基于联合偏度的高光谱图像波段选择对玉米种子分类研究

高光谱图像技术是在种子识别领域广泛应用的农产品品质无损检测方法。特征信息的充分提取和最优波段的选择是影响高光谱图像技术种子鉴选在线应用的关键因素。目的在于利用联合偏度算法选择高光谱图像的最优波段,用于开发在线的种子分级系统。论文利用高光谱图像采集系统获取10类共960粒玉米种子在438～1 000 nm(共219个波段)波段范围内的高光谱图像,并提取了种子高光谱图像的平均光谱、图像熵特征。利用联合偏度算法选择了高光谱图像的最优波段,分别建立了基于平均光谱、图像熵、平均光谱和图像熵联合特征条件下的支持向量机种子分类模型,比较不同特征下分类模型的识别精度。实验结果表明：无论是全波段分类模型,还是建立在最优波段基础上的分类模型,利用平均光谱和图像熵联合特征获得的分类精度均高于平均光谱和图像熵两种单一特征模型。在10个最优波段条件下,联合特征分类模型的识别精度达到了96.28%,比光谱均值和图像熵的识别精度分别提高了4.30%和20.38%,也高于全波段联合特征识别模型的93.47%。利用联合特征建立玉米种子分类模型时,基于联合偏度的波段选择算法的分类精度要高于无信息变量消除法、连续投影算法和竞争性自适应重加权算法。该研究为种子高光谱图像识别技术的在线运用提供了可行的途径。     

基于联合偏度的高光谱图像波段选择对玉米种子分类研究（英文）

高光谱图像技术是在种子识别领域广泛应用的农产品品质无损检测方法。特征信息的充分提取和最优波段的选择是影响高光谱图像技术种子鉴选在线应用的关键因素。目的在于利用联合偏度算法选择高光谱图像的最优波段,用于开发在线的种子分级系统。论文利用高光谱图像采集系统获取10类共960粒玉米种子在438~1 000 nm(共219个波段)波段范围内的高光谱图像,并提取了种子高光谱图像的平均光谱、图像熵特征。利用联合偏度算法选择了高光谱图像的最优波段,分别建立了基于平均光谱、图像熵、平均光谱和图像熵联合特征条件下的支持向量机种子分类模型,比较不同特征下分类模型的识别精度。实验结果表明:无论是全波段分类模型,还是建立在最优波段基础上的分类模型,利用平均光谱和图像熵联合特征获得的分类精度均高于平均光谱和图像熵两种单一特征模型。在10个最优波段条件下,联合特征分类模型的识别精度达到了96.28%,比光谱均值和图像熵的识别精度分别提高了4.30%和20.38%,也高于全波段联合特征识别模型的93.47%。利用联合特征建立玉米种子分类模型时,基于联合偏度的波段选择算法的分类精度要高于无信息变量消除法、连续投影算法和竞争性自适应重加权算法。该研究为种子高光谱图像识别技术的在线运用提供了可行的途径。     

热损伤玉米种子的高光谱无损检测

玉米是世界主要粮食作物之一,使用不符合国家标准的劣质种子将严重影响玉米作物产量,如何快速准确高效鉴别劣质玉米种子亟待解决。采用高光谱图像系统获取900粒“豫安三号”玉米种子的900～1 700 nm光谱曲线,其中训练集和测试集比例为3∶2,分别为540粒和360粒。利用电鼓风式烘干箱对种子损伤处理,获得不同损伤程度的玉米种子样本,采集光谱后完成发芽试验,以此判别种子活力。为提高信噪比,截取963.27～1698.75 nm范围内的玉米种子光谱波段作为有效波段;采用标准正态变换(SNV)、多元散射校正(MSC)两种预处理方式对原始光谱数据预处理,并采用连续投影算法(SPA)、竞争性自适应重加权算法(CARS)两种特征波段提取算法对预处理后的光谱数据提取特征波段,波长反射率作为输入矩阵X,预设样本类别作为输出矩阵Y;最后采用支持向量机(SVM)模型建模分析,研究结果表明：MSC-CARS-SVM模型为最佳模型,模型识别成功率为98.33%,其Kappa系数为0.985。在此基础上,采用遗传算法(GA)对SVM中惩罚系数c和核函数参数g寻优,模型准确率提升至100%,可实现对热损伤劣质玉米种...     

