透射和反射高光谱成像的马铃薯损伤检测比较研究

针对马铃薯损伤部位随机放置会影响检测精度的问题,提出从正对相机、背对相机及侧对相机三个方向,应用透射和反射高光谱成像技术采集马铃薯图像,进行透射和反射高光谱成像的马铃薯损伤检测比较研究。对透射和反射高光谱图像进行独立成分(IC)分析和特征提取,利用所得特征对反射图像进行二次IC分析,对透射和反射光谱进行变量选择,最终分别建立基于反射图像、反射光谱、透射光谱的马铃薯损伤定性识别模型;对识别准确率高的模型做进一步优化,采用子窗口排列分析(SPA)算法对透射光谱的特征做二次选择得到3个光谱变量,并建立任意放置的马铃薯损伤识别最优模型。试验结果表明,基于反射图像、反射光谱建立的模型识别准确率较低,其中基于反射图像的马铃薯碰伤,侧对相机识别准确率最低为43.10%;基于透射光谱信息建立的模型识别准确率较高,损伤部位正对、背对相机的识别准确率均为100%,侧对相机为99.53%;马铃薯损伤识别最优模型对任意放置的损伤识别准确率为97.39%。应用透射高光谱成像技术可以检测任意放置方向下的马铃薯损伤,该研究可为马铃薯综合品质的在线检测提供技术支持。     

基于高光谱成像技术的菜青虫生命状态检测研究

采用近红外高光谱成像技术对菜青虫的存活与死亡状态进行了研究,通过提取菜青虫不同状态的光谱信息,建立判别分析模型。以不同预处理方法对所提取的951.5～1 649.2 nm光谱进行预处理,并建立偏最小二乘判别分析(partial least square-discriminant analysis, PLS-DA)模型对菜青虫的生死状态进行判别分析,判别正确率接近或达到100%。用移动平均(moving average,MA)5点平滑光谱分别采用连续投影算法(successive projections algorithm, SPA)以及加权回归系数(weighted regression coefficient,B_w)分别选取了17和20个特征波长进行生与死状态的判别。基于特征波长建立了PLS-DA, K最邻近节点算法(K-nearest neighbor,KNN),BP神经网络(back propagation neural network,BPNN)以及支持向量机(support vector machine,SVM)模型,判别正确率接近100%。结果表明采用近红外高光谱成像技术对菜青虫生命状态的研究是可行的,为作物虫害的快速诊断提供了新方法。     

基于高光谱成像技术的微小摄像头检测技术

针对高光谱成像特点,提出了一种基于三维特征检测微小摄像头的方案。在空间维利用猫眼效应筛选疑似目标,在光谱维对结果进行精准判定。依据摄像头结构,分析了可见光摄像头的反射光谱特征。基于几何光学和辐射度学,计算和仿真了系统的探测距离。结果表明,正常工作时,光功率影响最小探测距离,目标尺寸影响最大探测距离。搭建了微小摄像头光谱特征验证系统。结果表明,采用吸收型红外截止滤光片的目标的非反射光占比曲线变化平缓且数值高,采用反射型红外截止滤光片的目标的非反射光占比曲线可见光部分数值高,红外部分数值低,从700 nm附近开始下降,甚至发生突变,实验数据显示,突变位置的斜率绝对值是红外波段斜率绝对值的10倍以上。实验结果与预期分析的结果一致,验证了高光谱成像技术检测微小摄像头的可行性。     

基于漫反射高光谱成像技术的哈密瓜糖度无损检测研究

利用高光谱成像系统获得网纹类哈密瓜糖度漫反射光谱信息,选择有效波段500～820 nm进行哈密瓜糖度检测建模回归分析。对比了多元散射信号修正和标准正则变换校正方法,原始光谱、一阶微分、二阶微分光谱预处理方法对建模精度的影响;采用偏最小二乘法、逐步多元线性回归和主成分回归方法对比分析了带皮哈密瓜和去皮哈密瓜糖度检测模型效果。结果表明,对原始光谱经过MSC和一阶微分光谱处理后,采用PLS和SMLR方法均可取得很好的建模效果,应用PLS法检测带皮哈密瓜糖度是可行的,其校正集相关系数(R_c)为0.861,RMSEC为0.627,预测集相关系数(R_p)为0.706,RMSEP为0.873;应用SMLR法检测去皮哈密瓜糖度效果最佳,校正集相关系数(R_c)为0.928,RMSEC为0.458,预测集相关系数(R_p)为0.818,RMSEP为0.727。研究表明,应用高光谱成像技术检测哈密瓜糖度具有可行性。     

