可见/近红外光谱结合遗传算法无损检测牛肉pH值

为了实现牛肉在整个货架期内(4℃环境)pH值的无损快速检测,该文采用可见/近红外光谱技术并结合遗传算法(GA,genetic algorithm),搭建了可见/近红外光谱检测系统,采集储藏在4℃下1～18d的120个牛肉样品400～1700nm范围的光谱,用不同预处理方法处理,并分别建立全波段光谱和经过遗传算法提取有效光谱的预测牛肉pH值的多元线性回归(MLR,multiple linear regression)模型、偏最小二乘回归(PLSR,partial least-squares regression)模型和最小二乘支持向量机(LS-SVM,least square-support vector machine)模型。结果表明,多元散射校正(MSC,multiplicatives catter correction)结合Savitzky-Golay(SG)平滑为最佳预处理方法,遗传算法提取光谱后所建模型的预测精度均高于全波段光谱所建模型,其中LS-SVM为最佳预测模型,其预测相关系数和标准差分别为0.935和0.111,相比全波段LS-SVM模型预测,精度得到了提高。研究表明可见/近红外光谱技术结合遗传算法所建LS-SVM预测模型能够实现4℃下牛肉整个货架期内pH值的无损快速检测。该研究为进一步开发实用的牛肉pH值无损快速检测设备提供依据。     

基于高光谱技术的猪肉肌红蛋白含量无损检测

为充分利用猪肉光谱与图像信息,实现猪肉肌红蛋白含量的在线检测,该研究提出一种基于深度学习模型的猪肉肌红蛋白含量无损检测方法。采用高光谱设备采集冷藏过程中猪肉高光谱图像,通过ENVI5.3选择图像感兴趣区域（Region Of Interest,ROI）,分别提取ROI平均光谱信息与主成分图像信息。利用卷积自动编码器（Convolutional Auto Encoder,CAE）提取光谱与图像信息深度特征,分别建立光谱特征、图像特征及图-谱融合特征与肌红蛋白含量之间关系的卷积神经网络（Convolutional Neural Network,CNN）预测模型。其中基于融合深度特征CNN预测模型准确度较高,该模型对脱氧肌红蛋白（DeoMb）、氧合肌红蛋白（OxyMb）、高铁肌红蛋白（MetMb）含量预测集决定系数分别为0.964 5、0.973 2、0.958 5,预测集均方根误差RMSEP分别为0.015 8、0.226 6、0.381 6。为进一步验证图-谱融合特征与猪肉肌红蛋白存在对应关系,分别建立偏最小二乘回归（Partial Least Squares Regression,PLSR）、支持向量机回归（Support Vector Regression,SVR）预测模型。结果表明：CAE能充分提取图像与光谱特征;基于融合特征建立回归模型能提高肌红蛋白含量预测精度,相比于光谱信息与图像信息,以MetMb为例,其分别提高5.42%、16.12%。该检测方法为肉类质量在线检测提供参考,具有好的应用前景。     

基于高光谱图像技术的雪花梨品质无损检测

为探讨基于高光谱图像技术对雪花梨品质进行无损检测的可行性,研究了利用高光谱图像系统提取雪花梨中糖和水的光谱响应和形态特征参数,获取样品含糖量和含水率的敏感水分吸收光谱带,利用人工神经网络建立雪花梨含糖量和含水率预测模型及利用投影图像面积预测雪花梨鲜重。结果表明,基于高光谱图像技术对雪花梨品质进行无损检测是可行的。雪花梨含糖量预测值和实际值间相关系数R为0.996,误差平均值为0.5°Brix;含水率预测值和实际值间相关系数R为0.94,相对误差平均值为0.62%;鲜重预测值和实际值间相关系数R为0.93。     

