜可溶性固形物含量

采用近红外光谱技术结合数据降维的方法,建立了哈密瓜可溶性固形物含量的预测模型：对比多种光谱预处理方法,确定二阶求导用于处理原始光谱;经预处理的光谱数据分别结合特征选择竞争性自适应重加权采样法（CARS）、蒙特卡罗无信息变量消除法（MC-UVE）提取特征波长,以及利用主成分分析进行降维;再使用特征选择和特征提取的光谱数据作为模型的输入变量,建立哈密瓜可溶性固形物含量预测模型。结果显示,CARS+SVM建立的预测模型最优,模型的校正集相关系数为0.981 4,预测集相关系数为0.900 2,模型能够准确预测哈密瓜可溶性固形物含量。