红茶感官品质及成分近红外光谱快速检测模型建立

以在发酵过程中小叶种工夫红茶为研究对象,分别建立了基于近红外光谱检测技术的感官品质评分和理化品质指标(茶黄素、茶红素、茶褐素、儿茶素和酚氨比)的定量分析模型。在模型建立过程中,探讨了特征变量优选方法对预测模型的影响。首先,对获取的近红外光谱数据进行标准正态变量变换法(standard normal Z transformation,SNV)预处理,进而采用联合区间偏最小二乘回归(synergy interval PLS,Si-PLS)、随机蛙跳算法(shuffled frog leaping algorithm,SFLA)、竞争性自适应权重取样法(competitiveadaptivereweightedsampling,CARS)和连续投影(successive projections algorithm,SPA),筛选出各品质指标的最优特征波长变量;最后基于优选波长分别建立各发酵品质指标的偏最小二乘法(partial least squares regression,PLS)线性预测模型和支持向量机(support vector regression,SVR)非线性预测模型。模型结果比较表明,Si、CARS、SFLA和SPA等变量筛选方法可有效压缩变量,以及进一步提高模型精度。非线性模型的预测均方根误差值(root-mean-square error of prediction,RMSEP)均明显小于PLS模型,相关性系数(correlation coefficient,R)和相对分析误差(relative percent deviation,RPD)均高于PLS模型。对于红茶发酵品质的检测上,非线性模型性能优于线性模型。感官品质、茶褐素和儿茶素的最优变量SVR预测模型的RPD值分别为3.923、3.234和5.462,酚氨比和茶红素模型的RPD值分别为2.815和2.223。除茶黄素的评价模型外(RPD为1.77),基于最优特征波长的各品质指标SVR模型的RPD值均大于2,表明模型具有极好的预测性能。研究结果为实现工夫红茶发酵品质的近红外光谱快速检测的实际应用奠定理论基础。     

连续投影算法在砂糖橘总酸无损检测中的应用

酸度是评价砂糖橘品质的重要指标之一,为了消除光谱变量间的共线性影响、减少建模变量以提高校正速度,该文应用连续投影算法(SPA)对砂糖橘总酸近红外光谱无损检测模型进行优化。利用连接点修正方法修正近红外光谱,结合学生化残差图和模型回归图剔除异常样本,利用SPXY(sample set partitioning based on joint x-y distances)方法划分样本集,最后利用SPA进行变量选择,比较SPA选择的变量建模和全光谱变量PLS模型的预测效果,并分析橘皮对总酸模型的预测精度的影响程度。     

基于电子舌技术的绿茶滋味品质评价

该文研究利用电子舌技术快速评价绿茶的滋味品质。试验以“碧螺春”绿茶为研究对象,以绿茶滋味化学鉴定法作为绿茶滋味品质的评价方法,获得的滋味总得分值作为电子舌评价模型的参考测量值。在数据分析过程中,首先对不同生产日期的碧螺春茶汤滋味总得分值和各传感器响应值进行单因素方差分析;然后对比采用偏最小二乘法和最小二乘支持向量机建立电子舌传感器响应值与滋味总得分值之间的相关模型。结果显示不同生产日期对绿茶滋味品质及各传感器响应信号都具有极显著影响;当采用4个主成分时,建立的最小二乘支持向量机模型最优。用独立样本检验模型精度,模型预测值与参考值的相关系数为0.906,预测集均方根误差为4.077。研究结果可为茶叶品质智能化评价提供参考。     