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。     

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。     

基于高光谱成像技术的土壤水分机理研究及模型建立

为了研究宁夏地区土壤的水分迁移机理以及对土壤水分快速无损检测,利用高光谱成像(光谱范围900~1 700 nm)技术对土壤的含水率进行了研究。通过高光谱成像系统采集了208个土样,比较了不同天数下土壤含水率与光谱的变化、不同质量含水量光谱的差异。对采集到的土样进行PLSR模型建立,对比分析不同光谱预处理方法、不同方法提取特征波长(UVE、CARS、β系数、SPA)、不同建模方法(MLR、PCR、PLSR)建立的模型,优选出最佳模型。结果表明:在一定的土壤含水量范围内,光谱曲线的反射率与土壤含水率成反比;当增大到超过田间持水率时,光谱曲线的反射率与土壤含水率成正比。对比分析了不同预处理方法,优选出单位向量归一化预处理方法。对比不同的模型,优选出SPA提取的特征波长的MLR模型。最优的特征波长为987,1 386,1 466,1 568,1 636,1 645 nm,最优模型的预测相关系数Rp=0.984,预测均方根误差RMSEP为0.631。因此,今后可采用不同波段对土壤含水率进行定量分析。     

基于高光谱技术的土壤水分无损检测

利用高光谱成像仪(光谱范围400～1 000 nm)对土壤含水率进行了无损检测。比较了208个土样不同天数下土壤含水率与光谱变化、不同质量含水量光谱的差异;对比分析了不同光谱预处理方法、不同方法提取特征波长、采用多元线性回归(multiple linear regression,MLR)、主成分回归(principal component regression,PCR)与偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)建模,优选出最佳模型。结果表明：光谱曲线的反射率随着土壤含水率的增加而减小。当超过田间持水率时,光谱曲线的反射率会随着土壤含水率的增加而增大。对比分析了不同预处理方法,近红外波段优选出单位向量归一化预处理方法。采用无信息变量消除法(UVE)、竞争自适应加权采样(CARS)、β系数法、连续投影算法(SPA)方法提取特征波长为49,30,5和7。为了减少数据冗余,对UVE与CARS提取的特征波长进一步采用SPA方法进行特征提取,UVE+SPA,CARS+SPA提取特征波长数分别为5和8个。在此基础上,利用MLR,PCR和PLSR方法对400～1 000 nm范围的特征波长建立模型,对比分析不同建模效果,优选出β系数提取的特征波长的MLR模型。最优的特征波长为411,440,622,713和790 nm,最优模型的预测相关系数R_p=0.979,预测均方根误差RMSEP为0.763。因此,今后可采用不同波段对土壤含水率进行定量分析。     

基于数字滤波的主动式高光谱成像系统及其波长标定

基于数字滤波技术,提出了获取物体反射光谱数据立方体和光谱响应曲线的主动式新型高光谱成像系统。对传统WDF型瓦兹渥斯反射式单色仪进行了改装,在入射光一定的情况下,增大出射光通量,提高了照射在物体表面的光强。利用数字滤波方式代替光学窄带滤波器,解决了多个光学滤光片不能连续可调和其他滤波器成本高的问题,建立了波长连续可调,带宽可调的高光谱成像系统。针对系统的特点和采集方式,提出了适当的定标方式,其波长误差2nm。得到了绿色树叶效果良好的光谱数据立方体和响应曲线,表明提出的系统适用于实验室中小视场内的光谱成像测量研究。     

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...     

高光谱成像的水稻螟虫蛀入检测方法

为了控制水稻螟虫预警和喷洒农药用量,实现对水稻螟虫虫害的无损检测,提出了基于主成分分析特征波段检测方法和基于迭代阈值的最优波段检测方法,确定了水稻茎秆螟虫检测的特征波段和最优波段,提取出单波段和组合波段的图像来分割虫孔,从而实现水稻螟虫的精准的无损检测。首先通过高光谱得到的120个样品反射率信息分析确定了光谱区域为450～1 000 nm。基于主成分分析特征波段检测方法,对高光谱图像进行主成分分析,通过前五个主成分图像比较确定第三主成分图像为最佳,然后根据第三主成分图像中各个波段的贡献率来选取特征波长（668.8和750 nm）,最后结合全局阈值分割和图像掩膜等图像处理方法实现对虫孔区域的判别。而利用基于迭代阈值的最优波段检测方法,在可见光波段450～750 nm范围和近红外波段750～1 000 nm范围内应用混合距离挑选最佳的单波段,通过单波段来确定组合波段,对单波段和组合波段进行迭代阈值分割,其中753.5 nm波长分割效果最好,故确定753.5 nm为最优波长,然后提取该波长的图像采用一种基于迭代阈值虫孔提取方法和形态学处理,最后能对水稻茎秆虫孔区域进行判别来实现水稻茎秆虫害是否存在。对60个虫害水稻茎秆和60个正常水稻茎秆进行检测,应用基于主成分分析特征波段检测方法在668.8和750 nm波长处检测率分别为95.8%和93.3%,而应用基于迭代阈值的最优波长检测方法在753.5 nm波长处检测率高达96.7%。说明利用基于迭代阈值的最优波长检测方法对水稻螟虫的检测更加精确,也说明所获取的特征波段和最优波段为以后水稻螟虫虫害的多光谱成像技术提供了理论参考。     

