基于介电频谱技术的甜瓜品种无损检测

研究应用介电频谱技术实现对甜瓜的无损、快速及准确分类。以陕西杨凌某4家大棚外形相似的"红阎良"、"新早蜜"、"208"及"玛瑙"等4类成熟甜瓜为研究对象,采用矢量网络分析仪测量共246个样品在20 MHz~4 500 MHz的介电频谱。用Kennard-Stone方法划分校正集与验证集,分别建立支持向量机(support vector machine,SVM)和极限学习机(extremelearning machine,ELM)种类判别模型,并比较全频谱(full frequencies,FF)、连续投影算法(successive projectionalgorithm,SPA)和主成分分析(principal componentanalysis,PCA)等不同预处理方法对模型精度的影响。结果表明:1)所建6个判别模型验证集总正确率均大于96%,均可用于甜瓜种类的判别。2)对比3种预处理方法,FF完好地保留了样品的原始信息,2种判别模型的验证集总正确率都达到了100%,但由于存在干扰信息导致模型稳定性不好;PCA方法选择能代表原谱信息99.99%的前10个主成分信息用来建模,能有效简化模型,但验证集每个模型均有误判,两种判别模型总正确率分别为96.72%及98.36%;SPA从202个变量中提取17个特征变量参与建模,验证模型整体稳定性较其他两种好,总正确率分别达到96.72%和100%。3)综合考虑判别模型的验证集总正确率及模型稳定性,SPA-ELM模型判别效果最好,验证集总正确率达到100%,更适用于基于介电频谱的甜瓜种类判别。因此,基于甜瓜的介电频谱,通过支持向量机和极限学习机方法可以成功区分甜瓜种类,为甜瓜的无损检测及分类研究提供了一种新方法。     

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。     

基于介电特性与SPA-SVR算法的水稻含水率检测方法

为提高基于介电法水稻含水率的检测精度,以北粳3号水稻为研究对象,利用阻抗分析仪及自制同轴圆柱型电容器测量了不同含水率水稻在1 kHz～1 MHz频率下的相对介电常数ε′及介质损耗因数ε"。采用x-y共生距离法划分了72个样本校正集和48个样本预测集。利用无信息变量消除法及连续投影法选取介电参数(ε′、ε"及ε′和ε"两者结合)的特征变量,分别利用所提取的特征变量以及单频、全频下的介电参数来建立预测水稻含水率的多元线性回归及支持向量机回归模型,分析模型的预测性能,并对最佳模型的含水率预测结果进行温度补偿。结果表明:基于ε′与ε"两者结合并利用连续投影法提取特征变量建立的支持向量机回归模型预测效果最佳,其预测集决定系数为0.980,预测均方根误差为0.403%。最佳预测模型对不同品种水稻的含水率预测值与烘干法测得的含水率实测值的绝对误差集中分布在±0.5%内,该研究可为粮食含水率的检测提供参考。     

基于介电特性的海沃德猕猴桃品质检测

为研究猕猴桃的介电特性与其主要品质之间的关系,本试验通过测定不同贮藏时期海沃德猕猴桃的介电特性、营养成分、色差及质构指标,用连续投影算法(SPA)和遗传算法-偏最小二乘法(GA-PLS)筛选出各品质指标(Vc、可溶性固形物、ΔE、硬度、粘聚性和弹性)的特征频率点,建立猕猴桃品质指标的预测模型并进行验证。结果表明,建立 Vc和ΔE值的最优模型为连续投影算法结合神经网络模型,可溶性固形物、硬度、粘聚性和弹性的最优模型为遗传算法-偏最小二乘法结合神经网络模型,模型对各指标预测的决定系数分别为0.971、0.934、0.922、0.984、0.908和0.954,各品质指标预测值与实测值无显著差异(P>0.05)。综上所述,介电检测技术结合SPA和GA-PLS可用于预测猕猴桃的特征品质。本研究结果为猕猴桃品质的无损检测奠定了基础。     

