基于光谱与纹理特征融合的绿萝叶绿素含量检测

[目的]本文旨在快速测定植物体内叶绿素含量,以提高无损测定叶绿素的准确性。[方法]以绿萝叶片为研究对象,提出一种串联融合高光谱特征与纹理特征的叶绿素SPAD值的无损检测方法。采集320片绿萝叶片样本在400～900 nm波段的光谱信息,使用Savitzky-Golay卷积平滑对原始高光谱图像进行预处理,利用连续投影算法(successive projections algorithm, SPA)选取出10个特征波段,对绿萝叶片高光谱图像中的RGB图像采用灰度共生矩阵算法(gray-level co-occurrence matrix, GLCM)提取其纹理特征,采用串联方法融合高光谱特征与纹理特征得到融合特征,分别建立单一特征和融合特征的误差反向传输人工神经网络(back propagation artificial neural network, BPANN)和支持向量机回归(support vector machine regression, SVR)模型。[结果]单一使用特征光谱数据或图像纹理数据作为特征值建立的预测模型,综合性能不稳定;基于串联融合特征的预测模型准确率有明显提升。基于串联融合特征的SVR模型具有最佳的预测结果,校正集决定系数R~2为0.961 2,预测集决定系数R~2为0.957 1。[结论]高光谱特征与纹理特征的融合特征可以提高叶绿素回归预测模型的准确性,为叶绿素含量无损检测提供了重要参考。     

基于SAGA-SVR预测模型的水稻种子 水分含量高光谱检测

[目的]利用高光谱技术测定水稻种子的水分含量,为其品质监测和筛选提供参考依据,从而提高水稻良种筛选率.[方法]通过电烘箱恒重法制备120份不同水分含量的水稻种子样本作为研究对象,利用多项式平滑(Savitz-ky-Golay,S-G)算法对原始光谱数据进行降噪平滑处理,采用连续投影算法(Successive projections algorithm,SPA)对预处理后的数据进行特征波长的优选.为提高建模效率,提高各水分含量区间光谱特征值的区分度,使用模糊C-均值聚类(Fuzzy C-means clustering,FCM)算法对各区间的样本数据进行聚类处理,最后利用支持向量回归机(Sup-port vector regression,SVR)定量检测模型建立特征光谱数据与水稻种子水分含量的映射关系.[结果]由于FCM未达到预期的聚类效果,而引入遗传模拟退火算法(Simulated annealing genetic algorithm,SAGA)进行聚类,分别对基于原始特征值、FCM及SAGA聚类的SVR训练结果进行比较,发现基于SAGA聚类的光谱样本数据训练效果更好,预测集决定系数可达0.8956,均方根误差3.75%.由于决定系数不够理想,引入松弛变量降低间隔阈值,最终模型预测集决定系数为0.9286,均方根误差为3.42%,此时模型达最佳性能,能满足实际应用需求.[建议]基于聚类算法,提高光谱数据的准确性;通过合理调整模型参数,提高预测模型性能;推动高光谱农产品检测相关装备的研制.     

基于高光谱成像技术的三文鱼肉脂肪含量可视化研究

采用高光谱成像技术实现三文鱼的脂肪含量检测,并基于Matlab编程语言实现三文鱼肉脂肪含量分布的可视化。将5条整鱼按照相同切分规则切分成100个三文鱼样本,并分别采集100个样本的高光谱成像数据,在此基础上,提取每个样本感兴趣区域的光谱数据。利用偏最小二乘(PLS)模型,对100个样本的光谱数据进行三文鱼脂肪建模分析,其中75个样本组成建模集,25个样本组成预测集,分析结果显示,预测集决定系数为0.913,均方根误差(RMSEP)为0.921%。为简化模型,对全谱利用连续投影算法(SPA)提取特征波长,然后基于特征波长建立PLS模型,模型预测集的决定系数为0.913,均方根误差为0.920%,说明模型得到简化的同时,精度并没有降低。最后采用Matlab语言编程对三文鱼的脂肪含量进行可视化研究,结果显示,基于Matlab语言编程可以很形象地表达三文鱼的脂肪含量分布。     