基于高光谱成像技术的猪肉新鲜度评价

该文研究利用高光谱成像技术预测猪肉新鲜度参数,挥发性盐基氮(TVB-N)和pH值。在470～1000nm波长范围内,从高光谱图像中提取的反射光谱,分别经过2次Savitzky-Golay(S-G)平滑、多元散射校正(MSC)处理后,建立PLSR(偏最小二乘法)的预测模型。对TVB-N的预测,使用2次S-G平滑处理、MSC光谱建立的PLSR预测模型相关系数分别为0.90和0.89,预测模型标准差分别为7.80和8.05。对pH值的预测,经过MSC处理比2次S-G平滑处理的结果好,相关系数为0.79,预测模型标准差为0.37。同时综合2个参数利用MSC处理后的预测模型对猪肉新鲜度进行评定,准确率达91%。研究结果表明,高光谱成像技术可以用于猪肉新鲜度快速无损检测。     

基于高光谱技术的霉变稻谷脂肪酸含量无损检测

脂肪酸含量是表征稻谷霉变信息的重要指标。为了解决传统化学分析法测定稻谷脂肪酸含量有损、费时、低效等问题,该文研究应用高光谱技术实施霉变稻谷脂肪酸含量无损检测的方法。研究选取人工制备的不同霉变时期的稻谷样本作为研究对象,利用高光谱仪结合理化试验方法测定其相应的光谱信息和脂肪酸含量,运用移动窗口平滑法(savitzky-golay,SG)和一阶微分(first derivation,FD)对光谱数据进行预处理,采用连续投影算法(successive projections algorithm,SPA)提取反映稻谷脂肪酸含量变化的光谱特征波段,应用回归分析法建立基于特征波段光谱反射值的稻谷脂肪酸含量预测模型,对比分析不同光谱预处理方法的模型预测效果。研究结果显示,原始光谱数据通过SG平滑和一阶微分处理后,分别经SPA方法优选出了14和10个光谱特征波段;采用SG-SPA-MLR(multivariable linear regression)方法构建的模型质量和稻谷脂肪酸含量预测效果均优于FD-SPA-MLR模型,校正时其内部交叉验证的相关系数RCV和均方根误差RMSECV分别为0.9419、11.9646 mg/(100 g);预测时其外部验证的相关系数RP和均方根误差RMSEP分别为0.9366、12.3550 mg/(100 g),模型对不同霉变时期的稻谷脂肪酸含量均具有较强的预测能力。研究表明,利用高光谱技术对稻谷脂肪酸含量实施无损检测具有可行性,可为将来快速检测稻谷霉变提供参考依据。     

基于改进离散粒子群算法的青贮玉米原料含水率高光谱检测

快速、无损和准确检测青贮玉米原料含水率,对确保青贮玉米发酵品质、推动青贮产业健康快速发展有重要现实意义。为探究高光谱技术在青贮玉米原料含水率检测方面的可行性,研究通过高光谱成像系统获取青贮玉米原料高光谱图像并利用烘箱加热法测定实际含水率。在粒子更新方式和惯性权重2个方面对传统离散粒子群算法(discretebinary particle swarm optimization,DBPSO)进行优化,提出基于改进型离散粒子群算法(modified discrete binary particle swarm optimization,MDBPSO)的特征波段优选方法,并利用相关系数分析法(correlation coefficient,CC)、DBPSO和MDBPSO法提取原料含水率高光谱特征变量,基于全波段反射光谱(total spectral reflectance,TSR)和特征波段反射光谱建立青贮玉米原料含水率预测模型。结果表明,MDBPSO优选特征波段适应度函数的收敛精度和收敛效率较DBPSO法均有明显改善,最优适应度值由0.761 6提高至0.812 3,函数收敛迭代次数由280次降低至79次。MDBPSO-PLSR预测模型的建模精度和预测精度均高于CC-PLSR、DBPSO-PLSR和TSR-PLSR预测模型,其校正集决定系数Rc2和均方根误差RMSEC(root mean square error of calibration)分别为0.81和0.032,预测集决定系数Rp2和均方根误差RMSEP(root mean square error of prediction)分别为0.80和0.045。该研究表明,利用高光谱图像技术检测青贮玉米原料含水率具有较高的精度,研究可为后续开发青贮玉米原料水分快速检测仪器提供借鉴方法。     

