马铃薯黑心病和单薯质量的透射高光谱检测方法

针对单一检测技术不能同时检测马铃薯内外品质的多项指标,采用透射高光谱成像技术并融合光谱和图像信息,对其内部黑心病、质量指标进行检测。通过透射高光谱成像系统获取266个样本高光谱图像（400～1000 nm）,并提取光谱和图像二者信息。采用不同变量选择方法对光谱进行变量选择,用9个光谱变量建立检测马铃薯黑心病偏最小二乘判别分析（partial least squares discriminant analysis, PLS-DA）模型与质量偏最小二乘回归（partial least squares, PLS）模型;提取样本透射高光谱图像的面积信息,建立基于光谱-图像的检测马铃薯质量PLS模型。试验结果表明,黑心样本识别率为100%,识别最小黑心面积为1.88 cm2;基于光谱-图像所建立质量检测模型预测效果较好,其预测集相关系数(Rp)为0.99,预测均方根误差(RMSEP）为10.88。结果表明：采用透射高光谱成像技术并融合图像和光谱信息对马铃薯内部黑心病、质量同时进行检测是可行的。     

高光谱成像技术和主成分分析识别玉米籽粒的胚

摘要：为了分割玉米籽粒的胚部分,本研究搭建了一套高光谱成像系统用于获取波段范围为500～900 nm的高光谱反射图像。主成分分析（PCA）方法对样本高光谱数据进行降维以便选择少量有效波长构建多光谱成像系统。研究发现,采用可见光（VIS）区域的3个有效波长510、555和575 nm获得的主成分（PC）图像获得了较好的识别结果。100个独立样本用于评估算法性能,结果表明,样本中97.0%的胚可以从玉米籽粒中正确分离。     

不同形式的光谱参量对春玉米氮素营养诊断的比较

选择适宜的光谱参量,对利用光谱技术进行作物营养诊断精确度的提高是至关重要的。该文对单因素氮处理下春玉米（Zea may L.）不同层位叶片光谱反射率与氮含量作了相关分析,探讨了叶片水平上单波段光谱反射率（R）、单波段光谱反射率的对数（LgR）、双波段组合光谱反射率（R1+R2）、以及对数形式的双波段组合光谱反射率（LgR1+ LgR2）4种形式光谱参量对氮素营养诊断的可靠性。结果表明,第6片完全展开叶叶片光谱反射率与氮含量在可见光波段存在较高的负相关关系,以550和720 nm两波段组合的光谱参量（LgR550+LgR720和Lg(R550+R720)）建立的线性回归方程的拟合度最好;不同生育期应选择对养分盈亏敏感的叶片作为营养诊断的光谱监测目标,不同生育期叶片氮素营养的光谱敏感波段不同,应选择二者相关性高的波段,较为适宜的光谱参量形式与营养成分建立估算模型。研究表明,经对数处理后的光谱参量,无论是单波段还是双波段,拟合方程的精度都有不同程度的提高,且方程的稳定性也增强,说明对数形式的光谱参量提高了对氮素营养诊断的精确度。     

漫反射和透射光谱检测马铃薯黑心病的比较

针对马铃薯黑心病不易检测,提出马铃薯黑心病的光学无损检测方法,并比较了马铃薯黑心病的漫反射光谱和透射光谱检测方法。通过高光谱图像采集系统、透射光谱采集系统和傅里叶变换近红外光谱仪获取合格马铃薯与黑心病马铃薯的可见/近红外漫反射光谱、可见/近红外透射光谱以及近红外漫反射光谱,并采用偏最小二乘-线性判别分析方法建立马铃薯黑心病的识别模型。透射光谱采集系统采集的可见/近红外透射光谱所建模型的判别正确率最高,对测试集样本的识别正确率为98.46%;高光谱图像采集系统获取的可见/近红外漫反射光谱经二阶导与标准化组合预处理后所建模型对测试集样本的识别正确率为92.31%;傅里叶变换近红外光谱仪获取的漫反射光谱经标准正态变量变换与标准化组合预处理后所建模型对测试集样本的识别正确率90.77%。试验结果表明:采用光谱检测马铃薯黑心病,透射光谱系统优于高光谱成像系统,高光谱成像系统优于傅里叶近红外光谱仪。研究结果为马铃薯内部缺陷的光谱定性判别及便携式仪器的研制提供了参考。     