基于高光谱成像技术的冷鲜羊肉嫩度检测方法研究

传统羊肉品质检测方法效率低、破坏样品,为实现冷鲜羊肉嫩度快速无损检测,以内蒙古锡林郭勒羊肉为研究对象,采用多元散射校正法对光谱进行校正,利用主成分分析法获得620.23、761.48、819.48 nm波长下的特征图像,并提取其纹理特征和颜色特征,分别建立羊肉嫩度的BP神经网络和支持向量机预测模型。结果显示,BP神经网络模型预测效果优于支持向量机模型预测效果,BP神经网络模型对预测集的决定系数（R2）和预测均方根误差（RMSEP）分别为0.85和1.86;支持向量机模型分别为0.77和2.37。研究表明,利用高光谱和图像信息特征层融合方法对冷鲜羊肉嫩度进行预测具有可行性。     

基于高光谱技术融合图像信息的杏鲍菇干燥过程中含水率检测

为了应用高光谱成像技术结合图像处理技术研究杏鲍菇含水率的快速无损检测以及含水率分布可视化,采集不同干燥时期共240个杏鲍菇样品在358～1 021 nm波段范围内的高光谱图像。利用阈值分割方法将图像中杏鲍菇区域与背景分离,提取杏鲍菇的平均光谱数据。采用连续投影算法(SPA)和稳定性竞争自适应重加权采样法(SCARS)分别筛选出5个和10个特征波长;采用主成分分析方法获得杏鲍菇的前2个主成分图像PC1、PC2,基于灰度共生矩阵(GLCM)提取主成分图像PC1、PC2共16个纹理特征。利用偏最小二乘(PLS)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)分别建立光谱特征、纹理特征以及光谱与纹理特征融合的含水率预测模型。结果表明:与光谱特征相比,纹理特征与含水率的相关性较差;光谱特征模型SCARS-LS-SVM预测效果最好,其预测集决定系数(R■)=0.975,均方根误差(RMSEP)=3.712,相对分析误差(RPD)=3.211。基于SCARS-LS-SVM模型,将杏鲍菇样品含水率分布用不同颜色直观显示,实现了含水率分布可视化。     

基于高光谱成像技术的羊肉新鲜度预测

为实现羊肉新鲜度的快速、无损检测,应用高光谱成像技术对不同存储天数的羊肉建立挥发性盐基氮TVB-N(Total volatile basic nitrogen,TVB-N)含量预测模型。通过高光谱成像系统获取羊肉样本935～2 539nm的高光谱图像,选取样本左上、左下、右上、右下和中间5个位置20×20像素的方形作为感兴趣区域(Region of interesting,ROI),提取ROI并计算区域内样本平均光谱。利用二进制粒子群优化算法(Binary particle swarm optimization,BPSO)和相关系数分析法(Correlation coefficient,CC)提取羊肉TVB-N高光谱特征变量,结合偏最小二乘回归(Partial least squares regression,PLSR)和随机森林回归(Random forest regression,RFR)建模算法,分别建立表征羊肉TVB-N含量的BPSO-PLSR、BPSO-RFR、CC-PLSR、CC-RFR预测模型。依据袋外均方根误差RMSEOOB最小原则,对最佳回归子树和分裂特征2个主要参数进行寻优以提高RFR建模算法的预测精度。比较4个模型的预测效果发现,BPSO-RFR模型的预测精度最高,其校正集决定系数R_c~2和均方根误差RMSEC分别为0.87和2.99,预测集决定系数R_p~2和均方根误差RMSEP分别为0.86和3.36。综上,高光谱成像技术和机器学习算法的有机结合为快速有效检测肉品新鲜度提供了理论依据。     

青砖茶茶汤滋味品质的近红外快速无损评价

在不破坏青砖茶样品的前提下,将近红外光谱技术与标准变量变换、一阶导数、二阶导数光谱等预处理方法和遗传算法相结合,剔除部分噪声信息和精准筛选最佳光谱信息数据点后,应用偏最小二乘法建立青砖茶茶汤品质预测模型。筛选的最佳光谱预处理方法为:标准变量变换+二阶导数,遗传算法筛选得到28个最佳建模光谱数据点;最佳偏最小二乘法模型对验证集样品的预测均方根误差为0.372 6,预测集决定系数为0.975 2;对未知茶汤品质的预测均方根误差为0.392 7,预测集决定系数0.970 2。结果表明,在青砖茶茶汤品质得分(73～93分)范围内,应用近红外光谱技术结合遗传算法和偏最小二乘法实现了对青砖茶茶汤品质的快速、准确评价。     