基于高光谱图像的玉米种子特征提取与识别

玉米种子的形态特征是玉米品种识别的重要因素之一.采用高光谱成像系统获取9个品种共432粒玉米种子的高光谱反射图像,对图像进行校正和预处理,提取每个样本在563.6~911.4 nm共55个波段范围内的形状特征.分别利用单波段、多波段和全波段下的玉米种子形状特征结合偏最小二乘判别法进行模型分类.结果显示,全波段范围内训练集和测试集的平均正确识别率达到98.31%和93.98%,均优于多波段和单波段的正确识别率.研究表明,该方法能充分利用高光谱图像中可见光和近红外区域的有效特征信息,较准确地鉴别玉米品种,为玉米品种的自动识别领域提供了一种新方法.     

基于高光谱图像的玉米种子特征提取与识别

玉米种子的形态特征是玉米品种识别的重要因素之一.采用高光谱成像系统获取9个品种共432粒玉米种子的高光谱反射图像,对图像进行校正和预处理,提取每个样本在563.6～911.4nm共55个波段范围内的形状特征.分别利用单波段、多波段和全波段下的玉米种子形状特征结合偏最小二乘判别法进行模型分类.结果显示,全波段范围内训练集和测试集的平均正确识别率达到98.31%和93.98%,均优于多波段和单波段的正确识别率.研究表明,该方法能充分利用高光谱图像中可见光和近红外区域的有效特征信息,较准确地鉴别玉米品种,为玉米品种的自动识别领域提供了一种新方法.     

基于高光谱图像技术的玉米杂交种纯度鉴定方法探索

对玉米种子高光谱图像的光谱维信息进行分析,探索利用高光谱图像技术鉴定玉米杂交种纯度的可行性。实验中利用高光谱成像系统采集玉米品种农华101的母本和杂交种的高光谱图像, 波长范围871～1699 nm;在每个玉米样本上提取感兴趣区域的平均光谱信息,利用处理后的数据建立农华101母本和杂交种的鉴定模型。讨论了样品的摆放方式(种子胚正对光源和背对光源,种子在样品台上的位置)和实验环境对鉴定模型性能的影响。鉴定模型对不同摆放方式和实验环境下获得的同种样品的光谱的正确识别率和正确拒识率均达到90%以上,模型稳健性良好。利用Qs方法选择特征波段[1],发现在1 230 nm附近(1 195～1 246 nm)农华101的母本和杂交种差异最大。实验中利用特征波段内的数据进行建模和测试,正确识别率和正确拒识率达到90%以上,与利用全波段(925～1597 nm)获得的识别效果相当。分析结果表明,利用高光谱图像技术鉴定玉米杂交种纯度是可行的。     