基于高光谱成像技术的青香蕉碰撞损伤检测

针对青香蕉早期轻微碰撞损伤无法用肉眼和RGB图像识别的问题,研究利用光谱数据与图像信息,实现青香蕉早期轻微碰伤的检测和碰伤程度区分。通过高光谱成像仪获取碰撞损伤试验样品的光谱数据和图像信息,对原始光谱数据进行预处理和异常样本的剔除。通过特征波长提取,获取特征波长下的低维图像中创面区域像素点的分布数据,同时结合全像素点下的光谱反射率数据,将其作为BP神经网络模型的训练集和测试集,建立青香蕉碰撞损伤程度界定的无损检测模型。试验结果表明,利用高光谱技术可以识别肉眼不可见的轻微碰撞损伤,形成的BP神经网络检测模型的总体识别准确率为95.06%,并且可输出碰伤等级的可视化图像。研究为开发青香蕉碰伤快速无损检测系统提供理论依据。     

基于高光谱成像的苹果虫害检测特征向量的选取

利用高光谱成像技术,明确苹果虫害无损检测的最优特征向量,以实现对苹果虫害的快速、准确、无损检测。本文首先对646 nm波长的特征图像进行阈值分割、膨胀与腐蚀运算获得掩膜图像,并利用掩模图像对高光谱图像进行掩模和主成分分析,对获得的PC1(the first principal component,第一主成分)图像进行最大熵阈值分割以有效提取虫害区域。然后对比分析虫害区域与正常区域图像的纹理特征,提取灰度共生矩阵的4个方向的4个纹理参数(能量、熵、惯性矩和相关性),并且采用基于高光谱图像的光谱差值获取了2个特征波长对应的光谱相对反射率作为光谱特征。优化组合纹理特征和光谱特征成4个特征向量组,采用BP(back propagation,反向传播)神经网络对正常苹果和虫害苹果进行检测。结果表明,融合0度方向的能量、熵、惯性矩和相关性的纹理特征和646、824 nm波段的相对光谱反射率的光谱特征进行检测识别效果最好,正常果的识别率为100%,虫害果的识别率为100%,并且速度快、误差小。该研究所获得的特征向量可为开发多光谱成像的苹果品质检测和分级系统提供参考。     

线扫描式拉曼高光谱成像技术无损检测奶粉三聚氰胺

为了实现颗粒状样本的大面积无损快速检测,该研究结合拉曼光谱和高光谱技术搭建了一套线扫描式拉曼高光谱检测系统,对奶粉和三聚氰胺颗粒混合样本进行了检测研究。研究通过高斯窗平滑法和air PLS基线校正方法分别消除了拉曼光谱中的噪声信号和荧光背景,选取三聚氰胺主要特征峰(671.71 cm-1)处的单波段图像作为是否含有三聚氰胺颗粒的判断依据。研究首先对三聚氰胺产生的拉曼信号在奶粉颗粒中的穿透深度进行了检测,随后完成了10种不同浓度的三聚氰胺奶粉混合样本的拉曼高光谱采集,对特征单波段图像中各像素点的拉曼强度平均值进行一元线性分析,并对单波段图像进行二值化处理。结果显示,在三聚氰胺特征单波段图像中,感兴趣区域内所有像素点的拉曼强度平均值与三聚氰胺浓度之间线性度较高,其决定系数R2达到了0.995 4。在二值图像中,三聚氰胺颗粒的位置信息能够直观的展现。研究结果表明,拉曼高光谱成像技术具有快速、无损和大面积检测的特点,在实际应用中具有巨大潜力。     

连续投影算法在猪肉pH值无损检测中的应用

利用鲜肉的近红外光谱中少量特征波长对其pH值进行预测,可以大幅度降低模型复杂性和计算量,对开发无损检测装置, 实施肉品生产加工过程中pH值监测有重要意义。该文通过连续投影算法（SPA）选择特征波长建立简单多元线性回归模型（SPA-MLR）,并对比了SPA-MLR模型与全波段（5 000～10 440 cm-1）偏最小二乘回归模型（PLSR）及逐步线性回归（SMLR）、遗传算法（GA）选择特征波长所建模型的性能。结果表明经连续投影算法提取37个特征波长建立的模型,所用变量数仅占全波段的2.6%,校正集相关系数0.870,校正集均方根误差为0.094,验证集相关系数0.892,验证集均方根误差为0.085;性能与经多元散射校正预处理的PLSR模型接近,但采用变量数明显减少,优于逐步线性回归和遗传算法选择特征波长建立的模型,表明该方法可较好的选择特征波长,建立简单的预测模型。     