基于高光谱成像技术的生菜叶片水分检测研究

[目的]探索利用高光谱图像技术检测作物含水率的方法。[方法]以意大利全年耐抽苔生菜为试材,利用高光谱成像系统采集生菜叶片的高光谱图像,用ENVI V.4和Matlab V.7.0软件对高光谱图像进行处理。[结果]采用自适应波段选择法从所采集的生菜叶片高光谱图像数据中优选出特征波长1 420 nm;对每个样本特征波长下的图像进行分割,反转以及形态运算等操作得到目标图像;从每个目标图像中提取灰度均值、灰度标准差作为灰度特征,能量、熵、惯性矩、相关性的均值和标准差作为纹理特征;采用GA-PLS法选出最优特征子集,并建立基于最优特征的偏最小二乘回归模型,以检测生菜叶片的含水率。[结论]模型的预测值与实测值的相关系数R为0.902,精度明显高于基于灰度特征或纹理特征的预测模型。     

应用最大信息系数和支持向量机估测森林蓄积量

为了探究Landsat8 OLI影像和支持向量机算法在林分蓄积量估测中的潜力,以湖南省株洲市为研究区,以Landsat8 OLI卫星影像为遥感数据源,并结合同时期的湖南省森林资源二类调查数据,提取单波段特征、植被指数和纹理特征等遥感因子作为候选变量;利用最大信息系数对遥感变量进行筛选,并构建基于多项式核的PK-SVR模型、基于径向基核的RK-SVR模型、基于拉普拉斯核的LK-SVR模型和基于Sigmoid核的SK-SVR模型;以决定系数、相对均方根误差作为预测模型的评价指标,并与传统的线性回归模型进行对比,同时对研究区的森林蓄积量进行反演,得到株洲市森林蓄积量空间分布图。结果表明：支持向量机（SVR）模型的预测结果明显优于多元线性回归模型,RK-SVR模型的预测效果最好,其决定系数为0.61、均方根误差为69.26 m³/hm^-2、相对均方根误差为31.2%。     

葡萄可溶性固形物的高光谱无损检测技术

为明确采用高光谱成像技术对葡萄可溶性固形物(SSC)检测的可行性。以高光谱成像系统为试验仪器,采集葡萄样本的漫反射光谱,对比分析不同光程校正方法、不同预处理方法对建模精度的影响,建立不同的葡萄SSC定量预测模型。研究结果表明,在波段500~1 000 nm的范围内,采用经过标准正态变化、一阶微分和Savitzky-Golay平滑相结合预处理后的偏最小二乘法建模方法预测能力最强,校正集相关系数(r_c)为0.912 6,校正集均方根误差(RMESC)为0.542,预测集相关系数(r_p)为0.854 0,预测集均方根误差(RMESP)为0.758。由结果可知,应用高光谱成像技术可以对葡萄可溶性固形物含量进行无损检测。     

基于偏最小二乘与随机森林的土壤盐含量反演研究

针对土默川平原地区的土壤盐分含量提出了偏最小二乘与随机森林相结合(RF-PLSR、PLSR-RF)对土壤盐分含量进行预测的回归反演模型.该研究共采集45份土壤样本,随机选取35份为建模集,10份为验证集.试验首先对采集到的高光谱土壤图像进行分割处理提取出土壤在400～1000 nm的原始反射光谱,其次对原始反射光谱进行4种光谱变换(一阶微分、多元散射校正的一阶微分、SG平滑去噪的一阶微分、对数的一阶微分),并与土壤的实测盐分量进行相关性分析(CA),利用相关系数选取敏感波段,最后建立偏最小二乘与随机森林结合的回归反演模型.结果表明,与偏最小二乘回归、随机森林回归单独建模相比,2种模型结合后的预测精度有明显的改善.光谱经过对数的一阶微分变换建立的PLSR-RF反演模型更为明显,其建模集决定系数Rc 2为0.852,均方根误差RMSEc为0.102 g/kg,相对分析误差RPDc为2.600,验证集决定系数Rv 2为0.941,均方根误差RMSEv为0.049 g/kg,相对分析误差RPDv为4.117.     