基于高光谱成像技术的灵武长枣缺陷识别

为研究快速识别灵武长枣表面裂痕、虫眼、碰伤等常见缺陷的有效方法,利用特征波长主成分分析法结合波段比算法进行长枣裂痕、虫眼、碰伤识别。首先,采用近红外(Near Infrared Reflection,NIR)波段范围的高光谱成像系统获取300个长枣反射图像,提取并分析各类型长枣光谱曲线,选择918~1 678 nm波段范围进行主成分分析,通过权重系数提取特征波长;然后,对特征波长下图像进行主成分分析,选择最优的主成分图像进行识别;最后,对未识别的长枣图像采用波段比算法进一步进行识别。NIR波段的正常枣、虫眼枣、裂痕枣、碰伤枣的识别率分别100%、90%、86%、100%。结果表明:NIR高光谱成像仪对长枣外部缺陷识别是可行的,为多光谱成像技术应用于在线检测长枣品质提供了理论依据。     

豆粕中三聚氰胺显微近红外成像检测的扫描条件优化

为了确定豆粕中三聚氰胺显微近红外成像检测的最佳扫描条件,该文研究了扫描条件对显微近红外光谱图像质量、采集效率和豆粕中三聚氰胺检测效果的影响。针对不同光谱分辨率和扫描次数对光谱图像均方根噪声（RMS）的影响进行了单因素方差分析试验,对干涉仪动镜移动速度（1、2.2 cm/s）、空间分辨率（25、50 μm）、光谱分辨率（8、16、32 cm-1）和扫描次数（4、8、16次）进行了多因素正交试验方差分析,结果得出光谱分辨率对RMS有显著性影响,而且采用不同扫描条件时显微近红外图像采集时间相差很大。根据图像质量、采集效率和豆粕中三聚氰胺检测效果分别得出优选扫描条件,综合考虑上述3个方面,最终推荐采用的扫描条件为空间分辨率为25 μm,干涉仪动镜移动速度为1 cm/s,光谱分辨率为32 cm-1,扫描次数为4次。该研究同时表明显微近红外成像技术可应用于豆粕中三聚氰胺的检测。     

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。     

基于高光谱成像技术检测脐橙溃疡

为了研究从带有不同缺陷的柑橘类水果中快速识别出溃疡果的有效方法,基于高光谱成像技术,该文提出特征波段主成分分析法及波段比算法。以脐橙为研究对象,选取包括溃疡在内常见的10类脐橙果皮缺陷果及正常果。首先,提取并分析11类果皮感兴趣区域（ROI）光谱曲线并结合主成分分析法确定5个最佳波段（630、685、720、810和 875 nm）;然后基于特征波段做主成分分析,选取第5主成分（PC-5）作为分类识别图像,识别率达到80%。为了进一步提高溃疡识别率,该文又提出采用特征波段主成分分析法与波段比算法相结合的方法,基于此算法溃疡正确识别率提高到95.4%。试验结果表明,基于高光谱成像技术可以有效地对带有溃疡病斑的脐橙分类识别。     