基于IRIV算法优选大豆叶片高光谱特征波长变量估测SPAD值

在植物叶绿素特征波长变量筛选过程中,与叶绿素关系较弱的波长变量极易被忽略,导致这些弱信息变量包含叶绿素的有效信息丢失,因此,确定叶片光谱中弱信息变量对揭示叶绿素高光谱响应规律具有重要意义。该研究以江汉平原大豆鼓粒期的叶片为研究对象,采集80组大豆叶片高光谱和SPAD(soil and plant analyzer development)值,分析SPAD值与大豆叶片反射率相关关系和光谱波长变量自相关关系,基于迭代和保留信息变量法(iteratively retains informative variables,IRIV)筛选大豆叶片的特征波长变量,建立偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)和支持向量机(support vector machine,SVM)模型估测SPAD值。结果表明,大豆叶片SPAD值与光谱反射率在可见光波段具有极显著负相关,在近红外波段存在不显著的正相关性(P0.01);可见光、近红外2波段的波长变量之间相关性较弱,但2波段内变量之间的相关性较强;基于IRIV算法确定了大豆叶绿素的特征波长变量,利用特征波长变量建立的估测模型的估测能力高于仅利用强信息波长变量建立的估测模型,表明弱信息变量对估测叶片SPAD值具有重要意义;IRIV-SVM模型估测能力最优,验证集R2和相对分析误差(RPD)分别为0.73、1.82。该文尝试证明了光谱中弱信息变量的重要性,为揭示叶片高光谱响应机理提供了理论依据。     

霉变稻谷脂肪酸含量的光谱检测模型构建与优化分析

为了实现霉变稻谷脂肪酸含量无损、快速检测,该文研究应用可见/近红外光谱技术检测霉变稻谷的脂肪酸含量。考虑到直接选用霉变稻谷可见/近红外光谱数据构建脂肪酸含量预测模型存在建模费时、预测失准等问题,研究提出了霉变稻谷脂肪酸含量的可见/近红外优化校正模型。研究中通过光谱-理化值共生距离(sample set partitioning based on joint xy distance,SPXY)算法结合偏最小二乘法初步分析了不同校正集样本预测霉变稻谷脂肪酸含量的差异;利用连续投影算法(SPA)提取了反映霉变稻谷脂肪酸含量变化的特征波段;采用偏最小二乘法(partial least square,PLS)和多元线性回归法(multivariable linear regression,MLR)分别建立了基于特征波段光谱反射值的霉变稻谷脂肪酸含量预测模型,并对比分析了采用SPXY样本集划分的模型预测效果。结果表明:采用SPXY法筛选出的65个校正集样本分布与初始校正集相近,脂肪酸含量变化范围为18.55~127.26 mg,其标准差为32.39;SPA算法最终从256个全光谱波段中优选出9个特征波段,实现了光谱数据的压缩;分别建立的SPXY-SPA-PLSR模型和SPXY-SPA-MLR模型预测霉变稻谷脂肪酸含量相关系数RP为0.922 1和0.915 9,预测均方根误差RMSEP为13.889 3和14.261 0;SPXY筛选校正集所构建模型预测精度与初始校正集所建模型相当,但校正集样本数量减少为初始校正集的41%,运算时长缩短为初始样本集的32%,提高了模型的校正速度。     

基于最小二乘支持向量回归的鹅肉弹性的可见-近红外光谱测定

为简化鹅肉弹性的可见-近红外光谱模型和提高预测精度,采用联合区间偏最小二乘法(synergyinterval partial least square algorithm,siPLS)结合遗传算法(Genetic algorithm,GA)提取可见-近红外光谱特征波长,用最小二乘支持向量回归(least square support vector for regression,LSSVR)建立鹅肉弹性的预测模型。试验以万能试验机获取恢复距离S作为鹅肉弹性实际值。在模型建立过程中,先利用sym8小波的2层分解对原始的可见-近红外光谱进行光谱预处理;然后用siPLS优选出4个特征光谱子区间(分别为第3、5、9、13子区间),在这4个特征光谱子区间内继续用GA优选出74个特征波长,并建立基于LSSVR的鹅肉弹性的预测模型。模型预测集的决定系数(R2)和预测均方根误差(root mean squarederror of prediction,RMSEP)分别为0.9096和0.0588。试验结果表明,siPLS结合GA法能够有效提取光谱中的鹅肉弹性对应的特征波长,有利于提高LSSVR模型预测鹅肉弹性的精度。     

iPLS-SPA变量选择方法在螺旋藻粉无损检测中的应用

该文研究了基于可见-近红外光谱技术的螺旋藻粉类别无损检测方法。采用簇类独立软模式法（SIMCA）建立可见-近红外光谱模型。全波段光谱所建立的模型得到了93.33%的预测集正确率。文章提出了基于间隔偏最小二乘法（iPLS）和连续投影算法（SPA）的组合光谱变量选择方法进行有效波长的选择。该方法从全波段675个变量中选择了5个最优的有效波段,并且得到了96.67%的预测集正确率。和基于全波段光谱、可见光波段光谱和近红外波段光谱进行SPA运算相比,基于iPLS的SPA运算可以有效减少计算时间。研究表明可见-近红外光谱可以用于对螺旋藻粉类别进行无损检测,同时iPLS-SPA是一个有效的光谱变量选择方法。     