基于便携式近红外光谱仪的柴油硫质量分数检测

柴油中的硫是机动车排放造成大气污染的主要成分之一,目前各国政府制定了限定柴油硫质量分数的措施,因此研究对柴油中硫质量分数的快速检测方法具有重要意义.应用便携式近红外光谱仪采集不同硫质量分数柴油的光谱,共采集261份柴油的近红外光谱数据,利用Kennard-Stone(K-S)算法以3∶1比例将样本划分为校正集和预测集.对原始光谱在全谱区间采用去中心化、归一化、多元散射校正和15点2次平滑等多种预处理.实验结果表明,去中心化预处理方法对建立柴油硫质量分数的偏最小二乘回归(PLSR)模型效果最优,其决定系数(R²)为0.894和预测均方根误差(RMSEP)为89.17,相对分析误差(RPD)为3.089.比较了蒙特卡罗无信息变量消除(MCUVE)和竞争性自适应加权抽样(CARS)两种波长选择算法,最终使用CARS算法提取得到35个特征波长点进行高斯过程回归(GPR)建模的结果最佳,其R²为0.967,预测均方根误差为45.378,相对分析误差为5.616.结果表明,利用便携式近红外光谱技术建立柴油硫质量分数定量预测模型,实现对柴油中硫质量分数快速...     

基于麻雀搜索算法优化神经网络的生菜生理指标预测

生菜生理指标的精准预测对于植物工厂环境下数字化精准管理生菜生长具有重要意义。为了为植物工厂叶菜类作物生理指标的预测提供参考,以植物工厂的水培生菜为研究对象,采集5种营养液配方处理下水培生菜最长叶长、叶片数和株高的数据,以麻雀搜索算法优化的BP神经网络SSA-BP对生菜生理指标数据进行预测分析,并选取平均绝对误差、均方误差、均方根误差和平均绝对百分比误差作为精度指标对试验结果进行分析和评价。结果表明,SSA-BP神经网络对生菜最长叶长、叶片数、株高的预测平均绝对误差分别为9.21、0.563、8.34;均方误差分别为143.79、0.599、110.69;均方根误差分别为11.991、0.774、10.521;平均绝对百分比误差分别为15.639%、6.181%、13.318%,各项评价指标均优于传统BP神经网络,预测误差小于16%,但其预测误差提升不明显。利用SSA-BP神经网络模型可有效对生菜生理指标进行预测,该模型具有良好的预测准确性、泛化性。     

基于分窗Gram-Schmidt高光谱降维的水稻纹枯病检测

纹枯病是水稻生产中三大病害之一,其早期检测对病害的及时防控、保证粮食安全具有重要意义。高光谱技术为水稻病虫害高通量、实时监测提供了有效的技术手段。基于高光谱病害检测中高光谱的降维,或检测特征的提取至关重要,利用2017和2018两年水稻盆栽纹枯病接种试验与大田纹枯病调查试验样本高光谱数据,探讨了分窗Gram-Schmidt变换的高光谱数据降维与特征波段提取,构建纹枯病检测模型,对比分析了本研究方法与主成分分析、连续投影法高光谱降维效果与病害检测精度。结果表明:基于分窗GramSchmidt变换可有效实现高光谱数据的降维,盆栽样本高光谱降到4维,纹枯病检测模型决定系数R2为0.8373,均方误差MSE为0.0406;大田样本高光谱降到4维,纹枯病检测模型决定系数R2为0.9701,均方误差MSE为0.0065。主成分分析法降维,盆栽样本高光谱降到6维,纹枯病检测模型决定系数R2为0.7931,均方误差MSE为0.049,大田样本高光谱降到6维,纹枯病检测模型决定系数R2为0.9658,均方误差MSE为0.0078;连续投影法降维,盆栽样本高光谱降到8维,纹枯病检测模型决定系数R2为0.8132,均方误差MSE为0.0466,大田样本高光谱降到4维,纹枯病检测模型决定系数R2为0.9685,均方误差MSE为0.0072。对比主成分分析法和连续投影法,基于分窗Gram-Schmidt变换的高光谱降维效果与纹枯病检测精度均效果较好,可为高光谱降维与水稻纹枯病防治提供一定的理论基础和技术支撑。     

