基于光谱标准化的小麦粉品质NIR模型跨仪器共享的研究

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随着社会和科技的进步,近红外光谱技术凭借着高效无损等优点广泛应用于各领域,但在实际应用过程中,由于相同样品在不同仪器上的光谱数据差异较大,常常因为跨仪器的原因导致模型失效,不能在不同仪器间共享。因此为了提高模型使用率,光谱标准化和跨仪器模型共享方法的研究至关重要。论文以小麦粉的品质指标为分析对象,研究近红外光谱标准化和跨仪器模型共享的解决策略,旨在降低同样样品在不同仪器上体现的光谱差异性,提高数学模型的共用性和准确性,实现近红外模型的跨仪器共享。主要研究内容及结论如下:1.为了实现NIRS无损检测小麦粉主要品质指标的目的,为建立稳定性好、预测精度高的水分、湿面筋、粗蛋白等3个主要品质指标的近红外校正模型,在全国范围内收集了170份不同品种的小麦粉样品,比较并优选了多种光谱预处理和建立校正模型的方法,在3个选定的波长区间上,分析比较了近红外校正模型的预测效果。结果显示,经归一化、多元散射校正、标准正态变量变换预处理后的偏最小二乘回归的校正模型效果较好;经比较,1 550~1 950 nm范围内建立的水分模型效果最好,1 750~2 150 nm范围的湿面筋和粗蛋白模型精度最高。研究证明,NIRS可以有效应用于小麦粉品质指标的快速检测。2.为实现小麦粉品质NIR模型的跨仪器共享,使用S450光谱仪为主机,在3个波长区间分别以5台N500光谱仪为从机,以光谱拟合度为评价指标,研究3种光谱标准化方法的校正模型共享效果。选取合适的样本数作为标样集,采用直接标准化、分段直接标准化、一元线性回归直接标准化等3种光谱标准化算法,通过欧氏距离、光谱标准化误差率(SSER)、主成分得分误差率(PCSER)等光谱拟合度指标评价光谱标准化效果,比较光谱差异性及光谱标准化的效果,以相关系数、标准偏差和相对预测偏差等参数评价模型跨仪器共享的预测效果。结果显示,提出的SSER和PCSER两个光谱拟合度指标能够有效定量描述光谱之间的差异性和表征主成分得分矩阵间的相似度,可以不需要进行校正模型的跨仪器预测误差分析就能评价光谱标准化方法的优劣,提高了校正模型跨仪器共享运算的效率。试验得出小麦粉光谱标准化时,标样集数目为30~50时效果较好的结论。经3种算法校正后,不同仪器的光谱数据差异性均显著降低,模型预测效果大幅度提升,基本实现了模型共享。3.为探究光谱标准化方法普适性,仍然使用S450光谱仪为主机,声光可调滤光器型(AOTF)光谱仪为从机,以光谱拟合度为评价指标,研究3种光谱标准化方法对校正模型跨仪器共享的效果。结果显示,经3种光谱标准化算法校正后,AOTF光谱仪与主机的光谱数据差异性大幅度降低,模型的跨仪器预测效果显著提升,实现了小麦粉各指标模型在AOTF光谱仪上的模型跨仪器共享,验证了光谱标准化方法和拟合度评价的普适性。4.为探究光谱标准化方法对其他物料的普适性,以光谱拟合度为评价光谱标准化效果的指标,收集了103份玉米样品,以玉米粉的水分含量为检测对象,以2台N500光谱仪分别为主机和从机,研究了3种光谱标准化方法对玉米粉水分校正模型的跨仪器共享效果。结果显示,当主因子数为4时,经MSC预处理的玉米粉水分PLSR模型预测精度最高。试验得出玉米粉光谱标准化时,标样集数目为30~35时效果较好的结论;经3种算法标准化后,2台仪器的光谱数据相似度升高,模型的跨仪器预测效果显著提升,基本实现了玉米粉水分模型的跨仪器共享,验证了光谱标准化方法和拟合度评价对其他物料的普适性。
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