基于可见/近红外光谱和深度学习的早期鸭胚雌雄信息无损检测

胚蛋雌雄识别一直是家禽业发展的瓶颈问题,在禽肉生产过程中倾向于养殖雄性个体,而禽蛋生产产业倾向于养殖雌性家禽。若能在孵化过程中较早鉴别出种蛋的雌雄,不仅能够降低家禽孵化产业的成本,还能够提高禽蛋和禽肉生产行业的经济效益。该文以种鸭蛋为研究对象,为了在种鸭蛋孵化早期实现对种蛋的雌雄识别,构建了可见/近红外透射光谱信息采集系统,在200～1 100 nm的波长范围内采集了345枚孵化了0~8 d的种鸭蛋光谱数据。搭建了适用于种鸭蛋光谱信息的6层卷积神经网络（convolutional neural network, CNN）,其中包括输入层、3个卷积层、全连接层与输出分类层。卷积层可以提取光谱中的有效信息,全连接层通过对卷积层提取的局部特征进行整合供输出层分类决策。另外在卷积神经网络中引入局部响应归一化和dropout操作能够加快网络的收敛速度。利用该卷积神经网络构建鸭胚雌雄信息识别网络,通过对比与分析不同孵化天数的识别效果,发现孵化7d的识别效果最佳。随后将孵化7 d的种鸭蛋原始光谱数据进行噪声去除,选取500~900 nm波段用于后续的特征波长选取和建模。分别运用了竞争性自适应重加权算法(CARS)、连续投影算法( SPA)与遗传算法(GA)选择能够区分鸭胚性别的波长点,将选取的特征波长转换为二维的光谱信息矩阵,二维光谱信息矩阵保留了一维光谱的有效信息,同时极大地方便了与卷积神经网络的结合。利用二维光谱信息矩阵和卷积神经网络相结合,实现孵化早期阶段鸭胚的雌雄识别。经检验,基于 SPA算法和CNN网络建立的模型效果较佳,其中训练集、开发集及测试集的准确率分别为93.36%,93.12%和93.83%;基于GA算法和CNN网络建立的模型效果次之,训练集、开发集及测试集的准确率分别为90.87%,93.12%和86.42%;基于CARS算法和CNN网络建立的模型的训练集、开发集及测试集的准确率分别为84.65%,83.75%和77.78%。研究结果表明基于可见/近红外光谱技术和卷积神经网络可以实现孵化早期鸭胚胎雌雄的无损鉴别,为后续相关自动化检测装置的研发提供了技术支撑。     

高光谱技术结合特征波长筛选的牛肉品种多波段识别

利用可见/近红外(400～1 000 nm)及近红外(900～1 700 nm)高光谱成像技术结合特征波长筛选方法对安格斯牛、力木赞牛、西门塔尔牛3个品种的牛肉进行鉴别研究,且测定肉样的色泽、嫩度、pH值以及水分、脂肪、蛋白质含量。根据不同波段光谱的特点,分别对原始光谱进行预处理,并利用SPA、IRF和IRF-SPA方法筛选特征波长,建立基于全波段及特征波长下的PLS-DA牛肉品种鉴别模型。结果显示:400～1 000 nm波段采用SNV-IRF-SPA-PLS-DA方法建立的模型最优,校正集与预测集准确率分别为98.56%和97.12%,900～1 700 nm波段采用SG-SPA-PLS-DA方法建立的模型准确率为94.09%和96.04%,说明不同波段高光谱对牛肉品种识别均有较好的效果;400～1 000 nm波段的识别准确率优于900～1 700 nm,说明3种牛肉在色泽纹理上的差异比成分含量显著。研究表明,利用高光谱成像技术结合特征波长筛选方法能够获得较好的牛肉品种鉴别效果。     