基于分量替换高分辨率遥感图像融合方法的对比研究

基于分量替换的高分辨率遥感图像融合是一种十分重要的融合方法,但对该方法的融合原理的深入分析在国内还鲜有报道。为此对分量替换融合方法进行原理探究和实验对比分析。首先从线性代数的角度来阐述分量替换融合算法的实质,并对两种典型的构造可替换波段的分量替换方法（基于光谱响应函数模拟低分辨率全色波段的Gram-Schmidt融合法（GS1）和基于多元一次线性回归拟合低分辨率全色波段的Gram-Schmidt（GS2）融合法进行原理说明;其次,选取QuickBird全色与多光谱图像数据,进行三种有代表性的基于分量替换的融合方法（PCA,GS1,GS2）的对比分析。通过对比融合前后典型地物的光谱特性变化来评价融合影像的光谱保真性也是该研究的一大特色。结果表明:3种融合方法都具有很高的光谱保真性,GS2融合方法具有最优的光谱保真性,PCA和GS1融合算法次之,尤其是GS1融合处理后的图像存在部分光谱失真的现象,GS2算法的光谱保真性明显优于GS1。从基于分量替换融合方法的实质可以诠释出造成GS1融合图像光谱失真的根本原因,GS1融合算法使用的只是实验室理想环境下所获取的名义上的光谱响应特征。传感器的实际成像过程受到诸多因素的影响,如传感器在轨工作环境、大气、观测角度不同等的影响。GS1算法单纯通过不同波段光谱响应函数的线性组合来模拟低分辨率全色波段并不十分准确,GS2直接利用MS和Pan波段像元灰度值进行线性回归,克服了上述不确定性问题。通过以上对比研究发现,如何利用多光谱数据准确地模拟低分辨率全色波段,直接影响到融合后影像的光谱保真性,是目前高分辨率遥感图像融合的关键技术。     

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。     

基于高光谱成像技术的沙金杏成熟度判别

为了实现对不同成熟度沙金杏进行快速、准确识别的目的,该研究利用高光谱成像技术(400~1 000 nm)对沙金杏的成熟度进行了判别研究,利用高光谱成像系统分别采集了处于4种不同成熟阶段(七成熟、八成熟、九成熟和十成熟)的沙金杏共480个样本的高光谱数据。首先,对不同成熟阶段所有样本的可溶性固形物含量值进行测定和单因素方差分析,结果表明,可溶性固形物与成熟度之间存在相关性,其相关系数为0.9386,可用该指标对沙金杏的成熟度进行划分。然后,对光谱数据利用偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)模型提取得到9个特征波长(434、528、559、595、652、678、692、728、954 nm),对图像数据利用灰度共生矩阵(gray level co-occurrence matrix,GLCM)提取到6项图像纹理指标(均值、对比度、相关性、能量、同质性和熵),并对图像数据采用RGB模型提取到6项图像颜色指标(R、G、B分量图像的平均值和标准差)。将这三类指标进行最优组合并分别建立关于沙金杏成熟度判别的极限学习机(extreme learning machine,ELM)模型。结果表明:使用特征波长与颜色特征融合值建立的ELM模型的判别正确率最高,达到93.33%。该研究为沙金杏的成熟度在线无损检测提供了理论参考。     

应用可见/近红外高光谱成像测定鲑鱼片脂肪含量分布(英文)

脂肪作为一种重要的品质参数,在大西洋鲑鱼片中的分布很不均匀。为寻找一种能替代脂肪化学检测的快速无损的方法,该研究应用可见/近红外高光谱成像测定大西洋鲑鱼片的脂肪含量分布。分别采用可见/短波近红外(400-1100 nm)和近红外(900-1700 nm)系统获取大西洋鲑鱼片样本的高光谱图像。提取样本图像的平均光谱并与其相应的脂肪含量化学值采用偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)和最小二乘支持向量机(least-squares support vector machines,LS-SVM)建立相关性模型。为降低高光谱图像的共线性和冗余度,基于竞争性自适应重加权算法(competitive adaptive reweighted sampling,CARS)分别在可见/短波近红外和近红外光谱区间提取16个(468,479,728,734,785,822,863,890,895,899,920,978,1005,1033,1040,1051 nm)和15个(975,995,1023,1047,1095,1124,1167,1210,1273,1316,1354,1368,1575,1632,1661 nm)特征波长,并分别建立PLSR和LS-SVM模型。特征波长模型的性能优于全波段模型,且近红外区间的特征波长PLSR模型为最优,预测决定系数(R2p)为0.92,预测均方根误差(root mean square error of prediction,RMSEP)为0.92%,剩余预测偏差(residual predictive deviation,RPD)为3.50。最后,将最优模型用于预测高光谱图像上所有像素点的脂肪含量以展示样本上脂肪的分布。此外,还基于该技术对大西洋鲑整鱼片实现了脂肪分布可视化。结果表明高光谱成像技术结合化学计量学方法在大西洋鲑鱼片脂肪的定量和分布可视化上有一定的研究和应用前景。     

