柑桔黄龙病近红外光谱无损检测

为探讨快速无损检测柑桔黄龙病的可行性,应用近红外光谱技术结合机器学习方法进行研究。在4000~9000cm-1光谱范围内,采集黄龙病、缺素和健康3类叶片样本的近红外光谱。采用一阶导数、平滑和多元散色校正组合的光谱预处理方法,消除光谱的基线漂移和散射效应。分别对偏最小二乘判别模型(PLS-DA)的主成分因子数和最小二乘支持向量机(LS-SVM)的输入变量数量、核函数类型及其参数进行了优化,建立了PLS-DA和LS-SVM模型。采用预测集样本,评价模型的预测能力,经比较,采用11个主成分得分向量为输入、线性核函数和惩罚因子为2.25的LS-SVM模型预测效果最佳,模型误判率为0。结果表明采用近红外光谱技术结合最小二乘支持向量机进行柑桔黄龙病无损检测是可行的。     

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。     

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。     

拉曼光谱结合UVE-SVR算法预测加热食用油反式脂肪酸的含量

为实现拉曼光谱技术对食用油加热后反式脂肪酸(TFAs)含量的快速预测,将3种食用油在190℃下(常用煎炸温度)进行不同时间加热,每个样品采集36条拉曼光谱。首先,采用多项式平滑与标准正态变量变换(SNN)对原始光谱数据进行预处理,以去除背景和噪音的干扰,然后采用无信息变量消除法(UVE)对光谱数据进行特征变量筛选,最后分别基于全谱数据和筛选的特征光谱变量建立定性和定量分析模型,并对试验结果进行对比分析。结果表明,基于筛选后的变量,运用Fisher判别分析(FDA)建立定性判别模型,其判别正确率由40%~50%提升至90%以上,表明筛选后的变量能较好表征样品的特征信息;分别基于筛选变量和全谱数据,运用偏最小二乘回归(PLSR)、BP神经网络(BPNN)和支持向量回归机(SVR)方法,建立不同样品中TFAs含量的数学预测模型。通过对预测结果对比分析,表明UVE结合SVR方法具有良好的检测效果,菜籽油、大豆油、玉米油的测试集R²分别从0.850 4、0.943 5和0.753 4升至0.952 6、0.954 8和0.958 5。因此,利用UVE-SVR方法不仅简化了预测模型,提高了模型的稳定性和精度,也为食用油中TFA的快速检测提供了一种可行的方法。     

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。     

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。     

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。     

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。     

应用田间行走式红外光谱进行土壤碳含量估测研究

对应用田间行走式设备获取的土壤红外光谱数据,通过特征变换和特征选择相结合,以提高所建立土壤碳校正模型的预测精度。首先应用独立成分分析（ICA）、主成分分析(PCA)和小波分析(WA)对土壤红外光谱数据进行特征变换,然后分别应用无信息变量消除法(UVE)、连续投影算法(SPA)、无信息变量消除结合连续投影算法(UVE-SPA)、基于遗传算法和偏最小二乘法的变量选择法(GA-PLS)来进行特征选择,基于所选择的特征建立了土壤碳校正模型。结果表明,通过ICA进行特征变换,然后进行特征选择,可以建立比直接对光谱数据进行波长选择精度更好的预测模型;而WA或PCA与特征选择方法结合,只能获得与对光谱数据直接进行波长选择相近的效果。因此,针对田间条件下通过行走式设备获得的光谱数据由于受复杂的环境条件下干扰多的情况,可以将ICA与特征选择方法结合起来对光谱数据进行特征变换和选择,以建立更可靠的土壤碳含量预测模型。     