赤霞珠酿酒葡萄总酚含量的近红外光谱定量分析

酿酒葡萄中的总酚含量是影响葡萄品质的重要指标,也是影响葡萄酒质量的关键因素。为了快速准确地检测赤霞珠葡萄的总酚含量,利用近红外光谱技术结合GA-ELM预测模型对赤霞珠葡萄总酚含量进行预测研究。试验采用5个收获期（每期采集40串,每串取10个）的赤霞珠葡萄,采集200组葡萄的12 500~4 000 cm-1波段范围内的近红外光谱。基于福林酚比色法原理对赤霞珠葡萄的总酚含量进行测定,使用SPXY算法将样品按照3∶1比例分为校正集和预测集,共计150个校正集和50个预测集。分别采用多元散射（MSC）、标准正态变换（SNV）、数据中心化（MC）、移动窗口平滑（MA）和一阶导数+SG方法对原始光谱进行预处理,优选出最佳的预处理方法为MSC。并进一步采用竞争性自适应重加权算法（CARS）、遗传算法（GA）、联合区间偏最小二乘算法（si-PLS）和连续投影算法（SPA）分别对光谱波段进行提取,经对比分析发现CARS提取的69个特征波长数据能有效提高模型的稳定性和预测结果。在MSC预处理和特征波长提取的基础上,引入极限学习机（ELM）算法,建立赤霞珠葡萄总酚含量的预测模型,在总酚含量预测过程中,采用遗传算法（GA）对ELM模型进行优化,并探究了不同的激活函数和隐含层神经元个数对GA-ELM模型预测能力的影响,确定最优的激活函数为Sigmoidal,最优的神经元个数为50个。最后,将ELM和GA-ELM模型的预测能力进行对比,结果显示GA-ELM模型的预测能力高于ELM模型的预测能力,其中MSC+CARS+GA-ELM模型预测能力最好,校正相关系数（R_c）为0.901 7,预测相关系数（R_p）为0.901 3,校正均方根误差（RMSEC）为2.112 4,预测均方根误差（RMSEP）为1.686 8,剩余预测偏差（RPD）为2.308 0。研究结果表明：利用近红外光谱技术结合变量优选建立的GA-ELM模型可实现对赤霞珠葡萄的总酚含量的预测,为赤霞珠葡萄品质的检测奠定了理论基础。     

高光谱漫反射无损检测鸡蛋受精状态

种鸡蛋孵化期间受精状态的检测需要消耗大量人力、物力,并且孵化期间的种鸡蛋不能保证均为健康蛋,需要能够在孵化早期将无精蛋和死精蛋快速准确挑选出来达到降低生产成本的目的。以白来航鸡蛋为研究对象,采用高光谱分选仪批量采集受精、未受精、死精三类鸡蛋共119枚在382~1 026 nm范围内的高光谱数据,其中受精蛋采集孵化3,5,7,9,11,13和15 d的数据,并通过黑白校正方法对原始光谱图做校正处理,得到其漫反射率,经过实验对比以及根据实际生产需要,受精蛋选用孵化3和5 d的光谱数据作为建模数据。同时提出了一种将光谱数据转换为图像数据的方法,在最大化保证光谱原始数据的前提下达到了光谱向量数据可视化的效果,可以有效与深度学习图像识别算法相结合。采用连续投影算法（SPA）、竞争性自适应重加权算法（CARS）对光谱波段进行筛选,建立基于全波段、CARS筛选的特征波长、SPA筛选的特征波长与SVM、RandomForest算法与AlexNet、MobileNet网络的判别模型,其中AlexNet-5dFull Wave Bands准确率最高为93.22%。与通过不同特征波长算法筛选出的数据实验结果对比发现,经过SPA算法筛选后的特征波长的建模效果相比于CARS效果更好,其中SVM-SPA3d模型准确率为91.52%,RandomForest-SPA3d模型的准确率为89.83%,AlexNet-SPA3d模型的准确率为89.83%,表明经过SPA筛选后的特征波长能够保存更多关于种蛋信息差异的有效信息。研究结果表明,利用高光谱分选仪对批量种蛋进行漫反射光谱采集,并将黑白校正后的原始光谱漫反射率数据转换为图像数据,将转换后的图像数据利用深度学习图像识别算法对鸡蛋的受精状态进行准确、无损鉴别是可行的,为后续相关自动化的批量检测提供了技术支持。     

近红外光谱结合变量优选和GA-ELM模型的干制哈密大枣水分含量研究

水分含量是哈密大枣干制过程中的重要指标,对其外观、口感、贮藏和运输具有重要的影响。因此,为实现哈密大枣水分含量的准确预测,采用近红外光谱结合变量优选方法,建立干制哈密大枣水分含量的GA-ELM预测模型。为提高模型的稳定性和预测精度,开展并讨论了核函数和神经元个数对GA-ELM预测模型的影响。采用多种预处理方法对全波段光谱进行处理,对比分析发现标准正态变换方法(SNV)效果最佳。对标准正态变换处理后的光谱利用连续投影算法(SPA)、联合区间偏最小二乘(si-PLS)和遗传算法(GA)及其组合算法分别从全波段927.77～2 501.14 nm范围内筛选特征波长,并建立对应GA-ELM预测模型,同时与全波段的GA-ELM模型效果相比较,采用SNV+SPA筛选的14个特征波长建立的GA-ELM模型效果最佳,预测结果R_c和R_p分别为0.984 2和0.967 5, RMSEC和RMSEP分别为0.006 1和0.007 9, RPD为3.678 8。研究结果表明:SNV+SPA+GA-ELM方法可实现干制哈密大枣水分含量的准确预测,为近红外光谱技术应用于干制哈密大枣在线检测提供了参考。     