基于高光谱图像的即食海参新鲜度无损检测

新鲜度是即食海参加工品质调控和贮藏品质监控的关键指标。针对感官评定和现有理化检测无法满足即食海参产品大批量、标准化、工业化生产问题,提出了一种基于高光谱图像的即食海参新鲜度快速无损检测方法,通过图像主成分分析和波段比运算相结合,优选特征波长和图像;依据海参腐败机理,建立图像纹理特征与即食海参新鲜度等级间的关联模型,实现即食海参新鲜度无损、快速评价。首先针对高光谱图像巨大的数据量展开降维研究。根据即食海参体壁光谱吸收特性,以具有明显化学吸收特征的波长(474和985 nm)为分界点,获得包括全检测波段(400～1 000 nm)在内的六个待处理波段,通过分段图像主成分分析实现待测波段的优选,利用权重系数和波段比图像运算,最终将686和985 nm波段比图像确定为特征图像。面向特征图像的感兴趣区域(ROI),构建灰度共生矩阵(gray-level co-occurrence matrix, GLCM)、灰度梯度共生矩阵(gray-gradient co-occurrence matrix, GGCM)、改进的局部二元模式纹理描述子(local binary pattern,LBP),分别提取纹理参数作为输入,以挥发性盐基氮(total volatile basic nitrogen, TVB-N)检测为标准,建立经粒子群优化的BP 神经网络(back propagation,BP)即食海参新鲜度判别模型,新鲜度等级判别准确率分别为90%,95%和80%。结果表明,即食海参高光谱图像灰度梯度共生矩阵的纹理特征用于新鲜度判别效果较好。为即食海参新鲜度快速无损检测方法研究和仪器开发提供了理论基础和数据支持。     

地面长波红外高光谱成像气体探测研究

报道了地面长波红外遥测的新进展 ,具体阐述了窗扫时空调制傅里叶光谱成像技术的实现过程.演示装置基于角锥反射镜M ichelson干涉具 ,构成了空间调制干涉 ;采用了制冷型长波红外焦平面探测器组件 ,通过对数据立方体的采集、重组、基线校正、切趾、相位校正和傅里叶变换等处理 ,实现了长波红外波段高光谱成像.自研的CHIPED-1长波红外高光谱成像原理实验装置的探测灵敏度指标噪声等效辐射通量密度NESR在单次采样时达到了5.6 × 10-8 W · (cm-1 · sr · cm2 )-1 ,与商品化时间调制干涉高光谱成像仪相当 ;反映了技术的先进性 ,并留有较大的改进空间.通过测试聚丙烯薄膜的透过率曲线 ,CHIPED-1红外高光谱成像原理实验装置的光谱响应范围达到了11. 5 μm.文章还以室外高楼和乙醚气体的探测实验为例 ,研究了二维分布化学气体VOC的高光谱成像探测方法.在复杂背景和低试验浓度情况下 ,从同一波数的红外光谱切片上 ,观察不出乙醚蒸气的存在 ,但是进行了差谱处理后 ,可以清楚看到乙醚蒸气的空间分布.高光谱方法应用在有机蒸气VOC的红外探测领域 ,相对于宽波段热成像方法 ,具有灵敏度高、抗干扰能力强和识别种类多等诸多优势.     

稀土反射波谱特征及高光谱提取研究进展

稀土是一种重要的战略资源,由于稀土资源的稀缺,近年来对其反射波谱特征与高光谱信息提取的研究较为薄弱。笔者首先从稀土电子层构型和能级跃迁的层面阐述了其光谱机理。稀土由于其特殊的电子构型,它们的4f电子的f-f组态之内容易跃迁,在可见光-近红外有其特有的波谱吸收特征。其次结合自己开展的一些工作,系统总结了15种稀土单元素、稀土矿物(含稀土的氟碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐矿物)、稀土溶液的反射波谱特征,可见15种稀土单元素的反射特征差异较大,稀土矿物及溶液的波谱特征是化学组成中优势稀土元素的体现,吸收强弱随着稀土浓度的降低逐渐减弱甚至消失。由于稀土信息提取对高光谱传感器要求较为苛刻,目前的研究主要集中于近距离高光谱传感器探测,航空及航天高光谱遥感探测存在一定困难,根据单元素的波谱吸收特征,近距离高光谱传感器目前可成功提取Nd,Er,Dy,Ho,Sm和Tm等的分布信息;最后文章展望了稀土反射波谱及高光谱稀土找矿研究的难点和重点,旨在为今后研究提供新的思路。     