基于介电特性与IRIV-GWO-SVR算法的番茄叶片含水率检测

为了探究利用介电特性检测作物水分状况的可行性,研究了一种基于介电特性的有效、快速、精确检测番茄叶片含水率的方法。以300片不同含水率的番茄叶片为研究对象,通过LCR测量仪测定叶片在0.05~200 k Hz下的相对介电常数ε′和介质损耗因数ε″,并采用干燥法测量叶片含水率。利用迭代保留信息变量法(iteratively retains informative variables,IRIV)对介电参数进行特征变量选取,并与连续投影算法(successive projections algorithm,SPA)进行比较,利用支持向量回归机(support vector regression,SVR)分别建立叶片全变量、2种特征变量与叶片含水率的关系模型。结果表明,基于迭代保留信息变量法选取特征变量的支持向量回归模型(IRIV-SVR)具有良好的预测能力,但预测精度仍需提高,故引入灰狼优化算法(grey wolf optimizer,GWO)优化模型的参数c(惩罚因子)和g(核函数参数)。最终,经GWO优化后的模型(IRIV-GWO-SVR)的预测集决定系数R2与均方根误差RMSE分别为0.963 8,0.020 7。因此,利用介电特性结合IRIV-GWO-SVR算法预测番茄叶片含水率是可行的,同时为其他叶片含水率检测提供了一种新的方法和思路。     

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。     

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。     

漫透射法无损检测荔枝可溶性固形物

为了快速无损检测荔枝内部品质并为荔枝快速检测分级提供科学依据,研究荔枝可溶性固形物无损检测途径。该文首先针对荔枝果皮较硬而且凹凸不平的特征,比较了漫反射法和漫透射法的试验效果,接着采用多种预处理方式对漫透射光谱进行了处理,并采用连续投影算法结合相关系数法优选建模波长,最后比较了最小二乘法和神经网络法的建模效果。试验结果显示漫透射方式是较好的荔枝光谱采集方式;通过连续投影算法结合相关系数法,从全部500个波长变量中最终提取出11个优选波长,只占波长总数的2.2%;基于这11个波长的神经网络模型的预测相关系数为0.867,预测均方根误差为0.370%。结果表明基于漫透射法进行荔枝可溶性固形物无损检测是可行的。     

基于极限学习机利用可见-近红外光谱数据判别土壤类型的方法研究

为了实现土壤类型的快速无损识别,提出了一种利用可见-近红外光谱、基于极限学习机的土壤类型鉴别方法。首先,获取4种不同类型土壤的320个样本波长在325～1075 nm范围内的可见-近红外光谱数据;其次,用主成分分析的数学方法对数据进行降维处理,最终提取了三个主成分来代表原光谱数据;再次,将320个样本的数据随机分为测试集和预测集两个部分,建立极限学习机模型,利用该模型对土壤类型进行识别。实验结果表明,将极限学习机应用于土壤类型的识别精度可达100%,其训练速度和泛化性优于BP神经网络和支持向量机,能够快速、准确、无损鉴别土壤类型,使用方便,具有推广价值。     

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。     

基于介电频谱的灵武长枣可溶性固形物含量的预测模型

为了探寻利用介电频谱预测灵武长枣可溶性固形物含量的可行性,并建立最优模型,该文采用网络分析仪在200 MHz~18 GHz的频率范围内,选取101个频率点,测定分析了300个灵武长枣的介电损耗因子ε″和介电常数ε'频谱,利用长枣的介电损耗因子ε″和介电常数ε'进行了可溶性固形物含量的预测模型研究。通过遗传算法(genetic algorithm,GA)和相关系数法(correlation coefficient,CC)提取了介电频谱的有效信息,并分别采用偏最小二乘(partial least squares,PLS)、主成分回归(principal component regression,PCR)和支持向量机(support vector machines,SVM)法比较建立了可溶性固形物含量的预测模型。研究结果表明:用GA与CC方法提取频谱有效信息的建模效果要优于原始频谱的建模效果;PCR法的建模效果要优于PLS与SVM法的建模效果。以介电损耗因子ε″、介电常数ε'频谱建立的可溶性固形物含量的最优预测模型分别为GA-PCR和CC-PCR。以介电损耗因子ε″建立的GA-PCR模型优于介电常数ε'的CC-PCR模型,其校正集和预测集的相关系数分别为0.933和0.925,均方根误差分别为0.661%和0.702%。结果表明,利用介电频谱预测灵武长枣的可溶性固形物含量是可行的。     

