基于可见/近红外光谱技术的砀山梨可溶性固形物和酸度检测研究

来源 :安徽大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liuxin87675241
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
我国是世界产梨大国,梨果种植面积和产量长期稳居世界首位,而其产业附加值和出口率远低于欧美发达国家,这反映出我国在梨果品质检测领域缺少竞争力。可溶性固形物(Soluble Solids Content,SSC)和酸度(p H)是评价梨果内部品质的重要指标。传统的SSC含量和p H值测量方法虽准确率高,但具有破坏性、低效的缺点。因此,研究一种高效、快速无损的梨果品质检测方法,有助于推动我国梨果产业的进步和发展。高光谱成像(HSI)和可见/近红外(Vis/NIR)光谱技术已经被广泛应用到水果内部和外部的品质检测。但多数研究是对光谱技术在水果品质检测领域的可行性分析,对检测模型的性能表现缺少深入讨论。而检测模型的性能受多种因素的影响,如何建立更加有效可靠的检测模型值得进一步研究。不同光谱传感器和光谱范围对梨果品质的检测具有较大影响。而对梨果采摘的不同时间与地点的研究是保证检测模型高鲁棒性的重要手段。基于上述问题,本文以砀山梨为研究对象,基于Vis/NIR光谱技术,结合光谱分析、化学计量学分析等开展了梨果可溶性固形物和酸度的高效、稳定、无损检测研究。本文主要研究内容及取得的进展如下:(1)为研究不同光谱传感器和光谱范围对梨果品质检测的影响,本研究使用波长范围为400~1000 nm的成像高光谱仪和波长范围为350~2500 nm的非成像光谱仪,分别采集砀山梨样本的光谱数据。接着,对原始光谱进行预处理,结合竞争性自适应重加权采样(Competitive Adaptive Reweighted Sampling,CARS)、连续投影算法(Successive Projections Algorithm,SPA)和随机森林(Random Forest,RF)算法对特征波长进行筛选,并使用偏最小二乘算法(Partial Least Squares,PLS)和随机森林回归算法(Random Forests Regression,RF)建立了基于全波段(400~2450 nm)和特征波长的梨果SSC和p H检测模型,经实验结果得出最优模型CARS-PLS。然后,基于CARS-PLS检测模型,根据常研究的划分范围(400~1000 nm,Vis-NIR;1000~2450 nm,NIR)和光谱仪内置的不同型号传感器的波长范围(400~1000 nm,970~1900 nm,1900~2450nm)分别讨论。结果表明,基于1000~2450 nm建立的SSC和p H检测模型结果分别为Rp~2=0.9405,RMSEP=0.1788和Rp~2=0.9435,RMSEP=0.0243,其性能优于基于400~1000 nm区间建立的检测模型。在根据不同传感器的光谱区间建立的检测模型分析中,基于970~1900 nm区间建立的SSC和p H检测模型结果分别达到了Rp~2=0.9412,RMSEP=0.1786和Rp~2=0.9271,RMSEP=0.0271,结果优于基于其他波段区间建立的检测模型。此外,针对两种仪器相同光谱区间的检测模型进行对比分析,非成像光谱仪数据处理过程更加高效且结果较优,这一研究发现为研发实时在线检测设备提供了重要的理论基础。(2)为研究梨果品质检测模型的鲁棒性,选用两年多个典型产区的砀山梨为研究对象,利用非成像便携式光谱仪采集梨果光谱信息,结合CARS、SPA和UVE特征波长算法,探讨了产区差异对梨果可溶性固形物和酸度近红外光谱检测模型的影响。以2020年三个不同产区的砀山梨为研究对象,基于选择的特征波长建立了单一产区和混合产区的梨果SSC和p H值的光谱检测模型。结果表明,单一产区下的检测模型预测其它不同产区梨果的SSC和p H值时会产生明显误差,与单一产区或两两混合的产区模型相比,混合三个产区校正集样本所建立的模型性能最优。最后,为了进一步验证上述模型的稳定性和有效性,用2019年三个不同产区的梨果样本作为预测集进行验证。结果表明,三个不同产区SSC和p H值的预测Rp~2分别在0.9以上和0.85以上,表明了混合产区模型有较强的稳定性。上述结果有助于减小梨果产区差异对SSC和p H检测模型的影响,为快速检测设备的开发提供了重要的理论基础。综上所述,Vis/NIR光谱技术可有效实现梨果SSC和p H的无损检测,本文基于特征波长建立的混合产区模型,可减小产区差异对梨果SSC和p H检测模型的影响,提高模型预测精度,这些研究有利于推动梨果品质在线检测的快速实现,具有广阔的市场应用前景。