高光谱估算土壤有机质含量的波长变量筛选方法

土壤高光谱数据量大、波段维数高,存在光谱信息无效、冗余和重叠现象,导致基于全波段构建的土壤有机质含量反演模型不稳定、精度难以提升。因此,探寻筛选关键波长变量的方法,通过滤除干扰、冗余、共线信息,提高模型预测性能,是目前土壤高光谱研究的热点之一。该文对江汉平原公安县的土壤样本进行室内理化分析、光谱测量与处理等工作获取了实证数据,采用无信息变量消除法(uninformative variables elimination,UVE)剔除无效变量,利用竞争性自适应重加权算法(competitive adaptive reweighted sampling,CARS)滤除冗余变量,运用连续投影算法(successive projections algorithm,SPA)消除共线变量,并尝试将不同类型的筛选方法进行耦合筛选关键波长变量,应用偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)分别建立土壤有机质含量估算模型,对比各种变量筛选方法的优缺点,最终,构建筛选土壤高光谱数据关键变量的方法体系。研究结果表明,除SPA方法的模型精度低于全波段外,其他6种变量筛选方法的建模效果均优于全波段;在3种单个变量筛选方法中,CARS方法优于UVE、SPA变量筛选方法,能有效地筛选出重要波长变量,其预测集相对分析误差RPD值为2.84;综合比较各种变量筛选方法,发现CARS-SPA方法从全波段2 001个波长中筛选出37个特征波长建立的土壤有机质含量的PLSR模型效果最好,其模型预测集的决定系数R2和相对分析误差RPD值分别为0.92、3.60,所选波段仅为全波段的1.85%。CARS-SPA-PLSR模型简单、预测效果好,可作为该区域土壤有机质含量估测的重要方法,对今后土壤近地传感器设备的开发具有一定的指导作用。     

近红外光谱变量筛选提高西瓜糖度预测模型精度

水果的内部品质是水果分级、保鲜及存储的一项重要指标,利用近红外光谱技术对西瓜内部品质进行快速无损检测研究有着非常重要的意义。为了研究变量筛选方法对西瓜糖度预测模型精度的影响,该文以麒麟瓜为研究对象,利用近红外漫透射光谱技术对麒麟瓜可溶性固形物含量（SSC）进行检测,采用偏最小二乘回归（PLSR）,多元线性回归（MLR）和主成分回归（PCR）建立麒麟瓜可溶性固形物数学模型,并探讨等间隔平均光谱和等间隔抽取光谱变量筛选结合连续投影算法（SPA）对预测模型精度的影响。研究结果表明：光谱经等间隔抽取（间隔5,115个变量）经归一化预处理,结合SPA优选出6个波长建立的PLSR预测模型的相关系数（rpre）为0.828、校正均方根误差（RMSEC）为0.589、预测均方根误差（RMSEP）为0.611。该模型预测效果相对较优,建模时间短,提高了模型的预测能力和预测精度。该研究为西瓜内部品质的在线无损检测提供研究基础。     

近红外光谱联合CARS-PLS-LDA的山茶油检测

为了寻找快速判别山茶油掺假的检测方法,本研究利用近红外光谱技术对掺杂大豆没油山茶油进行掺假检测研究.试验在350～1 800 nm波段范围内采集样本的透射光谱,利用CARS方法筛选重要的波长变量,应用偏最小二乘-线性判别分析(PLS-LDA)建立山茶油掺假的判别模型,并与未经变量优选的判别模型进行比较.结果表明,近红外光谱技术联合CARS-PLS-LDA方法可以有效判别纯山茶油和掺假山茶油,校正集、预测集及独立样本组样本的判别正确率、灵敏度及特异性均为100％.CARS-PLS-LDA判别模型性能优于未经变量优选的判别模型,表明CARS方法可以有效筛选重要波长变量,能简化判别模型及提高判别模型的稳定性和判别精度.本研究可为山茶油掺假快速检测提供理论依据.     

