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基于高光谱成像技术的宁夏枸杞鉴别应用与研究

发布时间:2021-12-31      点击次数:122

枸杞是我国常用的珍贵中药材,含有丰富的营养成分,不但在中药领域大量使用,还被广泛用于功能性食品的研究与开发。近些年,随着枸杞市场需求的不断增加,其经济价值不停地增长,因此,采用有效手段对枸杞品质进行准确鉴别具有重要意义。目前对枸杞品质、产地的鉴别主要依赖感官鉴别、显微鉴别、化学成分分析鉴别等几种常见方法,但都具有一定的局限性。

高光谱成像技术将图像与光谱技术相结合,可同时快速、准确地获取被测物的图像信息和光谱信息,凭借无损、检测速度快、分辨率高的优点,可实现被测物内外部品质的可视化分析及物品品质和质量的快速、高效检测,使得其在农业、食品、医疗等领域有着极为广泛的应用。

本案例主要采用对宁夏、甘肃产地的枸杞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,实现宁夏枸杞的鉴别。


1.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系列高光谱成像系统

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2.实验样本

实验所用枸杞样本分别为宁夏枸杞、甘肃枸杞,采用可见光波段来进行测试(400nm~1000nm),每个品种采集了50个样本,混合在一起采集50个样本。如下图所示,3颗一堆的为宁夏枸杞,4颗一堆的为甘肃枸杞。

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不同产地枸杞高光谱伪彩图

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不同产地枸杞光谱曲线图

上图光谱曲线,宁夏枸杞为红色,甘肃枸杞为绿色,背景为蓝色。可以看出,宁夏枸杞波段反射率大于甘肃枸杞的反射率,两种枸杞的光谱曲线存在明显差异。通过对两种枸杞的光谱曲线进行归一化处理后,光谱差异更加明显,如下图:

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归一化光谱曲线图

3.模型训练与匹配

通过中达瑞和高光谱大数据分析云平台,把采集的2种枸杞数据放入数据集中,对多个样本进行标注,数据分析和模型训练,然后就2种放在一起采样的数据进行模型匹配与判断,得到结果与实际枸杞的产地相符,效果如下图:

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枸杞分类高光谱伪彩图

(红色为宁夏枸杞,绿色为甘肃枸杞,蓝色为背景)


因此,通过如上实验测试结果表明,基于高光谱成像技术并结合机器学习模型训练方法能够快速、无损、准确地鉴别宁夏枸杞,对确保枸杞品质准确分级具有重要的指导意义,同时也可为枸杞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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