高光谱成像结合SIS与RFS的蓝莓腐烂病检测

为了能够快速、无损地检测采后蓝莓腐烂病害,利用高光谱成像技术对采后蓝莓腐烂病进行检测。本研究提出光谱信息分割法(SIS)对866.5 nm波段图像蓝莓病害区域进行分割,取得了较好效果。另外根据正常蓝莓光谱曲线和病害蓝莓光谱曲线,提出区域特征筛选法(RFS),并结合竞争适应重加权采样(CARS)和连续投影(SPA)算法对可见光第一区域波段、近红外第二区域波段分别筛选特征波长。最后,采用相关向量机(RVM)模型和径向基(RBF)神经网络模型对蓝莓腐烂病害进行检测。检测结果表明,第一区域与第二区域特征波长组合建立的CARS-RBF模型检测效果最好,特征波长为655.8,710.9,752.2,759.9,761.2,866.5,969.7 nm,训练集和测试集正常蓝莓与病害蓝莓检测准确率分别为98.3%、98.6%和97.5%、98.75%。本研究提出的光谱信息分割法(SIS)和区域特征筛选法(RFS)检测蓝莓病害,为蓝莓在线检测和分拣提供了一种新的参考方法。     

SiPLS-CARS与GA-ELM对哈密瓜冠层叶片含水率的反演估测

传统的叶片含水率检测方法效率低、操作繁琐且是有损的检测,不利于大田哈密瓜叶片含水率的快速获取。为实现对大田哈密瓜生长期进行更精细的田间灌水管理,利用光谱技术分别获取了哈密瓜植株在成长期（M₁）、开花期（M₂）、结果期（M₃）、成熟期（M₄）四个时期内的冠层叶片样本,采用烘干法测得叶片样本的含水率。为提高预测模型的精度和稳定性,首先开展并讨论极限学习机（ELM）模型中的核函数与隐含层神经元个数的选择对ELM模型精度的影响。随后分别利用联合子区间偏最小二乘法（SiPLS）及其与竞争性自适应重加权采样法（CARS）、遗传算法（GA）、连续投影算法（SPA）的组合算法对全波段光谱数据中与叶片含水率相关性高的特征波长进行筛选提取。再分别使用GA与粒子群算法（PSO ）对已经确定最佳核函数与隐含层神经元个数的ELM模型中的输入层与隐含层间的连接权值（W）和隐含层神经元阈值（B）进行优化选择,获取最优且稳定的W与B值,进一步提高模型的稳定性和预测精度。最后将四种特征波长提取算法优选出的特征波长分别进行ELM,GA-ELM,PSO-ELM建模分析,以校正集和预测集的相关系数R_c与R_p为模型评价指标,经过对比分析优选出能准确预测哈密瓜冠层叶片含水率的反演估测模型。采用SiPLS及其与CARS,GA和SPA的组合算法提取特征波长,筛选出的变量数分别为273,20,32和6,占全光谱变量的15.6%,1.2%,1.9%和0.03%。进一步将筛选出的特征波长作为自变量,叶片的含水率作为因变量,建立了ELM的预测模型,最佳预测精度R_p值为0.845 0,预测精度不是很理想。故引入GA与PSO对ELM中随机产生的W与B值进行优化选择。最终,经过研究发现,利用GA优化后的ELM模型结合SiPLS-CARS筛选出的特征波长建立的哈密瓜冠层叶片含水率预测精度最优,故反演叶片含水率的最优建模方式为SiPLS-CARS-GA-ELM,R_c值为0.928 9,R_p值为0.903 2,所建模型精度较高,可为大田哈密瓜冠层叶片的含水率进行快速检测,为田间灌溉管理提供科学依据。     