基于数据融合策略的红茶发酵程度判别

发酵是红茶加工过程中关键的一道工序,对红茶的品质形成有着重要影响。该研究以大叶种英德红茶中的英红九号为研究对象,试验收集了204份不同发酵时间的红茶样品并使用便携式近红外光谱仪和工业相机获取红茶发酵中的信息,基于近红外光谱数据、图像数据和数据融合策略分别建立了红茶发酵程度判别模型。通过分析茶多酚和儿茶素类含量的变化,将红茶的发酵划分为3个阶段,即发酵不足、发酵适度和发酵过度。采用Savitzky-Golay光滑对原始光谱进行预处理,利用竞争自适应重加权采样（Competitive Adaptive Reweighted Sampling, CARS）、连续投影算法（Successive Projections Algorithm, SPA）和主成分分析（Principal Components Analysis, PCA）对近红外光谱变量进行降维处理;相应地,图像进行去阴影后提取了9个颜色特征变量,采用皮尔森（Pearson）相关分析和主成分分析进行特征变量提取。最后采用线性判别分析（Linear Discriminant Analysis, LDA）和支持向量机（Support Vector Machine, SVM）分别建立了基于近红外、图像和两者数据融合的分类模型。结果表明,在建模数据相同的条件下,非线性的支持向量机模型性能优于线性判别分析模型。单一传感器数据建模效果不佳,近红外光谱和图像判别模型的预测集最大准确率仅为83.82%和73.53%。低层次数据融合建模效果较单一传感器数据建模无明显提升,而中层次的数据融合建模效果比单一数据建模均有显著提高,其中SPA提取光谱变量结合Pearson提取图像变量建立的判别模型效果较佳,校正集和预测集准确率分别达到了97.06%和95.59%。研究表明,近红外光谱和视觉结合的中层次融合策略可以作为一种快速判别红茶发酵程度的方法,研究结果为红茶发酵程度构建等级模型与判别奠定了一定的理论基础,为红茶发酵的自动化检测提供了重要依据。     

基于嗅觉可视化和近红外光谱融合技术的海鲈鱼新鲜度评价

为了实现鱼类新鲜度的快速无损检测,该研究尝试利用嗅觉可视化与近红外光谱融合技术对鱼的挥发性盐基氮含量进行预测,从而评价其新鲜度。试验对象选用海鲈鱼,4℃冷藏待测。用主成分分析法对从可视化传感器阵列提取到的特征变量进行降维,用遗传算法结合偏最小二乘法对预处理后的近红外光谱特征变量进行筛选,将降维和筛选后的变量进行特征层融合。用支持向量回归算法分别建立基于嗅觉可视化、近红外光谱和多传感器信息融合技术的挥发性盐基氮含量预测模型。基于嗅觉可视化技术的模型的预测集决定系数R2 p为0.757,均方根误差RMSEP为6.755 mg/100g;基于近红外光谱技术的模型的决定系数R2 p为0.787,均方根误差RMSEP为6.186 mg/100g;而融合模型的决定系数R2 p为0.882,均方根误差RMSEP为4.585 mg/100g,与前两个模型相比,预测更准确。研究结果表明,利用嗅觉可视化和近红外光谱融合技术评价海鲈鱼新鲜度是可行的。     

基于近红外光谱的大豆叶片可溶性蛋白含量快速检测

可溶性蛋白是植物生化及抗性生理研究的重要指标之一。快速、准确、无损测定可溶性蛋白含量对作物生长状况的动态监测及抗性作物品种的筛选具有重要意义。近红外光谱具有快速、简单方便、非破坏性的特点,已在农业、食品、化工等领域广泛应用,尤其是近年来基于光谱技术快速无损的获取作物生理生化信息的研究已成为当前农业领域研究的热点。本文采用近红外光谱技术结合化学计量学方法以实现大豆叶片可溶性蛋白含量的快速无损检测。首先,采用Savitzky-Golay平滑(SG)、一阶导数(1-Der)、二阶导数(2-Der)等7种光谱预处理方法分别建立大豆叶片可溶性蛋白含量的偏最小二乘(PLS)预测模型,经对比发现SG预处理方法为大豆叶片可溶性蛋白含量预测的最优光谱预处理方法。其次,分别采用连续投影算法(SPA)、随机蛙跳(RF)和遗传算法(GA)对SG预处理后的光谱数据进行特征波长提取。最后,基于提取的特征波长分别建立了大豆叶片可溶性蛋白含量的SPA-PLS、RF-PLS和GA-PLS预测模型,发现基于SPA提取的11个特征波长建立的大豆叶片可溶性蛋白含量SPA-PLS模型具有最佳的预测效果,其预测集相关系数(R2p)为0.864,预测均方根误差(RMSEP)为1.894 mg/g,预测偏差为2.061(RPD)。上述结果表明,应用近红外光谱技术检测大豆叶片中可溶性蛋白含量是可行的,可为大豆生长状况动态监测及抗性大豆品种的筛选提供新的方法。     