柑桔叶片黄龙病光谱特征选择及检测模型

为探索高光谱技术诊断黄龙病及分类的可行性,通过变量筛选方法组合为高维数据实用化提供参考。采集柑桔叶片高光谱图像并进行普通(polymerase chain reaction,PCR)鉴别分为轻度、中度、重度、缺锌和正常5类样品。用无信息变量消除算法(uninformative variable elimination,UVE)剔除无关信息,组合遗传算法(genetic algorithm,GA)和连续投影算法(successive projections algorithm,SPA)筛选变量,对数据进行降维。结合极限学习机(extreme learning machine,ELM)和最小二乘支持向量机(least squares support vector machine,LS-SVM)构建柑桔黄龙病判别模型。对预测样品进行诊断分类,来评价模型判别能力。经对比发现,UVE组合SPA筛选变量后的LS-SVM模型效果最好,该模型以Link_kernel函数为核函数,惩罚因子(γ)最小为1.07,误判率最低为0。用全谱作输入变量时LS-SVM模型复杂程度最高且预测能力最差,误判率最高为11.9%,可能是包含无用信息和冗余信息变量造成的。研究显示,UVE组合SPA筛选变量,结合LS-SVM对柑桔黄龙病诊断并分类具有一定可行性,为高维度数据实用化提供一定参考价值。     

Quantitative analysis of soil nitrogen and carbon at a farm scale using visible and near infrared spectroscopy coupled with wavelength reduction

Reducing large spectral datasets to parsimonious representations of wavelengths is of value for efficient storage and easing analysis, in addition to the potential to use a simpler and cheaper spectrophotometer. This study evaluated the potential of calibrating visible and near infrared (vis‐NIR) spectra to total nitrogen (N), total carbon (C), organic C and inorganic C in soil on a 15‐ha farm, with the aim of comparing several wavelength reduction algorithms and rates in terms of model prediction accuracy. We explored the uninformative variables elimination (UVE), UVE coupled with successive projections algorithm (SPA) and two uniform‐interval wavelength reduction approaches (UWR‐I and UWR‐II) with successive wavelength reduction rates (WRRs) of 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500 and 1000. The standard normal variate (SNV)‐transformed absorbance spectra of soil samples recorded from 400 to 2499 nm at 1‐nm intervals were used. The calibration sets were subjected to a partial least squares regression (PLSR) with leave‐one‐out cross‐validation. Prediction results showed that UVE can reduce wavelength variables significantly while retaining good model prediction accuracy. The UVE‐SPA produced only three or four wavelengths, with which PLSR models achieved competitive prediction performance, compared with those based on all 2100 wavelengths, with coefficient of determination (R²) of 0.91, 0.89, 0.91 and 0.53 and residual prediction deviation (RPD) of 3.53, 2.95, 3.27 and 1.53 for soil total N, total C, organic C and inorganic C, respectively. The UWR tests showed that PLSR models responded insensitively to various WRRs from 2 to 100. The models calibrated for the 100‐nm interval spectra (21 remaining wavelengths) performed almost as well as those for the 1‐nm interval spectra. Although these findings might be valid only at the farm scale, it is recommended that the proposed wavelength reduction algorithms for more soil types and soils originated from larger areas should be examined.     