应用高光谱鉴别黑枸杞和唐古特白刺果

黑枸杞含有花青素、多糖、氨基酸和微量元素等多种营养成分,具有极高的经济和医药价值,其市场价格很高。唐古特白刺果外观和黑枸杞极为相似,其价格较低,经常被用于冒充黑枸杞。高光谱图像技术结合图像和光谱于一体, 常用于食品检测和识别等领域。结合高光谱图像技术,无损识别黑枸杞和唐古特白刺果。采集黑枸杞（180份）和唐古特白刺果（180份）的高光谱图像,利用掩膜提取光谱,光谱范围为900～1 700 nm,共254个波段,去除前22个异常波段。采用Kennard-Stone法划分样品,校正集∶预测集=2∶1;采用连续投影算法（SPA）法对光谱进行降维,设定提取特征波长范围为0～30,最终提取特征波长为20个;分别将全光谱（FS）和SPA提取的20个特征波长作为模型输入,建立支持向量机（SVM）和极限学习机（ELM）识别模型。结果表明,基于FS和SPA建立的SVM模型识别率为100%;基于FS和SPA建立的ELM模型识别率为100%;SPA法在不降低模型识别精度的情况下,能减少模型输入,输入仅为FS的8.62%,大大降低模型运算量。此研究为识别黑枸杞和唐古特白刺果提供了参数。     

可见/近红外漫透射光谱结合CARS变量优选预测脐橙可溶性固形物

可溶性固形物(SSC)是脐橙重要内部品质之一。采用QualitySpec型光谱仪在350～1000 nm波段范围采集脐橙的可见/近红外漫透射光谱,采用CARS(competitive adaptive reweighted sampling)变量选择方法筛选出与脐橙SSC相关的重要变量,并与无信息变量消除(UVE)及连续投影算法(SPA)比较。最后,对选择的38个重要波长变量应用偏最小二乘(PLS)回归建立脐橙SSC预测模型,并对未参与建模的75个样品进行预测。研究结果表明,CARS方法优于UVE及SPA变量选择方法,能有效地筛选出重要波长变量。CARS-PLS建立的SSC预测模型优于全光谱的PLS模型,其校正集及预测集的相关系数分别为0.948和0.917,均方根误差分别为0.347%和0.394%。因此,可见/近红外漫透射光谱结合CARS方法可以预测脐橙可溶性固形物,CARS变量选择方法能有效简化预测模型和提高模型的预测精度。     

高光谱无损识别野生和种植黑枸杞

高光谱图像技术在农产品检测及识别方面有广阔的应用前景。野生黑枸杞经济效益显著,经常被种植黑枸杞冒充。提出一种利用高光谱图像对野生黑枸杞无损快速识别的方法。主要内容和结果如下：（1）共采集256份（野生、种植各128份）黑枸杞在900～1 700 nm范围的高光谱反射光谱,每份平均光谱作为此样品的光谱;（2）采用标准正态变换（SNV）对采集的光谱预处理;基于Kennard-Stone法,按照校正集和预测集比例为2∶1对样品划分,用连续投影算法（SPA）对光谱进行降维处理,提取特征波长30个;分别将全光谱和SPA 提取的30个特征波长作为模型输入,建立支持向量机（SVM）、极限学习机（ELM）和随机森林（RF）识别模型。（3）结果表明,在识别野生黑枸杞模型中,基于全光谱和SPA建立的SVM,ELM和RF模型校正集识别率均高于98.8%,基于全光谱和SPA建立的SVM,ELM和RF模型预测集识别率均高于97.7%。基于全光谱（FS）建立的三种识别模型略优于基于SPA建立的三种识别模型。但从简化模型方面,SPA提取的特征波常数仅为全光谱的11.8%,大大降低了模型运算量。三种模型中,基于随机森林模型无损识别野生黑枸杞效果最好,均达到100%。研究表明,利用高光谱图像技术结合分类模型可快速识别野生黑枸杞。     