基于近红外高光谱成像技术鉴别杂交稻品系

种子的筛选和鉴别是农业育种过程中的关键环节。该文基于近红外高光谱成像技术(874~1 734 nm)结合化学计量学方法以及图像处理技术实现杂交稻种的品系鉴别及可视化预测。采集了3类不同品系共2 700粒杂交水稻的高光谱图像,用SPXY算法,按照2∶1的比例划分建模集和预测集。基于水稻样本的光谱特征,采用主成分分析(PCA)方法初步探究3类样本的可分性。采用连续投影算法(SPA),提取出7个特征波长:985.08、1 106、1 203.55、1 399.04、1 463.19、1 601.81、1 645.82 nm。基于特征波长和全波段光谱,建立了偏最小二乘判别分析(PLS-DA)和支持向量机(SVM)模型。试验结果表明,所建模型判别效果较好,识别正确率均达到了90%以上,其中,SVM模型的判别效果优于PLS-DA模型,基于全谱的判别分析模型结果优于基于特征波长的判别模型。结合SPA-SVM校正模型和图像处理技术,生成样本预测伪彩图,可以直观的鉴别不同品系的水稻种子。结果表明,近红外高光谱成像技术可以实现杂交稻的品系识别及可视化预测,为农业育种过程中种子的快速筛选及鉴定提供了新思路。     

基于dbiPLS-SPA变量筛选的固态发酵湿度近红外光谱检测

为了提高基于近红外光谱技术的固态发酵关键过程参数——湿度快速检测的精度和稳定性,研究采用动态反向区间偏最小二乘（dbiPLS）法结合连续投影算法（SPA）进行最佳光谱子区间和特征组合变量的筛选,通过交互验证法确定偏最小二乘（PLS）模型的主成分因子数,并以预测均方根误差（RMSEP）和相关系数（Rp）作为模型的评价标准。试验结果显示,最佳dbiPLS-SPA模型筛选的组合变量个数为8,其RMSEP和Rp分别为1.1795%（质量分数）和0.9430。试验结果表明,dbiPLS-SPA是一个有效的波长组合变量筛选方法,可简化模型结构、增强模型精度和稳健性。     

基于机器视觉和近红外光谱技术的杏干品质无损检测

干果品质直接影响其市场销售。该研究以杏干为对象探讨用机器视觉和近红外光谱技术快速无损检测干果内外品质的方法。拍摄杏干4个不同位置的彩色图像,用基于区域骨架化的填充法分割杏干,提取每种角度下的面积。从100个正常杏干样本中随机挑选75个为校正集,25个为预测集,用多元线性回归对杏干的实际质量和4个面的面积建模,得到校正集和预测集相关系数分别为0.9374和0.9307,杏干质量分级的准确率为90%。提出用基于平均灰度的区域增长法提取杏干缺陷,缺陷检测的准确率为84.5%。采用SNV对杏干近红外光谱进行预处理,然后分别采用偏最小二乘法(PLS)、向后区间偏最小二乘法(biPLS)及联合区间偏最小二乘法(siPLS)建立杏干糖度预测模型。结果表明,当全光谱范围被划分为22个子区间,优选出区间[17、2、3、9、20、13、7、18、15、11、6],主因子数为10时建立的biPLS糖度模型性能最好。其校正集相关系数和校正均方根误差分别为0.8983和1.23,预测集相关系数和预测均方根误差分别为0.8814和1.46。研究表明,机器视觉结合近红外光谱技术能对杏干内外品质进行综合检测,也可为其他干果的品质检测提供借鉴。     

