高光谱图像对萝卜内部黑心的检测
摘要：高光谱图像技术结合了光谱技术和图像技术，这对于检测果蔬内外品质、病害和缺陷方面的研究有很大的帮助。本文研究了利用高光谱图像技术所获取的光谱信息与萝卜内部黑心缺陷的对应关系。分别将400-1000nm内的全波段以及用连续投影方法(SPA)选出的五个特征波长作为输入值，萝卜是否黑心作为输出值，建立SVM模型、PLSDA模型和ANN模型。经检测，全波段下模型预测集判别准确率分别为96.1%、96.1%和97.8%，特征波段下的预测集判别准确率分别为97.2%、89.4%和97.8%。总体而言，基于SPA所选出的五个特征波长能够代表全波段的光谱信息。其中，SVM和ANN构建的萝卜内部黑心缺陷检测模型的整体效果略优于PLSDA模型。特征波长处的光谱值作为Fisher判别方法的特征集，建立了判别萝卜内部黑心的模型并进行验证，预测集准确率为99.4%。因此表明高光谱图像技术在检测萝卜内部黑心方面有一定效果。
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Key words1
1 材料与方法2
1.1 材料 2
1.2 仪器 2
1.3 预实验获取黑心萝卜2
1.4 光谱信息的采集与校正3
1.4.1 高光谱图像系统3
1.4.2 ENVI软件3
1.4.3 光谱信息的采集3
1.4.4 图像的校正4
1.5 光谱的预处理 4
1.5.1 平滑4
1.5.2 去趋势4
1.5.3 自动标准化4
1.5.4 求导4
1.6 特征波长的提取4
1.7 数学建模方法5
1.7.1偏最小二乘判别分析5
1.7.2 支持向量机5
1.7.3 人工神经网络5
1.7.4 fisher线性判别 6
2 结果与分析6
2.1 全波段下萝卜原始透射光谱信息6
2.2 全波段下不同预处理的模型判别情况6
2.3 基于连续投影算法的特征波长选取7
2.4
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
数学建模后萝卜内部黑心缺陷的判别情况7
2.4.1 全波段下不同模型的判别结果8
2.4.2 特征波段下不同模型的判别结果8
2.4.3 不同波段下不同模型的判别结果对比9
2.4.4 基于Fisher线性判别的结果 10
3 讨论10
致谢11
参考文献 11
高光谱图像对萝卜内部黑心的检测
引言
白萝卜是一种根菜类蔬菜，属十字花科，是一、二年生植物。自古以来在中医上萝卜就有下气消食，解毒生津，除痰润肺，和中止咳，利大小便等作用。近年来医学界发现由于白萝卜含有木质素和一些酶类物质，有一定的抗癌作用[1]。因此，萝卜具有很高的食用价值和药膳价值。然而，由于根部组织缺氧、土壤缺硼、感染黑腐病等原因，使得白萝卜内部发生黑心。尽管去掉黑心部分后，白质的还可以食用，但其产量和质量大幅度下降，造成严重损失[2]。同时黑心萝卜从外观上往往看不出明显症状，传统的检测手段根本无法检测，因此对黑心萝卜进行无损检测一直以来都是个难题，研究如何检测黑心萝卜有重要的意义。
高光谱图像技术是20世纪80年代发展起来的新技术，它集中了光学、电子学、信息处理以及计算机科学技术，把传统的二维成像技术和光谱技术有机地结合在一起而形成的先进技术。具有超多波段、光谱高分辨率和图谱合一的特点。这种内外品质信息兼备的特征，使得高光谱图像技术在农产品无损检测方面具有较大的应用前景[3]。当农作物受到病害后，外部形态及生理效应均发生一定的变化，其图像及光谱特征与健康作物相比均存在不同程度差异，这使得光谱技术、图像处理技术、光谱成像技术在病害快速检测技术成为了可能[4]。
光谱技术对检测作物病害的生化信息具有较好的效果，它能够直接反映分子内部结构及运动状态。在国内，利用光谱技术在作物病害检测方面的研究比国外起步较晚，作物检测方面也多为品质分析[5]。国内尚无利用高光谱技术对白萝卜内部黑心缺陷进行检测的研究，本文的目的是利用高光谱图像技术对萝卜的光谱信息进行分析，再通过建立模型来判别萝卜的内部黑心缺陷，从而研究高光谱图像技术是否能有效区分正常萝卜与黑心萝卜。
1 材料与方法
1．1 材料