基于近红外高光谱成像技术的小麦不完善粒检测方法研究

小麦作为主要的粮食作物在我国农业生产、运输、食品加工等方面占有重要地位。不完善籽粒严重影响了小麦质量与粮食安全。不完善籽粒主要在生产、存储、包装等过程中产生，目前我国小麦质量检测多以人工分选为主，但存在人主观性较强，肉眼易疲劳，且费时费力等问题，因此，如何快速准确鉴别小麦不完善粒是现阶段提高生产率和保证粮食安全的重要问题。运用高光谱成像技术和特征波段选取方法提出一种快速有效的小麦不完善粒鉴别方法。利用近红外高光谱成像系统获得1 000粒小麦样本在862.9～1 704.2 nm共256个波段的高光谱反射图像，其中包括健康粒、生芽粒、霉变粒和赤霉粒各250粒，提取每个样本感兴趣区域的平均反射率光谱作为分类特征。本文首先对提取的全波段光谱信息进行窗口平滑、一阶导数差分、矢量归一化等数据预处理，将原始光谱数据的隐藏信号放大并消除随机误差；在预处理的基础上运用伪偏最小二乘(DPLS)和正交化线性判别分析(OLDA)对光谱进行特征提取，降低数据的冗余度；最后采用仿生模式识别(BPR)建立四类小麦的鉴别模型。实验结果表明，采用全波段光谱信息建立的小麦不完善粒鉴别模型的平均识别精度达到97.8%，分析结果可知，利用近红外高光谱成像技术的全波段光谱信息对小麦不完善粒鉴别是可行的。尽管全波段光谱信息取得了较好的鉴别效果，但高光谱成像设备较为昂贵，获取高光谱全波段光谱信息数据量较大，无法满足对现场设备运算速度的高要求，因此，采用连续投影算法(SPA)对全波段光谱数据进行特征波段的选择，使波段数量由256维降低到10维，从而提高系统的可行性和运算速度。采用选取的10个特征波段建立小麦不完善粒鉴别模型，实验结果表明10个特征波段的平均识别精度仅为83.2%，分析结果可知，尽管采用10个特征波段提高了系统实时性，但鉴别准确性较差。为达到与全波段特征基本相当的鉴别效果，利用光谱特征与图像特征结合的方法建立小麦不完善粒鉴别模型，将上述选取的10个特征波段的形态信息、纹理信息和光谱信息进行结合，实验结果表明，10个特征波段的光谱信息与图像信息结合使鉴别的平均识别精度达到94.2%，此识别效果与利用全波段光谱数据的识别效果基本相当。利用高光谱成像系统探索了小麦不完善粒鉴别的可行性，通过分析以上实验可知，基于近红外高光谱成像技术对小麦不完善粒检测具有良好的效果，在有效的提高运算速度的同时也保证了系统的鉴别精度，为后期小麦不完善粒快速检测设备的开发提供了有效的研究方向。     

高光谱成像技术的库尔勒梨早期损伤可视化检测研究

利用高光谱成像技术对库尔勒梨早期损伤进行快速识别检测。以60个库尔勒梨为研究对象,采集380～1 030 nm波段范围内完好样本和损伤后1～7天样本的480幅高光谱图像。提取图像中感兴趣区域(ROI)的平均光谱信息,利用小波变换(WT)对光谱数据进行去噪平滑,将去噪后的全部样本按2∶1的比例分成建模集(320个)和预测集(160个)。利用二阶导数从全谱信息中提取出19个特征波长,分别基于全谱和提取出的特征波长对建模集和预测集进行支持向量机(SVM)建模分析。结果表明,基于全谱和特征波长的判别分析模型中,两者预测集的识别率都达到93.75%,表明提取的特征波长包含了光谱数据中的关键信息。然后,基于特征波长运用波段比运算挑选最佳波段比,根据波段比F值的分布确定光谱图像分割的最佳波长684和798 nm。对最佳波段比(684/798 nm)下的图像,利用选择性搜索(SS)对高光谱图像中样本的完好和损伤区域进行分割,从分割结果来看,1～7天损伤样本的受损区域能够被准确检测出来。研究结果表明：基于高光谱成像技术对库尔勒梨进行损伤鉴别是可行的,该研究所获得的特征波长和波段比为研发在线实时的库尔勒梨损伤检测系统提供支撑。     

基于NIR高光谱成像技术的长枣虫眼无损检测

为了研究快速识别虫眼枣与正常枣的有效方法,利用特征波长主成分分析法结合波段比算法进行虫眼枣识别。首先,利用NIR高光谱成像系统采集130个长枣(50个正常、80个虫眼枣)图像,提取并分析不同类型长枣特征区域的平均光谱曲线,对970~1 670 nm范围内的光谱数据进行主成分分析,确定7个特征波长(990,1 028,1 109,1 160,1 231,1 285,1 464 nm)。然后,对长枣图像做主成分分析,选择PC2图像进行虫眼识别,虫眼与正常枣的识别率分别为67.5%、100%。为了进一步提高虫眼枣的识别率,采用波段比(R1231/R1109)对未识别的虫眼枣进行再次识别,识别率提高到90%。结果表明,基于NIR高光谱成像技术的检测方法对虫眼枣识别是可行的,同时也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。     