基于光谱与图像信息的杏鲍菇多糖含量检测

【目的】利用高光谱成像技术实现杏鲍菇Pleurotus eryngii多糖含量的快速无损检测。【方法】利用高光谱图像采集系统获取350～1 021 nm波长范围内的杏鲍菇高光谱图像,同时利用苯酚–硫酸法测定对应样本的多糖含量。通过波段运算和阈值分割构建掩膜图像,使样本与背景相分离。采用主成分分析(PCA)处理原始高光谱图像,获得代表原始图像99%信息的2个主成分图像(PC1、PC2),然后利用连续投影算法(SPA)选出554.4、772.8、811.4、819.1、855.6、986.3和1 019.5 nm 7个特征波长及对应的光谱特征,分别提取7个特征波长图像和2个主成分图像的纹理与颜色特征,最后利用偏最小二乘回归(PLSR)建立杏鲍菇样本基于不同图像特征与多糖含量之间的关系模型。【结果】从校正集决定系数(Rc2)来看,基于特征光谱+特征波长图像特征+主成分图像特征的模型效果最好,Rc2=0.954,RMSEc=0.341;从预测集决定系数Rp2来看,基于特征光谱+特征波长图像特征的模型效果最好,Rp2=0.868,RMSEP=0.539。【结论】该研究结果可为杏鲍菇多糖含量的快速、无损检测提供一定的参考。     

基于无人机RGB图像颜色及纹理特征指数的小麦产量预测

利用无人机获取小麦孕穗期和开花期的RGB图像,通过图像处理获取小麦图像颜色指数和纹理特征指数,并在小麦收获后测定实际产量.通过分析各颜色指数、纹理特征指数与小麦产量之间的相关性,筛选出各生育期与小麦产量相关性最高的颜色指数和纹理特征指数,建立小麦产量预测模型并进行验证.结果表明:小麦孕穗期和开花期图像颜色指数与产量相关性均较好,纹理特征指数与产量相关性不够理想.孕穗期与产量相关性最高的颜色指数为VARI,相关系数达0.862,利用单一颜色指数VARI构建小麦产量预测模型验证的决定系数(R2)为0.725,模拟均方根误差(RMSE)为494.52 kg·hm-2;开花期与产量相关性最高的颜色指数为ExR,相关系数为-0.851,利用单一颜色指数ExR构建小麦产量预测模型验证的R2为0.709 2,模拟RMSE为499.72 kg·hm-2;使用孕穗期颜色指数VARI和纹理特征指数CON相结合构建的产量预测模型验证得到R2和RMSE分别为0.740 6和489.19 kg·hm-2,较单一颜色指数模型分别提升2.15％和减小1.08％.使用开花期颜色指数ExR和纹理特征指数ASM相结合构建的产量预测模型验证得到R2和RMSE分别为0.735 4和491.24 kg·hm-2,较单一颜色指数模型分别提升3.69％和减小1.70％.上述结果说明,用无人机图像颜色指数可以建立有效的产量估测模型,将颜色指数和纹理特征指数相结合建立的估产模型较单一颜色指数建立的模型精度高.     