从南京众彩农副产品批发有限公司购买的同一批次大小均匀、无病虫害和机械损伤的‘抗病博士春光A型’白萝卜。共520个，一半无需特殊处理，设为正常组，清洗后晾干直接进行试验。另一半处理成黑心萝卜，设为黑心组。萝卜黑腐病俗称黑心、烂心，该病是一种由细菌引起的病害。萝卜黑腐病发病的适宜温度为2035 ℃，主要在高温多雨、连作或早播、地势低洼、灌水过量、排水不良、肥料少或未腐熟、人为伤口和有虫伤多时发病严重[6]。
1．2 仪器
高光谱成像系统（台湾五铃公司）、培养箱（南京贝蒂仪器有限公司，BDSPX）
实验中使用的高光谱成像系统是台湾五铃公司生产的。其硬件主要由光源、摄像机、CCD摄像头、成像光谱仪、机械输送装置和计算机等组成。光源采用150 W卤素钨灯，共分10档，可调节，通过光纤传输到检测室内。摄像头为Imperx公司生产的ICLB1620CCD摄像头，摄像机为扫描式摄像机。本装置采用芬兰SPECIM公司生产的光谱仪，型号为ImSpector?V10E，光谱有效波段范围400～1000?nm，共440个波段，光谱分辨率为2.8?nm，并带有焦距手动调节透镜。传送装置为台湾五铃公司生产的电控平移台，型号为IRCP0076ICOMB001，速度可调。计算机配置为CPU为?E5800，3.2?GHz，内存2?G，显卡256M?GeForce?GT240。
1．3 预实验获取黑心萝卜
由于获取实验材料是已是深冬，大批量黑心萝卜不易获取，因此本实验通过预实验来获取黑心萝卜，模拟病理性黑心萝卜，即利用病菌去感染正常的萝卜，使之发展成为黑心萝卜，以此来模拟在正常条件下导致的萝卜黑心。具体操作如下。
从已经黑心的萝卜中提取出病菌，在培养基中进行分离纯化。分选出不同菌种接种到正常萝卜中，让萝卜在温度为20摄氏度、湿度为75%条件下的培养箱里培养一周，从中选取出使萝卜黑心效果最好的菌种，将其扩大培养后接种到正常萝卜中，在同样的实验条件下培养，得到黑心萝卜。
正常萝卜；B．黑心萝卜
图1 正常萝卜和黑心萝卜实物图
Fig1. The actual picture of normal radish and black heart radish
1．4 光谱信息的采集与校正
1．4 .1 高光谱图像系统
高光谱图像是一系列连续光波波长处的光学图像。光谱范围在紫外(200400 nm )、可见光(400760 nm)、近红外(7602 560 nm )以及波长大于2 560 nm的区域。它比多光谱图像有更高的光谱分辨率, 一般精度可达到2 ～ 3 nm。高光谱图像是由一系列特定波长下的光学图像组成的三维数据块, 特定波长的光可通过滤波片和光谱仪两种方式获得。
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Key words1
1 材料与方法2
1.1 材料 2
1.2 仪器 2
1.3 预实验获取黑心萝卜2
1.4 光谱信息的采集与校正3
1.4.1 高光谱图像系统3
1.4.2 ENVI软件3
1.4.3 光谱信息的采集3
1.4.4 图像的校正4
1.5 光谱的预处理 4
1.5.1 平滑4
1.5.2 去趋势4
1.5.3 自动标准化4
1.5.4 求导4
1.6 特征波长的提取4
1.7 数学建模方法5
1.7.1偏最小二乘判别分析5
1.7.2 支持向量机5
1.7.3 人工神经网络5
1.7.4 fisher线性判别 6
2 结果与分析6
2.1 全波段下萝卜原始透射光谱信息6
2.2 全波段下不同预处理的模型判别情况6
2.3 基于连续投影算法的特征波长选取7
2.4
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
数学建模后萝卜内部黑心缺陷的判别情况7
2.4.1 全波段下不同模型的判别结果8
2.4.2 特征波段下不同模型的判别结果8
2.4.3 不同波段下不同模型的判别结果对比9
2.4.4 基于Fisher线性判别的结果 10
3 讨论10
致谢11
参考文献 11
高光谱图像对萝卜内部黑心的检测
引言