利用少量波段近红外光谱图像鉴定玉米种子纯度

为实现玉米杂交种的自动化快速分选,提出了应用少量近红外波段光对玉米种子进行成像,获取种子光谱图像并提取纹理特征来鉴定玉米杂交种纯度的方法。采集5个玉米品种的母本和杂交种在4个短波近红外波段的透射光谱图像和4个中波近红外波段的反射光谱图像,采用白板标定校正光谱图像,运用中值滤波、大津法去除噪声,从背景中分割出种子,应用灰度分布统计,灰度共生矩阵提取纹理特征,对同一粒种子拼接其在各波长处的特征数据,应用主成分分析和正交线性判别分析降维并获得子空间的最佳可分性,使用支持向量机建立透射和反射光谱图像纯度鉴定模型。透射和反射模型对5个玉米品种平均正确鉴别率均在85%以上。表明利用少量波段的近红外光谱图像鉴定玉米杂交种纯度是可行的。     

基于高光谱成像技术结合SPA和GA算法测定甜玉米种子电导率

种子活力对于农业发展至关重要,而甜玉米种子普遍存在活力较低且不耐贮藏的问题。因此,及时准确地对甜玉米种子活力进行检测尤为重要。电导率测定法作为一种传统的种子活力检测方法,存在对种子有一定破坏性、耗时较长、重复性不佳等缺点。针这些问题,尝试利用可见-近红外（VIS-NIR）高光谱成像系统结合化学计量学算法建立甜玉米种子电导率快速、无损且精确的检测方法。以高温高湿老化的绿色超人甜玉米种子为试验材料,先通过可见-近红外高光谱成像系统采集种子的高光谱图像和进行电导率测定试验,随后对高光谱图像进行黑白板校正、提取感兴趣区域,获取光谱反射率数据。利用多种预处理方法分别为标准正态变量变换（SNV）、二阶导（SD）、一阶导（FD）、和多元散射校正（MSC）建立甜玉米种子电导率的偏最小二乘回归（PLSR）模型,比较分析并筛选出最适预处理方法。再通过连续投影算法(SPA)及遗传算法（GA）对MSC预处理后的高光谱波段进行筛选提取,基于选出的特征波段建立PLSR模型,并与全波段（Full）PLSR模型进行对比分析,得到与甜玉米种子电导率相关性最高的高光谱波段组合,最终确立一种能够预测甜玉米种子电导率的方法体系。实验结果显示：不同预处理方法（SNV,FD,SD和MSC）建立的PLSR模型性能有所差异,其中MSC-PLSR模型的表现最优秀,其校正决定系数和预测决定系数分别为0.983和0.974,相应的校正均方根误差和预测均方根误差分别为0.165和0.226。进一步分析MSC-Full-PLSR,MSC-SPA-PLSR和MSC-GA-PLSR模型,发现GA能够将全光谱的853个波段压缩至25个有效波段,所建立的MSC-GA-PLSR模型仍表现优秀,其校正决定系数和预测决定系数分别为0.976和0.973,相应的校正均方根误差和预测均方根误差分别为0.194和0.212。实验结果表明：基于可见-近红外（VIS-NIR）高光谱成像系统结合化学计量学算法实现对甜玉米种子电导率的预测存在一定的可行性。该研究为甜玉米种子电导率的快速、无损且精确的检测提供一定的理论支持。     

近红外光谱的玉米种子穗腐病特征提取与判别模型研究

玉米种子穗腐病是危害玉米产量的主要病害之一。利用近红外光谱开展了玉米种子穗腐病判别模型研究。246粒玉米种子由吉林省农业科学院海南育种基地提供,其中96粒玉米种子为穗腐病染病样本,其他150粒玉米种子为同种玉米正常样本。利用MATRIX-Ⅰ型傅里叶近红外光谱仪采集了样本800～2 500 nm范围的近红外光谱信息,并对样本近红外光谱数据利用多元散射校正（MSC）进行预处理。结合玉米内部有机物质的近红外光谱的敏感波段和样本近红外光谱吸收峰挑选了4个优选区间,并采用相关系数法(CA)、连续投影算法（SPA）和竞争性自适应重加权算法（CARS）三种不同原理的特征波长提取算法分别提取了4（1 362,1 760,2 143和2 311 nm）、5（1 227,1 310,1 382,1 450和1 728 nm）和10（1 232,1 233,1 257,1 279,1 313,1 688,1 703,1 705,2 302和2 323 nm）个特征波长。以提取得到的特征波长作为玉米种子穗腐病判别模型输入变量,用0-1（染病-正常）表示样本染病状况作为输出真实值建立支持向量机（SVM）模型,使用网格搜索法结合十折交叉验证法对模型参数进行优化。结果表明,CA-SVM,SPA-SVM和CARS-SVM三种判别模型中训练集和测试集建模准确率均在90%以上。该研究成果为玉米种子病害诊断装置提供了模型基础,且针对优选区间进行特征波长选择的方式也可以为建立其他种子病害判别模型提供参考。     