基于高光谱的中国干旱区棉花遥感估产（英）

该文测定了棉花盛蕾期至吐絮后期各时期冠层的高光谱反射率以及产量,并对棉花产量与冠层光谱植被指数进行相关分析。结果表明：棉花各生育期可见光波段、近红外波段及短波红外波段光谱反射率与产量间分别呈显著负相关、显著正相关与显著负相关。根据棉花冠层光谱波形特征,利用植被红边波段560 nm反射峰、670 nm吸收谷、近红外波段890 nm反射峰、980和1?210 nm两个弱水汽吸收谷、短波红外1?650和2 200 nm反射峰,设计归一化差值光谱指数,并与棉花产量进行相关分析,上述波段组合定义的归一化差值光谱指数与产量在各生育期均达显著或极显著相关。VARI_700抗大气植被指数在各生育期均达极显著相关。     

基于高光谱技术和改进型区间随机蛙跳算法的番茄硬度检测

为了准确、快速的检测番茄硬度,该文提出了一种基于改进型区间随机蛙跳算法优选高光谱特征波长的番茄硬度检测模型。在获取番茄高光谱图像后,首先对光谱数据进行多元散射校正(multiplicative scatter correction,MSC)和归一化预处理。针对区间随机蛙跳算法(interval random frog,i RF)所需迭代次数大、算法收敛慢等缺点,该文提出了改进型区间随机蛙跳算法(modified interval random frog, miRF),并将其应用于特征波长选择。最后建立偏最小二乘回归模型(partial least squares regression, PLSR)预测番茄的硬度。iRF共选出特征波段100个,算法收敛时间为32.1 min,而miRF共选出特征波长47个,算法收敛仅需1.6 min。同时miRF-PLSR番茄硬度预测精度也更优,测试集相关系数达到了0.968 5,均方根误差为0.004 0 kg/mm~2。试验结果表明:结合高光谱技术和miRF算法可实现对番茄硬度的快速、无损检测。     

高光谱图像技术诊断温室黄瓜病害的方法

利用高光谱图像技术研究了诊断温室黄瓜病害的方法,以提高诊断的准确性和效率。试验以黄瓜霜霉病、白粉病为研究对象,利用高光谱图像采集系统获取黄瓜病叶的高光谱图像数据,在450～900 nm范围内的高光谱图像数据中,选出特征波长下的图像;然后,对该图像进行去除噪声的滤波处理,并提取黄瓜病叶的色度矩纹理特征向量;最后采用支持向量机分类方法对黄瓜病害进行诊断。研究结果表明,采用高光谱图像新技术与线性核函数对黄瓜霜霉病、白粉病的正确诊断率达100%,采用高光谱图像技术可以实现对温室黄瓜病害进行快速、精确的分类诊断。     

Optical sensing and chemometric analysis of soil organic carbon – a cost effective alternative to conventional laboratory methods?

Soil organic carbon (SOC) is frequently determined by the Walkley‐Black (WB) method. A limitation of the test is incomplete oxidation of the carbon fraction and underestimation of SOC. Automated dry combustion methods are expensive and slow. Optical sensing and chemometric analysis offer the potential of an economical method capable of quantifying SOC fractions. The aim of this study was to identify the best SOC analysis method to facilitate maximum sampling resolution based on the cost per sample, analytical accuracy and time. A comparative evaluation was made of five techniques; (1) the WB method, (2) total combustion by total organic C analyser, (3) infrared (IR) diffuse reflectance spectroscopy, (4) a portable spectroradiometer and (5) laboratory hyperspectral imaging. This involved assessing equipment costs, consumables and time to derive total analytical cost. The benefits were sample throughput and analytical accuracy. Instrumentation represented the largest input to analytical cost and for optical methods was governed by the spectral range. In contrast to dry combustion, this cost is offset by high sample throughput and minimal consumable requirements for IR spectroscopy and hyperspectral imaging. Hyperspectral imaging is identified as the most rapid technique with potential to scan about 720 samples per day at 90% less cost than the WB method. The opportunity cost of hyperspectral imaging is to forfeit some analytical accuracy associated with the dry combustion method. Dry combustion, despite its high cost per sample, incurs no further costs associated with updating prediction models or developing site or soil specific correction factors.     