高光谱成像的猕猴桃糖度无损检测方法

猕猴桃糖度是重要的猕猴桃内部品质衡量指标。传统的糖度检测耗时且有损样品,有效无损检测猕猴桃糖度含量对于其品质分级、储藏销售具有重大意义。基于高光谱成像技术的常见果蔬品质无损检测方法多数是采用竞争性自适应重加权算法(CARS)、连续投影算法(SPA)、主成分分析(PCA)、迭代保留信息变量法(IRIV)等算法中的某个单一算法提取特征光谱变量,而这些算法单独使用易导致预测结果的稳定性不足。对此,开展了基于高光谱成像技术的猕猴桃糖度的无损检测方法研究。以四川省雅安市“红阳”猕猴桃为研究对象,依次对猕猴桃样本编号并采集其在400~1 000 nm波长范围内的高光谱图像,计算感兴趣区域的平均光谱作为样本的有效光谱信息;分别采用多元散射校正（MSC）、标准正态变量变换（SNV）、直接正交信号校正（DOSC）等3种光谱数据预处理方法分析对预测模型精度的影响,对比结果显示DOSC的预处理效果最好;对预处理后的光谱分别采用一次降维(CARS,SPA,IRIV)、一次组合降维(CARS+SPA,CARS+IRIV)算法和二次组合降维算法((CARS+SPA)-SPA,(CARS+IRIV)-SPA))等7种算法提取特征光谱变量,并分别构建了预测猕猴桃糖度的3种模型,即支持向量回归机（SVR）、最小二乘支持向量机（LSSVM）和极限学习机（ELM）模型;最后对比了基于不同特征提取方法的3种模型的预测精度。研究结果表明：ELM模型具有最好的预测性能,而SVR模型的预测性能最差;(CARS+IRIV)-SPA所选特征光谱变量输入LSSVM、ELM模型,其获得的预测结果均优于其他算法所选特征光谱变量输入对应模型所得的预测结果,证明了(CARS+IRIV)-SPA算法在提高猕猴桃糖度含量检测精度方面的有效性。对比不同方法的预测结果可知,(CARS+IRIV)-SPA-ELM对猕猴桃糖度的预测性能最优,其相关系数R_c=0.945 1,R_p=0.839 0,均方根误差RMSEC=0.450 3,RMSEP=0.598 3,预测相对分析误差RPD=2.535 1,该方法为猕猴桃糖度的检测无损化、精准化、智能化发展提供了可靠的理论依据和技术支撑。     

基于光谱技术的双孢蘑菇新鲜度量化检测技术研究

双孢蘑菇质地柔嫩、营养丰富,具有很好的降血压、降血脂、消炎护肝等多种保健价值,其新鲜度是反映内外部品质的重要指标之一。目前双孢蘑菇新鲜度鉴别大多依据其外观品质变化（褐变）,缺乏精准的量化评价指标与方法,因此提出了以贮藏天数为新鲜度检测的量化指标,并利用近红外光谱技术对双孢蘑菇新鲜度进行检测分析。依据存储天数不同,将双孢蘑菇样本分为1~5组,每组40个样本,依次采集每组双孢蘑菇的近红外光谱数据。针对采集的原始光谱数据,首先选用卷积平滑滤波（SG）与多元散射校正（MSC）消除原始光谱噪声、基线平移以及光散射的影响,并选取399.81~999.81 nm的光谱波段作为数据处理范围;然后分别使用主成分分析（PCA）和连续投影算法（SPA）进行光谱降维和特征波长选择,继而建立极限学习机（ELM）分类模型;同时考虑到ELM模型中初始值对分类准确率影响较大,分别选用粒子群优化算法（PSO）、海鸥优化算法（SOA）对ELM中初始权值及阈值进行寻优,形成PSO-ELM,SOA-ELM优化组合分类模型;最后分别将全光谱、提取主成分以及所选的特征波长｛556.87,445.51,481.15,885.10,802.25,720.90,861.34,909.79,924.44,873.17 nm｝输入到分类模型中,建立不同输入、不同分类模型的双孢菇新鲜度检测模型。最终试验结果表明,当ELM为分类模型,以全光谱、主成分以及特征波长为输入时的预测精度分别为75%,95%,88%;以SPA优选特征波长作为输入的PSO-ELM、SOA-ELM分类模型训练集精度为96.25%,93.25%,预测集精度为92.5%,94%。可知,SPA波长选择算法可以有效降低光谱信息中存在的冗余信息,加快建模效率,同时海鸥优化算法能较好的优化ELM分类模型的初始参数,分类精度较ELM模型提高了6.8%,同时不产生过拟合现象。因此,利用光谱特征可以快速、准确无损的识别双孢蘑菇的新鲜度,研究结果为便携式双孢蘑菇新鲜度快速无损检测设备的开发提供了理论依据。     

X射线荧光光谱结合CARS变量筛选选择方法用于土壤中铅砷含量的测定

X射线荧光光谱分析作为一种以化学计量学为基础的定量分析技术,所建立模型优劣对结果的预测准确性显得十分重要.竞争性自适应重加权算法(CARS)采用自适应重加权采样技术,利用交互验证选出互验证均方根误差(RMSECV)值最低原则,寻出最优变量组合.为了进一步提高PLS模型的解释和预测能力,将竞争性自适应重加权算法(CARS...