金银花贮藏过程中绿原酸含量的高光谱无损检测模型研究

绿原酸(chlorogenicacid,CGA)是评价金银花品质的重要指标。为了实现金银花贮藏期间CGA含量变化的快速有效检测,该文采集了500个不同贮藏时间(0～20d)的金银花高光谱图像,构建CGA含量的高光谱检测模型。为了提高模型性能,采用savizky-golay卷积平滑(SG),移动窗口平滑(moving average),标准正态变量(standard normal variable,SNV),基线校正(baseline correction,BC),多元散射校正(multiplicative scatter correction,MSC),正交信号校正(orthogonal signal correction,OSC)6种预处理方法并建立偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)模型,确定SNV方法为最佳预处理方法,其预测集的R2为0.976 6,RMSE为0.271 1%。为了简化校准模型,利用无信息变量消除(uninformative variable elimination,UVE),连续投影算法(successive projections algorithm,SPA),竞争性自适应加权算法(competitive adaptive reweighted sampling,CARS)以及UVE-CARS、UVE-SPA等方法对SNV预处理后的光谱提取特征波长。然后,分别基于全光谱数据和所选特征变量数据,建立线性偏最小二乘回归(PLSR)和非线性BP神经网络模型。结果表明:UVE-CARS算法可以有效地减少提取变量个数(共提取26个,仅占全光谱范围的3.2%),PLSR和BP模型的预测集R2分别为0.974 6和0.978 4,RMSE分别为0.286 3%和0.250 3%。非线性BP模型预测结果整体优于线性PLSR模型,在BP模型中,UVE-CARS-BP预测精度最高,预测集的R2和RMSE的值分别为0.978 4, 0.250 3%。综上,基于高光谱成像技术建立的SNV-UVE-CARS-BP模型,可以实现金银花贮藏过程中CGA含量变化的快速无损预测。     

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。     

蜜瓜和西瓜果汁的射频介电特性及其与糖度的关系(简报)

为了解果汁的介电特性与其主要内部品质——糖度之间的关系,该文利用末端开路的同轴探头和阻抗分析仪测量了10 MHz～1.8 GHz的频率范围内不同成熟度的3个品种密瓜汁和4个品种西瓜汁的介电特性,同时测量了反映果汁糖度的可溶性固形物含量和果肉的含水率,分析了介电特性和糖度间的关系。结果显示：密瓜和西瓜果汁的相对介电常数和介质损耗因数皆随频率的增大单调减小,品种间的差异对介电特性有影响;1.8 GHz下密瓜汁的损耗角正切与糖度有较好的线性关系,其决定系数为0.784,但西瓜汁的介电特性与糖度的相关性较差;密瓜和西瓜果汁的糖度与果肉的含水率有很好的线性相关性,其决定系数分别为0.973和0.906。该研究将为基于介电特性的果汁糖度检测仪的开发提供了研究基础。     

高光谱成像快速检测壳聚糖涂膜草莓可溶性固形物

为了对壳聚糖涂膜草莓可溶性固形物含量(soluble solids content, SSC)进行快速检测,该文采用高光谱成像仪(400～1 000 nm)对0,0.5%,1%浓度的壳聚糖(chitosan, CTS)涂膜草莓分别储藏1,2,4 d后进行成像,并测量样本SSC。通过分析SSC发现,0.5%和1%壳聚糖涂膜草莓,其SSC随着储藏天数的增加均高于0浓度壳聚糖涂膜草莓,说明了0.5%和1%壳聚糖涂层抑制了草莓中SSC的降低,能够延长草莓的新鲜口味。随后采用蒙特卡罗-偏最小二乘法(monte carlo-partial least squares, MCPLS)对异常样本进行剔除。对剔除异常样本后的光谱数据进行不同预处理,以确定最优的预处理方法。为提高运行速度和降低数据维数,采用竞争性自适应权重取样法(competitive adaptive reweighted sampling, CARS)和连续投影算法(successive projections algorithm, SPA)进行特征波段选择。最后,采用偏最小二乘回归(partial least square regression, PLSR)和支持向量回归(support vector regression, SVR)法建立回归模型。最终结果表明:SPA-SVR模型效果最佳,0浓度的壳聚糖涂膜的草莓,建模集精度Rc2为0.865,预测集精度Rv2为0.835;0.5%浓度的壳聚糖涂膜的草莓,建模集精度Rc2为0.808,预测集精度Rv2为0.799;1%浓度的壳聚糖涂膜的草莓,建模集精度Rc2为0.834,预测集精度Rv2为0.875。对储藏第4天的部分样本图像进行主成分分析(principal component analysis, PCA),结果显示除第二主成分图像(PC2)中有部分噪声影响外,PC1和PC3均能完整反映草莓信息,且PC3图像明显呈现出不同浓度壳聚糖涂膜草莓的褐变程度,说明不同浓度的壳聚糖涂膜也会对草莓货架期产生不同影响。综上说明利用高光谱成像技术可以实现壳聚糖涂膜草莓SSC快速检测,有效指导草莓保鲜处理。