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基于高光谱成像技术的新疆红枣产地溯源应用研究

发布时间:2021-12-31      点击次数:170

新疆红枣为新疆特有的地理标志产品之一,被 称为“黄金寿枣",具有补气养血的功效。民间有“一日食仨枣,百岁不显老"之说,高度赞扬了红枣的食补功效。不同产地的红枣,由于土壤、水质和气候等影响因素不同,在形状、色泽和品质等方面具有一定差异;不同产地的红枣,其生物学特性不同,且其口感、所含微量元素和营养价值等也不尽相同,而这些差异无法通过肉眼直接进行辨别。

如何建立快速、有效、实用的新疆红枣识别方法,是保证红枣及其产品品质、健康发展新疆红枣产业亟待解决的问题。目前,对于红枣的鉴别主要依赖人工从外观进行鉴别(大小、形状、色泽等)以及利用化学方法检测内部品质指标,具有较强的主观性、鉴别误差较大,效率低,耗时成本也高,难以满足批量检测需要。因此,急需一种新的检测方法来对红枣品种进行快速无损检测。


1.高光谱成像技术

高光谱成像技术是融合了成像技术和光谱技术优点的一种新兴检测技术,具有无损、无接触、快速等技术特点,可以同时获得检测对象内、外部品质特征的光谱信息与空间信息。该技术早期主要应用于空间遥感与测量,近年来已逐步应用于精准农业、工业分选、生态环境、资源勘探、文物保护、医学医疗等领域。本案例主要采用对新疆不同产地的红枣进行光谱采集与分析,通过高光谱大数据云平台进行模型训练与匹配,实现红枣产地溯源。


2.高光谱数据采集分析设备

SCI系列产品由深圳市中达瑞和自主研发,是以搭载SHIS系列高光谱成像仪为核心、高度集成化的台式高光谱成像系统,利用其广泛的光谱范围和灵活的软硬件优势,采用非破坏、非接触式的鉴定手段,实现对不同物质进行高清晰度的高光谱数据采集和分析处理,发现传统技术手段较难观察到的细节特征系统集成多轴光源、专用平台、高光谱成像、光谱/图像分析为一体,可针对不同的研究对象和目标,建立多尺度实施光谱成像数据的获取-处理-分析的一体化业务流程

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SCI系列台式高光谱成像系统


3.实验样本

实验所用新疆红枣样本分别为阿拉尔灰枣、皮山有机灰枣、且末灰枣、若羌灰枣、泽普灰枣,采用短波红外波段来进行测试920nm~1700nm),每个品种采集了30个样本混合在一起采集30个样本

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五种红枣样本可见光图

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五种红枣高光谱采集图

五种红枣高光谱曲线对比图

五种红枣采集样本中,随机取了几十个谱线进行对比可以看出五种红枣光谱曲线差异比较明显


4.数据模型创建与训练

通过中达瑞和高光谱大数据分析云平台,采集五种红枣数据放入数据集中,对多个样本进行标注,数据分析和模型训练然后就5种放在一起采样的数据进行模型匹配与判断,得到结果与实际红枣产地相符,如下图所示。

第一排(左到右:皮山有机灰枣、阿拉尔灰枣和泽普灰枣第二排(左到右):若羌灰枣和末灰枣


因此,通过如上实验测试结果表明,基于高光谱技术并结合机器学习模型训练方法能够无损、准确地鉴别新疆红枣的产地,可为新疆红枣工业化批量检测提供一种高效、科学的检测手段和鉴别依据。




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