基于近红外光谱技术和人工神经网络的玉米品种鉴别方法研究

提出了一种采用近红外光谱技术结合人工神经网络对玉米品种进行鉴别的方法。在3 800～10 000 cm-1(波长1 000～2 632 nm)范围内采集四种玉米单粒完整籽粒的近红外漫反射光谱,经Savitky-Golay平滑和多重散 射校正预处理后,对数据进行主成分分析,再结合人工神经网络技术进行品种鉴别。主成分分析表明,前8个主成分的累积贡献率达到99.602%。以前8个主成分作为网络输入,品种类型作为输出,建立三层LMBP神经网络模型。每个品种 各取30粒共120个样本用于建模,10粒共40个样本用于预测。模型对建模集120个样本鉴别率为100%,对预测集40个样本的鉴别率为95%。实验结果说明该方法能快速无损地鉴别玉米品种,为玉米的品种鉴别提供了一种新方法。     

高光谱与机器学习相结合的大白菜种子品种鉴别研究

提出了基于高光谱信息的大白菜种子品种分类识别方法。利用近红外高光谱图像采集系统采集了八种共239个大白菜种子样本;提取15 pixel×15 pixel感兴趣区域平均光谱反射率信息作为样本信息;采用多元散射校正预处理方法对光谱进行消噪;验证了Ada-Boost 算法、极限学习机(extreme learning machine, ELM)、随机森林(random forest, RF)和支持向量机(support vector machine, SVM)四种分类算法的分类判别效果。为了简化输入变量,通过载荷系数分析选取了10个大白菜种子品种分类判别的特征波长。实验结果表明,四种分类算法基于全波段的分类识别对81个预测样本的正确区分率均超过90%,最优的分类判别模型为ELM和RF,识别正确率达到了100%;以10个特征波长的分类判别精度略有下降,但输入变量大幅减少,提高了信息处理效率,其中最优分类判别模型为EW-ELM模型,判别正确率为100%,因此以载荷系数选取的特征波长是有效的。利用高光谱结合机器学习对大白菜种子品种进行快速、无损分类识别是可行的,为大白菜种子批量化在线检测提供了一种新的方法。     

High speed measurement of corn seed viability using hyperspectral imaging

Corn is one of the most cultivated crops all over world as food for humans as well as animals. Optimized agronomic practices and improved technological interventions during planting, harvesting and post-harvest handling are critical to improving the quantity and quality of corn production. Seed germination and vigor are the primary determinants of high yield notwithstanding any other factors that may play during the growth period. Seed viability may be lost during storage due to unfavorable conditions e.g. moisture content and temperatures, or physical damage during mechanical processing e.g. shelling, or over heating during drying. It is therefore vital for seed companies and farmers to test and ascertain seed viability to avoid losses of any kind. This study aimed at investigating the possibility of using hyperspectral imaging (HSI) technique to discriminate viable and nonviable corn seeds. A group of corn samples were heat treated by using microwave process while a group of seeds were kept as control group (untreated). The hyperspectral images of corn seeds of both groups were captured between 400 and 2500 nm wave range. Partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) was built for the classification of aged (heat treated) and normal (untreated) corn seeds. The model showed highest classification accuracy of 97.6% (calibration) and 95.6% (prediction) in the SWIR region of the HSI. Furthermore, the PLS-DA and binary images were capable to provide the visual information of treated and untreated corn seeds. The overall results suggest that HSI technique is accurate for classification of viable and non-viable seeds with non-destructive manner.     