基于图像光谱信息融合的鱼不同冻藏时间及冻融次数鉴别

应用高光谱成像技术(380~1023 nm),基于信息融合实现鱼不同冻藏时间后冻融次数鉴别。首先,提取鱼样品感兴趣区域(region of interest,ROI)光谱并结合竞争性自适应重加权算法(competitive adaptive reweighted sampling,CARS)得到57个变量作为光谱信息,同时对鱼样品做主成分分析(principal component analysis,PCA),提取第一主成分图像信息如中值、协方差、同质性、能量、对比度、相关、熵、逆差距、反差、差异性、二阶距和自相关12个灰度共生矩阵(gray level co-occurrence matrix,GLCM)纹理特征参量,结合灰度共生矩阵纹理特征与光谱特征,作为模型偏小最二乘支持向量机(least squares support vector machines,LS-SVM)的输入建立区分模型,预测集识别率达到98%。结果表明,高光谱成像技术可以用于鱼不同冷冻时间以及冻融次数的鉴别。     

不同施肥情况下甘蔗叶片的光谱特征分析及叶绿素含量检测（英文）

In order to investigate the visible-NIR spectral features of the leaves of a sugarcane variety(ROC 22),the spectral reflectance and the chlorophyll content were measured in the laboratory,and their correlations were analyzed.Prediction models were built eventually.Results showed that the negative correlations with r greater than 0.8 was found in 527-578 nm and 701-731nm between spectral reflectance and chlorophyll content.And the red edge position(REP)was also found having high correlation with chlorophyll content,with the highest r of 0.8442.In order to explore the most sensitive bands for normalized difference vegetation index(NDVI),48471 NDVI values were computed with different wavebands for each sample and their correlations with chlorophyll were also analyzed.The distribution maps of NDVI and its correlations in a two-spectral-dimension space both indicated that the red bands had significant influence than the NIR bands.The suggested sensitive red range was 710-735 nm,especially720-725 nm;and the sensitive NIR range was from 780-850 nm,which had the higher robustness.The chlorophyll predication model with NDVI(725 and 840 nm)in tillering stage had determination coefficients of 0.7386,and was recommended for guiding the subsequent ridging fertilization.     

不同施肥情况下甘蔗叶片的光谱特征分析及叶绿素含量检测

In order to investigate the visible-NIR spectral features of the leaves of a sugarcane variety(ROC 22), the spectral reflectance and the chlorophyll content were measured in the laboratory, and their correlations were analyzed.Prediction models were built eventually.Results showed that the negative correlations with r greater than 0.8 was found in 527-578 nm and 701-731 nm between spectral reflectance and chlorophyll content.And the red edge position(REP) was also found having high correlation with chlorophyll content, with the highest r of 0.8442.In order to explore the most sensitive bands for normalized difference vegetation index(NDVI), 48471 NDVI values were computed with different wavebands for each sample and their correlations with chlorophyll were also analyzed.The distribution maps of NDVI and its correlations in a two-spectral-dimension space both indicated that the red bands had significant influence than the NIR bands.The suggested sensitive red range was 710-735 nm, especially 720-725 nm; and the sensitive NIR range was from 780-850 nm, which had the higher robustness.The chlorophyll predication model with NDVI(725 and 840 nm) in tillering stage had determination coefficients of 0.7386, and was recommended for guiding the subsequent ridging fertilization.     

利用航空成像光谱数据研究土壤供氮量及变量施肥对冬小麦长势影响

以推扫式成像光谱仪PHI(Pushbroom Hyperspectral Imager)获取的冬小麦拔节期、灌浆初期及乳熟期的航空影像数据为基础，提取反映冬小麦长势的光谱特征值，结合地面调查数据，分析了研究区冬小麦的长势情况；对不同时相光谱特征值与土壤基础供氮量、土壤总供氮量以及变量施肥量进行统计分析，分析结果显示：土壤基础供氮量、土壤总供氮量的空间分布差异对冬小麦长势有明显的影响，其中，土壤基础供氮量是影响冬小麦长势的重要因素，它对冬小麦的长势影响贯穿冬小麦的整个生育期；此外，该文还通过变量施肥前后作物