利用近红外光谱技术检测掺假豆浆

为了对豆乳内在营养指标及掺假豆乳进行快速检测,试验运用近红外光谱技术,利用偏最小二乘法进行回归分析,分别建立83个真伪豆浆样品的蛋白质和总固形物含量定标模型,并对模型的预测性能进行分析。结果表明:选取主成分数为12和14,蛋白质和总固形物含量的近红外光谱预测值与化学实测值之间的相关系数R分别为0.9756和0.9489,校正均方根误差分别为0.186和0.175,预测集样品的预测值和实测值之间的残差值均较小、接近零,残差之和分别为-0.074和-1.191,说明建立的定标模型可以准确预测豆浆中蛋白质和总固形物含量,且预测性能较好;通过对预测集样品的预测值与豆浆行业标准规定值相比较,确定预测集样品中掺假豆浆的正确判别率为100%,说明建立的蛋白质和总固形物含量定标模型可以应用于掺假豆浆的判别检测,且判别结果准确率高。本试验表明利用近红外光谱技术可实现对豆浆主要品质指标的快速无损检测,也可准确进行真伪豆浆的快速判别,本检测方法可为豆乳行业健康持续发展提供一定的技术支撑。     

基于变量选择的蚕茧茧层量可见-近红外光谱无损检测

以蚕茧茧层量为研究对象,研究了基于可见-近红外光谱技术的蚕茧茧层量无损检测方法。采用最小二乘支持向量机（least square-support vector machine,LS-SVM）建立可见-近红外光谱模型。采用无信息变量消除算法（uninformative variable elimination, UVE）与连续投影算法（successive projections algorithm, SPA）相结合选取光谱有效波长。结果表明,基于UVE-SPA法进行变量选择,最终将原始光谱的600个光谱变量减少到了8个（673,937,963,982,989,992,995和1 008 nm）。基于此8个变量建立的LS-SVM模型得到了预测集的确定系数（Rp2）为0.5354,误差均方根（RMSEP）为0.0373的预测结果。表明可见-近红外光谱可以用于对蚕茧的茧层量进行无损检测,同时UVE-SPA是一种有效的光谱变量选择方法。     

近红外光谱快速检测马铃薯全粉还原糖

还原糖含量是评价马铃薯全粉品质的重要指标之一,该文研究基于近红外光谱技术结合最小二乘支持向量机（least squares support vector machine,LSSVM）算法的马铃薯全粉还原糖含量非线性数学模型。采用移动窗口偏最小二乘法（moving windows partial least square,MWPLS）和连续投影算法（successive projections algorithm,SPA）组合方法筛选出20个特征变量,作为LSSVM的输入向量。优化径向基函数（radial basis function,RBF）的惩罚因子和核参数,训练LSSVM校正模型。经比较,LSSVM校正模型预测结果最优,预测相关系数为0.984,预测标准差为0.223%,相对分析误差（standard deviation ratio,SDR）为5.62。结果表明：近红外光谱结合LSSVM算法提高了马铃薯全粉还原糖含量的预测精度。     

利用近红外高光谱图像技术快速鉴别西瓜种子品种

为了研究采用近红外高光谱图像技术对西瓜种子品种快速无损鉴别的可行性,该文采用近红外高光谱图像技术,通过提取西瓜种子的光谱反射率,结合Savitzky-Golay (SG)平滑算法,经验模态分解算法（empirical mode decomposition,EMD）和小波分析（wavelet transform,WT）对提取出的光谱数据进行去除噪声处理,采用连续投影算法（successive projections algorithm,SPA）和遗传-偏最小二乘法（genetic algorithm-partial least squares, GA-PLS）进行特征波长选择。基于全波段光谱建立了偏最小二乘判别分析（partial least squares-discriminant analysis,PLS-DA）,基于特征波长建立了反向传播神经网络（back-propagation neural network,BP NN)判别模型和极限学习机（extreme learning machine,ELM）判别模型。试验结果表明,基于特征波长的BPNN模型和ELM模型的结果优于基于全部波长的PLS-DA模型,基于SG预处理光谱提取的特征波长建立的ELM模型取得最优的判别效果,建模集和预测集的判别正确率均为100%。结果表明应用近红外高光谱成像技术对西瓜种子品种鉴别是可行的,为西瓜种子的品种快速鉴别提供了一种新方法。