基于光谱技术的大豆豆荚炭疽病早期鉴别方法

为更好地指导农户进行植物病害防治,提高大豆豆荚的商品性,减少损失,需要运用快速有效的方法来进行大豆豆荚炭疽病的早期检测。该文应用可见-近红外光谱技术结合连续投影算法(SPA)和最小二乘支持向量机(LS-SVM),实现了大豆豆荚炭疽病的早期快速无损检测。对194个大豆豆荚样本进行光谱扫描,通过不同预处理方法比较,建立了大豆豆荚炭疽病早期无损鉴别的最优偏最小二乘法(PLS)模型。同时应用主成分分析(PCA)和连续投影算法(SPA)分别了提取最佳主成分和有效波长,并将其作为LS-SVM的输入变量,建立了PCA-LS-SVM和SPA-LS-SVM模型,以样本鉴别的准确率作为模型评价指标。试验结果显示PCA-LS-SVM和SPA-LS-SVM模型都获得了比较满意的准确率,且SPA-LS-SVM模型的准确率最高为95.45%。研究表明,SPA能够有效地进行波长选择,进而使LS-SVM模型获得较高的鉴别率,说明应用可见-近红外光谱技术鉴别大豆豆荚炭疽病是可行的。这为进一步应用光谱技术进行大豆生长对逆境胁迫的反应提供了新的方法,为实现大豆病害的田间实时在线检测提供参考。     

柑橘病害近红外光谱判别模型及病害对理化指标影响

柑橘病害严重影响柑橘产量与品质,为进一步寻找叶片光谱与其理化指标变化规律,故将近红外光谱技术与化学计量学相结合探索柑橘病害光谱判别及病害对理化指标影响的可行性。利用便携式近红外光谱仪,获取柑橘正常、溃疡病和砂皮病3类叶片光谱并测量理化指标值,开展光谱特性与理化指标规律分析,进行SPA(successive projections algorithm)与PCA（principal component analysis）变量筛选,结合RF （random forest）与LWPLS（locally weighted partial least squares）分别建立柑橘病害定性模型及理化指标定量模型。对比分析模型结果,发现基于原始光谱变量的LWPLS定性模型效果最佳,其判别准确率为94.03%。用401个光谱变量为输入,基于LWPLS的正常叶片SPAD值模型分析结果最优;虽正常、溃疡病和砂皮病3类叶片综合的LWPLS定量模型RMSEP较大为4.46%,但模型对叶片SPAD值具有较好的预测精度,R²和RPD分别为0.93、2.19。研究表明,近红外光谱技术结合化学计量学判别柑橘病害及分析病害对叶片理化指标的影响具有一定可行性,可为柑橘病害实时现场检测提供重要科学参考。     

茄子灰霉病叶片过氧化氢酶活性与高光谱图像特征关联方法

对灰霉病胁迫下茄子叶片过氧化氢酶(CAT)活性的高光谱图像特征进行了研究。采用380～1030nm范围的高光谱图像摄像仪获取健康、轻度、中度、严重染病茄子叶片的高光谱图像信息,基于ENVI软件处理平台提取高光谱图像中对象的漫反射光谱响应特性,并采用平滑、中值滤波、归一化法等预处理方法提高光谱的信噪比。然后采用偏最小二乘回归(PLSR)、最小二乘支持向量机(LS-SVM)和BP神经网络算法来建立叶片高光谱响应特征与CAT活性之间的关系模型。在PLSR模型中,前2个隐含变量能够实现健康、轻度、中度、严重染病茄子叶片的直观定性区分,而基于PLSR模型推荐的9个隐含变量建立的BP神经网络模型的预测集决定系数R2为0.8930,均方根误差为2.17×103。表明基于高光谱图像特性可以实现灰霉病胁迫下茄子病害程度的有效区分,同时证明基于高光谱图像特性的茄子叶片CAT活性的定量检测是可行的。     