基于叶片电信号边际谱熵的玉米耐盐碱性无损评价方法

为了探索能够早期、灵敏、在位和无损检测与评价植物耐盐碱性的方法,将Na Cl、Na2SO4、Na HCO3和Na2CO3配置成复合盐碱溶液对耐盐碱性较弱的玉米品种郑单958和耐盐碱性较强的玉米品种名玉20的玉米幼苗进行盐碱胁迫,采集了盐碱胁迫过程中郑单958和名玉20幼苗叶片电信号,应用HHT(Hilbert-Huang transformation)方法得到了2种玉米叶片电信号的边际谱,分析了盐碱胁迫过程中2个玉米品种叶片电信号边际谱熵MSE(marginal spectrum entropy)变化的差异和生物学意义。结果显示:盐碱胁迫过程中,郑单958叶片电信号的MSE表现出不断下降的趋势,叶片中丙二醛MDA(malondialdehyde)含量迅速升高;名玉20的MSE表现出波动性的变化,MDA含量变化不大,表明郑单958叶片细胞的离子跨膜运输被抑制,名玉20的叶片细胞存在着复杂的代谢调节,盐碱胁迫造成的叶片细胞膜脂过氧化可能是叶片电信号MSE变化的原因。研究发现,盐碱胁迫下耐盐碱性不同的2个玉米品种的叶片电信号响应指数RI(response index)差异明显,在胁迫2、3和4 d时郑单958的RI值分别比名玉20增长了42%、193%和332%。根据RI值的大小有可能对盐碱胁迫下玉米叶片细胞离子运输和细胞膜伤害的影响程度进行灵敏和早期的定量诊断,进而实现对玉米幼苗期耐盐碱性强弱的在位和无损伤的评价。     

基于电学特征的苹果水心病无损检测

为了探寻快速而准确的苹果水心病无损检测新方法,该文以‘秦冠’水心病疑似病果和好果作为试材,逐果采集11个电学指标在100 Hz~3.98 MHz间13个频率点的特征值,然后切开并统计真实发病情况。利用主成分分析结合不同分类模型进行好果与病果判别分析,结果选取方差累积贡献率大于90%的主成分15个,Fisher判别、多层感知器人工神经网络(multi-layer perceptron,MLP)对好果和病果的判断正确率均随着主成分数的增加而增大,并分别在主成分数量达到前13、10时趋于稳定水平93.3%、95.4%。径向基人工神经网络(radical basis function,RBF)结合15个主成分判别的正确率75.1%。水心病引起介电损耗系数D、复阻抗相角deg、串联等效电容Cs和并联等效电容Cp及相对介电常数(ε')、损耗因子(ε")共6个参数在低频区(100~10 000 Hz)的观测值高于好果,是电学法能够对水心病果和好果进行‘识别’的原因。同时发现,利用低频率下(100~25 100 Hz)损耗因子(ε")值结合MLP或RBF人工神经网络模型对水心病果和好果识别正确率均能达到100%,是一种简便而高效的苹果水心病无损检测方法,可为今后进一步研发苹果果实水心病在线无损检测仪器提供理论与技术依据。     

基于高光谱图像的蓝莓糖度和硬度无损测量

为了对蓝莓硬度和糖度进行无损检测,采用近红外光谱仪(900~1700 nm)分别对490个"蓝丰"蓝莓的果柄侧和花萼侧进行高光谱成像,并测量整个果实的硬度和糖度。应用偏最小二乘回归法分别对果柄侧、花萼侧和整个果实的平均光谱建立硬度和糖度预测模型。试验结果表明,蓝莓硬度呈双峰分布,表明实际生产中有望分为2类;蓝莓糖度呈正态分布;硬度和糖度的相关性仅为?0.15,说明不能通过二者之中的任何一个来估计和评价另一个。采用整个果实的平均光谱数据建模效果最好,硬度的校正集相关系数RC和验证集相关系数RV达到0.911和0.871,糖度的为0.891和0.774,但主成分数都有所增加。结果表明,采用高光谱技术对蓝莓硬度和糖度进行快速、无损检测是可行的。     

