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基于高光譜成像技術的寧夏枸杞鑒別應用與研究

發布時間:2021-12-31      點擊次數:384

枸杞是我國常用的珍貴中藥材,含有豐富的營養成分,不但在中藥領域大量使用,還被廣泛用于功能性食品的研究與開發。近些年,隨著枸杞市場需求的不斷增加,其經濟價值不停地增長,因此,采用有效手段對枸杞品質進行準確鑒別具有重要意義。目前對枸杞品質、產地的鑒別主要依賴感官鑒別、顯微鑒別、化學成分分析鑒別等幾種常見方法,但都具有一定的局限性。

高光譜成像技術將圖像與光譜技術相結合,可同時快速、準確地獲取被測物的圖像信息和光譜信息,憑借無損、檢測速度快、分辨率高的優點,可實現被測物內外部品質的可視化分析及物品品質和質量的快速、高效檢測,使得其在農業、食品、醫療等領域有著極為廣泛的應用。

本案例主要采用對寧夏、甘肅產地的枸杞進行光譜采集與分析,通過高光譜大數據云平臺進行模型訓練與匹配,實現寧夏枸杞的鑒別。


1.高光譜數據采集分析設備

SCI系列產品由深圳市中達瑞和自主研發,是以搭載SHIS系列高光譜成像儀為核心、高度集成化的臺式高光譜成像系統,利用其廣泛的光譜范圍和靈活的軟硬件優勢,采用非破壞、非接觸式的鑒定手段,實現對不同物質進行高清晰度的高光譜數據采集和分析處理,發現傳統技術手段較難觀察到的細節特征。系統集成多軸光源、專用平臺、高光譜成像、光譜/圖像分析為一體,可針對不同的研究對象和目標,建立多尺度實施光譜成像數據的獲取-處理-分析的一體化業務流程。

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SCI系列高光譜成像系統

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2.實驗樣本

實驗所用枸杞樣本分別為寧夏枸杞、甘肅枸杞,采用可見光波段來進行測試(400nm~1000nm),每個品種采集了50個樣本,混合在一起采集50個樣本。如下圖所示,3顆一堆的為寧夏枸杞,4顆一堆的為甘肅枸杞。

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不同產地枸杞高光譜偽彩圖

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不同產地枸杞光譜曲線圖

上圖光譜曲線,寧夏枸杞為紅色,甘肅枸杞為綠色,背景為藍色??梢钥闯?,寧夏枸杞波段反射率大于甘肅枸杞的反射率,兩種枸杞的光譜曲線存在明顯差異。通過對兩種枸杞的光譜曲線進行歸一化處理后,光譜差異更加明顯,如下圖:

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歸一化光譜曲線圖

3.模型訓練與匹配

通過中達瑞和高光譜大數據分析云平臺,把采集的2種枸杞數據放入數據集中,對多個樣本進行標注,數據分析和模型訓練,然后就2種放在一起采樣的數據進行模型匹配與判斷,得到結果與實際枸杞的產地相符,效果如下圖:

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枸杞分類高光譜偽彩圖

(紅色為寧夏枸杞,綠色為甘肅枸杞,藍色為背景)


因此,通過如上實驗測試結果表明,基于高光譜成像技術并結合機器學習模型訓練方法能夠快速、無損、準確地鑒別寧夏枸杞,對確保枸杞品質準確分級具有重要的指導意義,同時也可為枸杞工業化批量檢測提供一種高效、科學的檢測手段和鑒別依據。





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