小麦籽粒蛋白质含量高光谱遥感预测模型比较

【目的】利用高光谱遥感技术实现冬小麦籽粒蛋白质含量的精准预测,比较筛选小麦籽粒蛋白质含量预测模型,实现优质小麦栽培生产。【方法】设置不同品质类型小麦品种和施氮量处理,测定开花期叶片叶绿素含量（SPAD）、叶片干物质质量（LDW）、地上生物量（AGB）、叶片氮含量（LNC）、叶片氮积累量（LNA）、叶面积指数（LAI）、植株氮含量（PNC）、植株氮积累量（PNA）和氮营养指数（NNI）9个农学参数及小麦冠层光谱,通过一阶导数和偏最小二乘法,构建基于不同农学参数的小麦籽粒蛋白质含量高光谱预测模型。【结果】一阶导数处理可以提高光谱数据与农学参数的相关性。运用偏最小二乘法构建的高光谱农学参数估测模型中以SPAD的模型建模精度与验证精度相对较优,建模集决定系数R²与预测集标准均方根误差nRMSE分别为0.99和4.10%;NNI反演模型验证结果较好,相对预测偏差RPD为2.04;利用线性回归构建的农学参数-籽粒蛋白质预测模型中以LNC的建模精度与验证精度最佳,其建模集R²、预测集均方根误差RMSE和RPD分别为0.64、0.79和2.11。最终构建的“...     

基于可见/近红外光谱西葫芦硬度的无损检测模型的建立

利用近红外光谱(350～2 500 nm)系统采集180个西葫芦样本的光谱数据,运用多种预处理方法对原始光谱数据进行处理,建立西葫芦果肉硬度的PCR、SMLR和PLSR预测模型;并通过对不同的建模模型进行分析,对西葫芦硬度进行快速检测,实现可见/近红外光谱技术对西葫芦的硬度品质在线无损检测。结果表明,经过卷积平滑法和标准正态变换(S-G+SNV)处理建立的PLSR硬度预测模型效果最好,校正集相关系数为0.979,预测集相关系数为0.976;验证模型结果预测相关系数为0.886,预测均方根误差为0.126。运用可见/近红外光谱技术对西葫芦硬度指标的预测研究具有可行性,研究结果可为今后在线快速无损检测果蔬硬度提供理论依据。     

基于高光谱成像技术的新疆冰糖心红富士苹果分级和糖度预测研究

对新疆冰糖心红富士苹果采用高光谱成像技术进行分级和糖度预测研究.在糖度预测分析中,使用正交试验设计方法确定影响预测效果的主要因素是预测回归方法、光谱预处理方法和波长合并,次要因素是光谱校正处理方法、数据类型和实测值归一化处理.提取平均光谱,经过白板校正,采用一阶微分光谱预处理,10个波长的光谱合并,基于多元线性回归方法建立苹果糖度的预测模型,其验证集苹果糖度的预测模型相关系数为0.911,预测均方根误差为0.76％ Brix,相对分析误差为2.44.在分级研究中,选择712 nm波长图像,Gamma灰度变换增强图像,大津算法阈值确定后分割图像,基于形态学处理剔除果梗区域,提取苹果分割后区域的面积、充实度、周长、平均灰度等特征,采用二次判别分析分级苹果,验证集苹果分级准确率达到89.5％.结果表明,高光谱图像技术既能够准确预测新疆冰糖心红富士苹果糖度品质,也可以用于基于外部品质特征的分级研究.     

基于数码图像的甜菜氮素近地遥感监测模型

为定量研究利用数码图像进行甜菜冠层叶片氮含量(Leaf nitrogen content,LNC)时空变化监测的适宜性及准确性,以2014年内蒙古赤峰市松山区太平地镇田间试验为基础,在甜菜各生长阶段采集甜菜冠层数码图像,利用数字图像处理技术对图像进行分割并提取红光值(R)、绿光值(G)和蓝光值(B)。分析R/B、G/B等9个颜色参数与不同生育期冠层LNC的相关性,并研究冠层LNC随施氮量的变化规律,探寻适宜于甜菜氮素营养监测的关键生育时期及最佳颜色参数。分别利用支持向量机(Support vector machine,SVM)和BP人工神经网络(BackPropagation artificial neural network,BP-ANN)建立甜菜冠层LNC预测模型。研究结果表明,BP-ANN预测模型具有较高且较稳定的预测精度,其验证集的决定系数R~2和均方根误差RMSE分别为0.74和2.35,与SVM模型相比,BP-ANN模型的决定系数R~2提高了12.12%,均方根误差RMSE降低了8.09%。