其他文献
小麦生产过程中,病虫害和环境因素会影响小麦的产量和品质。病害小麦籽粒的识别和分级对改善小麦品质和促进小麦产业链的发展具有重要意义。传统的检测技术依赖于经验丰富的专业检测人员和分析化学技术,费时费力且效率低下。这些方法也无法满足同时大批量筛选小麦籽粒。因此,迫切需要开发一种快速、无损和高通量的方法。高光谱成像(Hyperspectral Imaging,HSI)集成了传统光谱与成像技术,可以同时获取
学位
众所周知,描述光波场特性最重要的物理量有振幅、波长和相位等,但是最近科学研究却证实了绝大多数的光信息都被编码在相位分量中。由于,可见光的振荡频率约为1015Hz,无法直接记录光场的相位信息。目前的光学探测器通常依赖把光子转换成电子(电流),只能记录光场的强度信息。因此,从记录的强度信息中恢复丢失的光场相位信息,即相位恢复(Phase Retrieval,PR),在过去的数十年中已广泛应用于天文、光
学位
高光谱土地覆盖类型分类问题作为遥感领域中的关键课题,实现高光谱影像(HSI)高精度分类成为科研人员不断追求的目标。HSI包含丰富的地物特征信息,为实现地物类别精确解析提供了坚实的数据基础。然而,HSI数据存在的有限标签样本量、数据冗余和非线性等问题,传统的机器学习算法处理这类问题效果不佳。基于深度学习相关算法的引进,为实现HSI高精度分类开辟了一条新的道路。深度学习算法具备应付复杂问题的优势,能够
学位
足迹光学图像蕴含着人体独特的赤足轮廓特征。传统足迹识别方法大多依赖于人工手动提取特征,存在特征有效性与提取效率低等缺点。通过深度度量学习方法对足迹光学图像检索算法深入研究,提高足迹特征提取和识别效率并以此建立足迹光学图像检索系统,为足迹特征提取与个体身份识别提供新的方法。主要研究内容包括以下四部分:(1)构建600人足迹光学图像数据集。制定足迹光学图像采集规范并采集数据。通过对采集图像分别使用两种
学位
在骨科手术影像导航过程中,关键的一环为医学图像配准技术的应用。根据配准中计算两幅图像的相似性方式不同,分为基于图像特征和基于灰度的两种方式。基于图像特征的方式需要先进行数据的特征提取,这对复杂的图像配准来说是很不利的,因为在临床手术中,这会花费大量的精力在数据的预处理上。相反,基于图像灰度的配准技术不需要进行复杂的数据预处理,比如交互进行图像分割操作,其直接作用于图像,利用图像灰度信息进行相似计算
学位
随着生物特征识别技术的发展,人们需要更独特、更方便和更友好的识别技术,压力足迹特征因其稳定性和独特性使其成为一种较新的生物特征。压力足迹分布可以反映着个体的身高等生理特征,在公共安全领域、刑侦领域有着广泛应用。传统足迹特征提取方法主要依赖足迹专家的经验知识,但因相关专家的水平和操作方法不同,对提取的足迹特征存在主观性。目前,国内外足迹专家引入深度学习研究足迹分类问题,但同一对象的压力足迹数据样本较
学位
随着生物医学影像成像技术的不断改进和完善,图像分辨率和成像的质量都得到了显著提高,生物医学图像的处理与分析逐渐成为研究热点之一。而图像配准是生物医学图像的处理与分析中不可或缺的重要前提。同时,生物医学图像的处理和分析中大多数时候对配准质量要求很高。当全自动配准算法不能达到很好的配准效果时,大多数已有的方式是通过手工标注成对的标志点来实现交互式配准。这种交互方法要求操作人员具备丰富的专业知识,且会花
学位
伴随着全球气候环境的不断恶化,小麦条锈病出现大面积扩散,已经严重威胁到我国的粮食安全。遥感对地观测技术作为近年来农业生产与管理的重要技术手段,以效率高、周期短、高精度、无损害等特点为条锈病害的实时监测提供了及时的防控方案。本文落实于小麦条锈病为研究的核心对象,以病害发生机制和遥感信息技术为基础理论,从野外数据采集实验过程中获取不同平台的小麦条锈病高光谱遥感数据,通过对不同数据类型(非成像与成像高光
学位
硅基材料理论容量高、电位低、自然资源丰富,是最理想的锂离子电池负极材料。但是硅基负极在锂化和脱锂过程中巨大的体积变化,导致了硅基负极的循环稳定性与导电性差,阻碍了其实际应用。硅碳复合材料可将碳材料的高导电性和机械性能与硅基材料的高容量和低电位的优势相结合。综述了硅碳负极材料的主要制备方法,总结了硅碳复合材料的结构设计,并对未来碳硅材料的研究工作进行了展望。
期刊
植物性状的高通量数据获取和解析对于作物育种具有重要意义,莴苣的品质主要跟其单株的生长速度和叶绿素的含量有关,常规的品种进行人工鉴定和表型鉴定既费时又费力。本文基于机器视觉的图像处理方法评价莴苣的产量和品质,可以对多种莴苣的发育状况进行无损、高通量的表型分析。在本文中,使用温室高通量轨道式表型分析平台,定期的获取莴苣多光谱顶视图影像,并在发芽期、幼苗期、莲座期各选取一天获取300个莴苣品种植株数据构
学位