采用高光谱图像深度特征检测水稻种子活力等级

为实现水稻种子活力的准确检测,该文研究了一种基于高光谱图像技术结合深度学习的高精度检测方法.采用人工加速老化的方式得到老化0,1,2和3 d的1200个水稻种子样本,使用高光谱成像设备获取不同老化天数样本的高光谱图像,并从单个样本区域提取其光谱信息.随后对1200个样本进行发芽试验,根据发芽试验结果将所有样本划分为高活...     

施氮水平与模拟降雨pH值对玉米冠层NO3--N淋失的影响

为探明降雨特别是酸雨对玉米冠层氮素淋失的影响,以盆栽试验春玉米为指示作物,采用自制人工降雨器进行模拟降雨,研究施氮与不施氮（对照）条件下玉米冠层NO3--N淋失动态、数量及随生育期和降雨酸度的变化规律。结果表明,中性和弱酸性降雨淋洗,NO3--N淋失量主要由冠层氮素含量决定,而强酸雨淋洗,NO3--N淋失量受降雨pH值和冠层氮素含量共同影响。各生育期玉米冠层NO3--N淋失量随降雨pH值降低变化规律不一,生育前期降雨pH值对冠层NO3--N淋失影响较生育后期显著,在研究降雨酸度对玉米冠层NO3--N淋失的影响时,必须考虑生育期。相同pH值模拟降雨条件下,玉米冠层NO3--N淋失量随生育期推进逐渐降低：11叶期>吐丝期>灌浆期,生育前期显著高于中后期。玉米冠层NO3--N淋失量不仅与介质施氮有关,同时受降雨pH值影响,2因素在不同生育期对NO3--N淋失贡献大小有所不同,但总体看,植物体氮素丰富程度是影响冠层NO3--N淋失的主要因素。各生育期玉米冠层均存在一定数量的NO3--N淋失,尤以生育前期为甚,说明在研究农田生态系统氮素流量和冠层氮素损失时,冠层氮素淋失应予以考虑。     

高光谱荧光示踪无损检测瓜类作物嫁接苗愈合状态

为了减少瓜类嫁接苗的愈合管理时间,实现快速准确判别嫁接苗早期愈合状态,促进嫁接苗规模化生产及育苗产业发展。该研究制备了氮硫掺杂碳点,以该碳点为荧光示踪材料,以西瓜嫁接苗为研究对象,利用高光谱荧光成像方法,探究了西瓜嫁接苗早期愈合状态无损检测的高光谱荧光示踪成像方法。高光谱荧光示踪图像及光谱分析结果表明,利用氮硫掺杂碳点进行荧光示踪,通过高光谱成像仪对瓜类作物早期愈合状态高通量表型的鉴定,能快速、自动、无损地获取嫁接苗愈合的情况。同时,通过氮硫掺杂碳点处理后第12天,处理组的西瓜嫁接苗相较于对照组,根系增长量提升了78.7%,叶面积增长量提升了61.4%。因此,该研究方法可以提早判别嫁接苗的愈合连通,促使瓜类嫁接苗提早移栽,并且氮硫掺杂碳点处理可以促进嫁接苗叶面积和根系的生长,达到种苗壮苗的作用。     

基于玉米根系图像的表型指标获取方法

为了快速获取玉米根系表型指标,该研究提出一种基于图像的高通量解决方案.系统整合一套简易可靠的根系图像获取硬件和自动化根系图像处理算法,首先在固定背景下获取玉米根系图像,通过标定物检出、背景分割算法得到根系目标前景图像,识别根系起始点并剪除冗余部分得到根系感兴趣区域后计算颜色、形状、空间分布3大类29个表型指标.应用该系...