高光譜圖像對(duì)白蘿卜內(nèi)部缺陷的檢測(cè).pdf

1、蘿卜（Raphanus sativus L.），是十字花科蘿卜屬的一年生或兩年生草本雙子葉植物。栽培范圍廣，種植面積大，是我國(guó)的第三大蔬菜。隨著人們生活水平的提高和生產(chǎn)的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)蘿卜產(chǎn)品質(zhì)量的要求也逐步提高，然而病蟲(chóng)害及內(nèi)部缺陷是蘿卜優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的主要威脅。蘿卜的內(nèi)部缺陷主要表現(xiàn)為糠心和黑心，糠心表現(xiàn)為蘿卜內(nèi)部出現(xiàn)木質(zhì)化，水分損失，最后產(chǎn)生空洞;黑心表現(xiàn)為蘿卜表面光滑無(wú)異樣，內(nèi)部變黑、腐爛，最后成空心干腐狀。目前國(guó)內(nèi)對(duì)蘿卜品質(zhì)的檢測(cè)

2、主要停留在人工檢測(cè)上，通常是采收過(guò)程中對(duì)樣本隨機(jī)抽樣，然后采用目測(cè)法檢測(cè)，對(duì)有明顯糠心、黑心癥狀或癥狀不明顯的樣品進(jìn)行剖開(kāi)檢驗(yàn)，此種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力效果不好。高光譜圖像是一種先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，已被成功用于農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全檢測(cè)。本文利用高光譜圖像技術(shù)對(duì)蘿卜內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，期望通過(guò)光譜信息結(jié)合篩選的特征波段提高識(shí)別蘿卜內(nèi)部缺陷的精度，達(dá)到無(wú)損鑒別糠心、黑心蘿卜的目的，為蘿卜自動(dòng)化分級(jí)提供理論和技術(shù)支持。
　　1.高光譜圖像檢測(cè)系統(tǒng)的

3、構(gòu)建
　　為了識(shí)別蘿卜內(nèi)部缺陷，以白蘿卜為對(duì)象，構(gòu)建了透射、反射和半透射三種高光譜圖像采集單元，并通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，確定了包括光照強(qiáng)度、曝光時(shí)間、傳送帶運(yùn)行速度、光源高度和角度等系統(tǒng)檢測(cè)參數(shù)。
　　2.白蘿卜貯藏過(guò)程中糠心原因的分析
　　分析了不同等級(jí)糠心白蘿卜的水分含量、硬度、脆度、可溶性固形物、粗纖維和木質(zhì)素等理化指標(biāo)，對(duì)理化指標(biāo)變化與糠心等級(jí)進(jìn)行了相關(guān)性分析研究，探討了白蘿卜理化指標(biāo)與糠心之間的關(guān)系。結(jié)果表明，水分含

4、量和木質(zhì)素與糠心等級(jí)的相關(guān)系數(shù)分別為0.982和0.985，顯示了水分含量和木質(zhì)素的變化是引起白蘿卜采后糠心的主要原因。
　　3.高光譜圖像對(duì)白蘿卜糠心的檢測(cè)
　　為了實(shí)現(xiàn)白蘿卜糠心的無(wú)損檢測(cè)，利用透射、反射和半透射3種高光譜圖像采集模式來(lái)獲取白蘿卜的高光譜圖像信息，提取了白蘿卜中心部位感興趣區(qū)域的光譜信息，采用不同光譜預(yù)處理方式對(duì)光譜進(jìn)行處理，運(yùn)用連續(xù)投影算法(successiveprojections algorithm

5、，SPA)方法選出了4個(gè)特征波長(zhǎng):623、685、747和796 nm。比較全波段和特征波段建模結(jié)果，結(jié)合偏最小二乘分析(partial least squares discriminant analysis，PLS-DA)、支持向量機(jī)(support vector machine，SVM)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural network，ANN）三種算法分別建立識(shí)別白蘿卜糠心的模型，并對(duì)模型的性能進(jìn)行了比較，最后利用

6、算法建立識(shí)別白蘿卜5個(gè)糠心等級(jí)的模型。結(jié)果表明:3種采集模式中，透射采集模式優(yōu)于其他采集模式，更適合白蘿卜糠心的檢測(cè)。全波段建模和特征波段建模結(jié)果差別不大，但特征波段可以減少冗余信息，提高模型運(yùn)算速度，故選擇特征波長(zhǎng)進(jìn)行進(jìn)一步研究。3種識(shí)別模型中，ANN模型得到的結(jié)果更加穩(wěn)定，識(shí)別白蘿卜糠心效果好，建模集和驗(yàn)證集識(shí)別白蘿卜糠心的總體準(zhǔn)確率分別為94.9％和95.6％。識(shí)別白蘿卜5個(gè)糠心等級(jí)的模型效果較差，建模集和驗(yàn)證集準(zhǔn)確率分別為64.

7、3％和60.2％，對(duì)白蘿卜進(jìn)行5個(gè)糠心等級(jí)的識(shí)別需要模型進(jìn)一步改進(jìn)。
　　4.高光譜圖像對(duì)白蘿卜黑心的檢測(cè)
　　本研究利用高光譜圖像透射采集模式對(duì)白蘿卜黑心進(jìn)行檢測(cè)，樣本通過(guò)接種黑心病原菌并培養(yǎng)一周后獲得，選取樣本中心25000個(gè)pixels的矩形區(qū)域作為感興趣區(qū)域，提取原始光譜數(shù)據(jù)，利用SPA方法選出五個(gè)特征波長(zhǎng)，為別為580 nm、673 nm、747 nm、805 nm和877 nm。比較全波段和特征波長(zhǎng)，結(jié)合PLS-