基于高光谱的寒地水稻叶片氮素含量预测

为快速、无损和准确地诊断水稻营养状况,开展了基于高光谱成像技术的寒地水稻叶片氮素含量预测研究。以不同施氮水平下的水稻叶片为研究对象,利用高光谱成像技术,分析拔节期水稻叶片光谱,采用全波段高光谱数据、连续投影算法及分段主成分分析(segmented principal components analysis,SPCA)与相关分析(correlation analysis,CA)相结合的方法建立多种回归分析模型,并对模型进行检验和筛选。结果表明:随着施氮水平提高,水稻叶片反射率在可见光区域降低,在近红外区域升高。在校正集决定系数上,基于多元逐步回归分析的全波段模型较好,校正集决定系数为0.821,校正集均方根误差RMSEC=0.079;在预测集决定系数上,基于SPCA-CA结合多元回归分析的多变量单波段指数、差值指数、双差值指数模型较好,预测集决定系数为0.869,预测集均方根误差RMSEP=0.085。该研究结果为快速检测水稻叶片氮素含量及水稻生长期间精确施肥管理提供了参考。     

连续投影算法融合信息熵选择霉变玉米高光谱特征波长

运用高光谱技术鉴别玉米霉变等级时,因光谱波段数多、数据量大、信息冗余度高,使鉴别工作难度加大。为了减少数据量,获得最有利于鉴别的高光谱信息特征波长,本研究提出了一种连续投影算法(SPA)融合信息熵的特征波长选择方法。首先,对霉变玉米样本高光谱数据运用多元散射校正(MSC)进行光谱预处理以消除噪声,然后利用SPA对处理过的光谱进行波长初选,得到8个初选特征波长,再通过信息熵原理处理初选特征波长下的图像信息,获得最佳特征波长。结果表明,运用SPA融合信息熵法得到有利于霉变玉米鉴别的最佳波长为819 nm,提取该波长下霉变玉米图像的纹理特征后,采用Fisher判别分析(FDA)进行鉴别,6个等级霉变玉米的鉴别正确率高达98.6%,充分证明所给出的特征波长选择方法是有效的。本研究特征波长选择方法可为更好地运用高光谱技术鉴别玉米霉变等级提供指导。     

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。     

柑橘黄龙病高光谱早期鉴别及病情分级

为实现柑橘黄龙病的早期、快速确诊,有效阻止病害蔓延,达到早期防治、保障柑橘生产的目的,该文研究基于高光谱成像的柑橘黄龙病早期无损检测及病情分级,并对多种预处理方法的建模结果进行探讨。试验获取370～1 000 nm健康、不同染病程度及缺锌共5类柑橘叶片的高光谱图像,用遥感图像处理平台(environment for visualizing images,ENVI)得到各类样本感兴趣区域的光谱反射率平均值。运用一阶微分、移动窗口拟和多项式平滑(savitzky-golay,SG)进行数据处理,结合偏最小二乘判别分析(partial least squares-discriminate analysis,PLS-DA)构建黄龙病的早期鉴别及病情分级模型。结果表明:建立的3个判别模型,验证集相关系数均不低于0.9548。其中,经SG平滑及一阶微分预处理所建立的模型分类效果最佳,总体预测准确率达96.4%,预测均方根误差0.1344。该研究为柑橘病害早期诊断和预警提供了新方法,也为黄龙病病害程度遥感监测提供了基础。     

温州蜜柑叶片黄化果园土壤及叶片的养分含量特征

弄清叶片黄化柑橘园土壤与叶片的养分含量特征,为改善柑橘园营养状况,提高柑橘产量和品质提供理论与技术支撑。通过对黄化和无黄化温州蜜柑园土壤、叶片的养分含量进行分析,研究影响温州蜜柑叶片黄化的关键因子。结果表明,温州蜜柑叶片的钙、镁、硼含量与SPAD值呈显著或极显著正相关,叶片黄化是由叶片中钙、镁、硼含量不足所造成的,属于综合缺素型,同时叶片中钾、铁、锰含量较高,叶片对钙、镁、硼的吸收与对钾、铁、锰的吸收之间存在相互拮抗的关系;土壤酸化是叶片黄化的主要驱动因子,pH值较低一方面降低了土壤中钙、镁、硼的有效性,另一方面,土壤中较高的铁、锰含量抑制了柑橘对钙、镁、硼的吸收,最终导致叶片因缺钙、缺镁、缺硼而出现黄化。喷施含钙、镁、硼的叶面肥料,防止土壤酸化是改善温州蜜柑叶片黄化的有效措施。