高光谱成像在水果内部品质无损检测中的研究进展

随着高光谱成像技术的日趋成熟与高光谱成像硬件、软件成本的不断下降,以及高光谱图像数据处理算法的不断改进, 应用高光谱成像技术对水果品质进行无损检测成为当前研究热点之一。为了能跟踪国内外的最新研究成果, 对高光谱成像在水果内部品质(成熟度、坚实度、可溶性固形物、水分)检测研究进行综述,以期对我国相关研究人员的研究工作提供参考。     

基于高光谱成像技术的滩羊肉新鲜度快速检测研究

滩羊肉的新鲜度是其品质安全的一个重要衡量指标,也是肉品品质安全控制的关键环节。挥发性盐基氮（TVB-N）是表征肉品腐败过程主要的化学信息,能有效地评价出滩羊肉的新鲜度。然而,TVB-N的传统检测过程繁琐且人为影响因素大,检测结果缺乏客观性和一致性,不能满足当今肉品检测过程无损、快速、高效的需求。高光谱成像技术符合现代检测技术向多源信息融合方向发展的需求,已在食品安全领域得到广泛应用。利用可见/近红外高光谱成像技术（400~1 000 nm）结合动力学和化学计量学方法以及计算机编程技术,将同时实现滩羊肉贮存期内（15 ℃环境）TVB-N 浓度的快速检测和贮藏期的预测。研究中提取每个样品感兴趣区域的平均光谱数据,选用蒙特卡洛算法剔除异常样本。采用X-Y共生距离（SPXY）法划分为校正集和预测集,分别选用多元散射校正（multiplicative scatter correction, MSC）、卷积平滑（savitzky-golay, SG）、标准变量变换（standard normalized variate, SNV）、归一化（normalization）、基线校准（baseline）五种方法对原始光谱数据进行预处理,优选出最佳预处理方法。采用竞争性自适应重加权法（campetitive adaptive reweighted sampling, CARS）和连续投影算法（successive projections algorithm, SPA）分别提取了21个和6个特征波长。为优化模型并提高其模型精度,采用SPA算法对 CARS 所选特征波长进行二次提取,优选出14个特征波长。基于所提取的特征波长建立TVB-N浓度的PLSR模型,优选出 SNV-CARS-SPA-PLSR 模型具有较高的预测能力（R2_c=0.88,RMSEC=2.51, R2_p=0.65, RMSEP=2.11）。同时,建立了滩羊肉TVB-N变化与贮藏时间的动力学模型,并将优化后的光谱模型和动力学反应模型相结合建立了滩羊肉光谱吸光度值与贮藏时间的高光谱动力学模型,实现对贮藏时间的预测,并通过 PLS-DA判别模型对滩羊肉贮藏时间进行判别分析（校正集判别准确率为100%,预测集为97%）。研究表明,利用可见/近红外高光谱成像技术结合动力学和化学计量学方法以及计算机编程技术,可以有效地实现滩羊肉品质智能监控与质量安全快速无损分析,为开发实时在线检测装备提供理论参考。     

基于高光谱成像技术和MNF检测苹果的轻微损伤

苹果损伤是一种发生在水果采摘和产后处理阶段的不可避免的主要缺陷。为了快速有效地识别苹果的轻微损伤,以具有代表性的双色红富士苹果为研究对象,提出了一种以高光谱成像和最低噪声分离(MNF)变换的苹果轻微损伤识别检测方法。首先,使用高光谱成像系统获取苹果的可见-近红外波段(400~1 000 nm)的图像,对比发现全波段的最低噪声分离变换比主成分分析(PCA)变换可获得更好的识别效果;其次,利用I-RELIEF算法对正常表皮和损伤区域的光谱进行分析得出权值系数图,依据该系数曲线挑选出了5个特征波段(560,660,720,820和960 nm);最后,特征波段和最低噪声分离变换开发了损伤苹果的识别检测算法。利用该算法对80个正常苹果和含有不同时间阶段轻微损伤的苹果进行试验,损伤识别总体正确率为97.1%,试验结果表明,利用该方法和选取的特征波段可以快速有效地识别苹果的早期轻微损伤,为利用多光谱成像技术和最低噪声分离变换在线检测苹果轻微损伤奠定了基础。