耦合平均影响值-连续投影算法优化种子活力近红外检测模型

目前,近红外光谱(NIRS)可以实现种子活力的快速、无损检测,但区分的活力等级一般少于3级且精度不高。建立种子活力多等级、高精度的NIRS检测模型,解决活力等级增加与预测模型精度之间的矛盾是现阶段近红外种子活力检测的主要任务。以玉米种子为研究对象,采用人工老化的方法获得5种活力等级的种子样本并采集对应的光谱数据建立反向神经网络(BP)预测模型。为了提高模型的精度和稳健性,提出一种耦合平均影响值-连续投影特征波长提取算法(MIVopt-SPAsa)。该算法针对连续投影算法(SPA)耗时过长的问题,采用平均影响值算法(MIV)对其预降维。MIV方法实现了对波长影响值的排序,但缺乏选取波长影响阈值的指标,因此引入相对距离比对MIV算法进行优化(MIV_opt),实现特征波长范围的有效分割。针对SPA提取特征变量数目确定的问题,设定了特征波长数目范围并在此范围内优中选优,实现了自适应的SPA(SPA_sa)特征提取。使用耦合MIV_opt-SPA_sa算法对具有1 845个波长的玉米种子近红外全谱数据进行特征提取,...     

高光谱最优波长选择及Fisher判别分析法判别玉米颗粒表面黄曲霉毒素

黄曲霉毒素是广泛存在于玉米中且具有剧毒的一种代谢产物,以美国农业部农业研究署(USDA-ARS) Toxicology and Mycotoxin Research Unit提供的2010年先锋玉米为研究对象,验证了高光谱成像技术对玉米中黄曲霉毒素检测的可行性。以甲醇为溶剂制备四种不同浓度的黄曲霉毒素溶液,并将其逐一滴在等量的4组共120粒玉米颗粒表面,以未处理的30粒洁净玉米作为一组对照样本,将大小、形状相似的150个样品随机分为训练集103个,验证集47个;对获取的400～1 000 nm波段范围内的高光谱图像,先进行标准正态变量变换(standard normal variate transformation, SNV)预处理,然后引入基于Fisher判别最小误判率的方法选择最优波长,并以所选波长作为Fisher判别分析法的输入建立判别模型,对玉米颗粒表面不同浓度的黄曲霉毒素进行识别,最后对模型判别正确率进行了验证。结果表明,选取四个最优波长(812.42, 873.00, 900.36和965.00 nm)时Fisher判别分析模型对训练集与验证集的准确率分别为87.4%和80.9%。该方法为含黄曲霉毒素玉米颗粒便携式检测仪器的开发,以及对田间霉变玉米自然代谢产生毒素的检测奠定了技术基础。     

光谱特征波长的SPA选取和基于SVM的玉米颗粒霉变程度定性判别

利用波长范围在833～2 500 nm的傅里叶变换近红外光谱(Fourier transform near infrared spectroscopy, FT-NIR)对不同霉变程度的玉米颗粒进行检测区分。首先,为避免光谱数据首尾噪声影响,对比四种常见的预处理方法,最终选择移动平均平滑法对原始光谱数据进行预处理;然后为选出合适的样本集划分方法以提高模型预测性能,对常见的四种方法进行对比,最终利用SPXY(sample set partitioning based on joint x-y distance)法进行样本集划分;进一步为减少数据量,降低维度,使用连续投影算法(successive projections algorithm, SPA)提取出7个特征波长,分别为833,927,1 208,1 337,1 454,1 861和2 280 nm;最后,将七个特征波长数据作为输入,选取径向基函数(radial basis function, RBF)作为支持向量机(support vector machine, SVM)核函数,取参数C=7 760 469,γ=0.017 003建立判别模型。SVM模型对训练集和测试集的预测准确率分别达到97.78%和93.33%。另取不同品种的玉米颗粒,以同样的标准挑选样品组成独立验证集,所建立的判别模型对独立验证集的预测准确率达到91.11%。结果表明基于SPA和SVM能有效地对玉米颗粒霉变程度进行判别,所选取的7个特征波长为实现在线霉变玉米颗粒近红外检测提供了理论依据。