白萝卜是一种根菜类蔬菜，属十字花科，是一、二年生植物。自古以来在中医上萝卜就有下气消食，解毒生津，除痰润肺，和中止咳，利大小便等作用。近年来医学界发现由于白萝卜含有木质素和一些酶类物质，有一定的抗癌作用[1]。因此，萝卜具有很高的食用价值和药膳价值。然而，由于根部组织缺氧、土壤缺硼、感染黑腐病等原因，使得白萝卜内部发生黑心。尽管去掉黑心部分后，白质的还可以食用，但其产量和质量大幅度下降，造成严重损失[2]。同时黑心萝卜从外观上往往看不出明显症状，传统的检测手段根本无法检测，因此对黑心萝卜进行无损检测一直以来都是个难题，研究如何检测黑心萝卜有重要的意义。
高光谱图像技术是20世纪80年代发展起来的新技术，它集中了光学、电子学、信息处理以及计算机科学技术，把传统的二维成像技术和光谱技术有机地结合在一起而形成的先进技术。具有超多波段、光谱高分辨率和图谱合一的特点。这种内外品质信息兼备的特征，使得高光谱图像技术在农产品无损检测方面具有较大的应用前景[3]。当农作物受到病害后，外部形态及生理效应均发生一定的变化，其图像及光谱特征与健康作物相比均存在不同程度差异，这使得光谱技术、图像处理技术、光谱成像技术在病害快速检测技术成为了可能[4]。
光谱技术对检测作物病害的生化信息具有较好的效果，它能够直接反映分子内部结构及运动状态。在国内，利用光谱技术在作物病害检测方面的研究比国外起步较晚，作物检测方面也多为品质分析[5]。国内尚无利用高光谱技术对白萝卜内部黑心缺陷进行检测的研究，本文的目的是利用高光谱图像技术对萝卜的光谱信息进行分析，再通过建立模型来判别萝卜的内部黑心缺陷，从而研究高光谱图像技术是否能有效区分正常萝卜与黑心萝卜。
1 材料与方法
1．1 材料
从南京众彩农副产品批发有限公司购买的同一批次大小均匀、无病虫害和机械损伤的‘抗病博士春光A型’白萝卜。共520个，一半无需特殊处理，设为正常组，清洗后晾干直接进行试验。另一半处理成黑心萝卜，设为黑心组。萝卜黑腐病俗称黑心、烂心，该病是一种由细菌引起的病害。萝卜黑腐病发病的适宜温度为2035 ℃，主要在高温多雨、连作或早播、地势低洼、灌水过量、排水不良、肥料少或未腐熟、人为伤口和有虫伤多时发病严重[6]。
1．2 仪器
高光谱成像系统（台湾五铃公司）、培养箱（南京贝蒂仪器有限公司，BDSPX）
实验中使用的高光谱成像系统是台湾五铃公司生产的。其硬件主要由光源、摄像机、CCD摄像头、成像光谱仪、机械输送装置和计算机等组成。光源采用150 W卤素钨灯，共分10档，可调节，通过光纤传输到检测室内。摄像头为Imperx公司生产的ICLB1620CCD摄像头，摄像机为扫描式摄像机。本装置采用芬兰SPECIM公司生产的光谱仪，型号为ImSpector?V10E，光谱有效波段范围400～1000?nm，共440个波段，光谱分辨率为2.8?nm，并带有焦距手动调节透镜。传送装置为台湾五铃公司生产的电控平移台，型号为IRCP0076ICOMB001，速度可调。计算机配置为CPU为?E5800，3.2?GHz，内存2?G，显卡256M?GeForce?GT240。
1．3 预实验获取黑心萝卜
由于获取实验材料是已是深冬，大批量黑心萝卜不易获取，因此本实验通过预实验来获取黑心萝卜，模拟病理性黑心萝卜，即利用病菌去感染正常的萝卜，使之发展成为黑心萝卜，以此来模拟在正常条件下导致的萝卜黑心。具体操作如下。
从已经黑心的萝卜中提取出病菌，在培养基中进行分离纯化。分选出不同菌种接种到正常萝卜中，让萝卜在温度为20摄氏度、湿度为75%条件下的培养箱里培养一周，从中选取出使萝卜黑心效果最好的菌种，将其扩大培养后接种到正常萝卜中，在同样的实验条件下培养，得到黑心萝卜。
正常萝卜；B．黑心萝卜
图1 正常萝卜和黑心萝卜实物图
Fig1. The actual picture of normal radish and black heart radish
1．4 光谱信息的采集与校正
1．4 .1 高光谱图像系统
高光谱图像是一系列连续光波波长处的光学图像。光谱范围在紫外(200400 nm )、可见光(400760 nm)、近红外(7602 560 nm )以及波长大于2 560 nm的区域。它比多光谱图像有更高的光谱分辨率, 一般精度可达到2 ～ 3 nm。高光谱图像是由一系列特定波长下的光学图像组成的三维数据块, 特定波长的光可通过滤波片和光谱仪两种方式获得。
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