題目
基于高光譜成像技術的甘薯缺陷檢測與分析
應用關鍵詞
甘薯、高光譜技術、缺陷檢測、農業(yè)應用
背景
中國是世界上甘薯種植面積最大的國家。甘薯的凍傷、病害等缺陷會導致其逐漸氧化腐爛，感染其他健康紅薯，造成嚴重的經(jīng)濟損失。紅薯質量分級是區(qū)分缺陷紅薯和健康紅薯，防止紅薯交叉侵染，提高紅薯產業(yè)利潤的有效手段。人工檢測是紅薯缺陷檢測的主要方法，但人工檢測耗時、費力且不準確。
高光譜成像作為一種新興的技術，可以同時獲取樣品的光譜信息和空間信息，已經(jīng)成功取代了傳統(tǒng)的光譜分析和可見光圖像，成為一種快速的無損檢測和分類方法。利用高光譜成像技術識別水果損傷是可行的。然而，利用高光譜成像技術鑒定和分類缺陷紅薯的報道很少。
本研究以“龍薯9號”甘薯為研究對象，采用高光譜成像技術對缺陷甘薯進行鑒定，并采用偏最小二乘判別分析（PLS-DA）和線性判別分析（LDA）建立分類模型，為甘薯貯藏加工提供理論依據(jù)，有助于提高甘薯產業(yè)的經(jīng)濟效益。
試驗設計
農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所胡志超研究員團隊利用江蘇雙利合譜公司的可見/近紅外高光譜成像系統(tǒng)Gaiafield-V10E，獲取了三種類型的紅薯樣本高光譜影像（圖1）。高光譜系統(tǒng)的波長范圍為400 – 1000 nm，光譜分辨率為2.8 nm，入射狹縫寬度為30 μm，相機分辨率為1392 × 1040 dpi。高光譜系統(tǒng)采用推掃式成像技術，入射狹縫位于準直系統(tǒng)的前焦平面上。
將整個甘薯樣本作為感興趣區(qū)域（ROI），提取并計算每個ROI中所有像素的平均光譜。在對原始光譜進行標準正態(tài)變量（SNV）預處理后，采用基于聯(lián)合x-y距離（SPXY）算法的樣本集分割。本研究采用蒙特卡羅無信息變量消除法（MCUVE）、隨機蛙跳法（RF）和逐步投影法（SPA）進行波段選擇。采用偏最小二乘判別分析（PLS-DA）和線性判別分析（LDA）兩種分類器建立缺陷紅薯的分類模型。
圖1 三種類型的紅薯樣本：（A）健康紅薯，（B）凍傷紅薯，（C）患病紅薯
結論
SNV預處理后的光譜縱向聚集程度有所提高，有助于消除平移誤差（圖2）。在420 nm附近有較強的反射率下降，這是類胡蘿卜素的吸收區(qū)域。光譜吸收波段在980 nm左右，屬于水中O-H的二級吸收波段，由于甘薯含水量高，存在較大的吸收峰。健康甘薯與患病甘薯在600 - 1000 nm范圍內差異顯著。在650 - 850 nm范圍內，凍傷甘薯與健康甘薯差異明顯，凍傷甘薯與患病甘薯差異不大。
圖2 甘薯光譜曲線：（A）原始光譜，（B）SNV預處理后的光譜，（C）平均光譜
分別采用MCUVE、RF和SPA提取特征波段，用于后續(xù)構建分類模型。提取的特征波段分布如表1所示。MCUVE、RF和SPA分別提取了11、10和10個特征波段。
表1 通過MCUVE、RF和SPA方法選擇的特征波段
基于MCUVE、RF和SPA方法提取的特征波段建立了PLS-DA和LDA模型。使用MCUVE、RF和SPA方法的模型均獲得了滿意的結果（圖3）。RF-PLS-DA模型對健康、凍傷和病變樣本的分類準確率分別為97.14%、94.29%和87.14%，總體分類準確率為92.86%（圖4）。大多數(shù)誤判發(fā)生在患病的紅薯上，其被誤認為是凍傷的紅薯。
如圖5所示，MCUVE-LDA模型對三種甘薯樣品的分離不清楚，病害與凍傷樣品重疊嚴重。與MCUVE-LDA模型相比，RF-LDA和SPA-LDA模型具有更好的樣本分類性能，因為三種類型的甘薯樣本聚類顯著。為了進一步進行定量分析，生成LDA模型的混淆矩陣。如圖6所示，MCUVE-LDA模型將部分患病樣本誤判為凍傷樣本，患病甘薯的分類準確率較低，為90%，總體準確率為96.19%。RF-LDA模型和SPA-LDA模型幾乎沒有誤判，總體分類準確率均達到99.52%。考慮到SPA-LDA高于RF-LDA模型訓練集98.73%的總體分類準確率，因此認定SPA-LDA是較優(yōu)的分類模型。
結果表明，SPA-LDA是較優(yōu)的分類模型，所建立的模型能夠有效地識別凍傷、患病和健康紅薯。本研究為高光譜成像技術在甘薯貯藏加工監(jiān)測中的應用提供了理論依據(jù)和技術支持。
圖3 PLS-DA模型的訓練和預測結果：（A）MCUVE-PLS-DA模型，（B）RF-PLS-DA模型，（C）SPA-PLS-DA模型
圖4 PLS-DA的混淆矩陣：（A）MCUVE-PLS-DA模型，（B）RF-PLS-DA模型，（C）SPA-PLS-DA模型
圖5 LDA模型三維散點圖：（A）MCUVE-LDA模型，（B）RF-LDA模型，（C）SPA-LDA模型
圖6 LDA模型的混淆矩陣：（A）MCUVE-LDA模型，（B）RF-LDA模型，（C）SPA-LDA模型
作者信息
胡志超，博士，農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所研究員，博士生導師。
主要研究方向：綠色耕作與收獲機械化技術裝備。
參考文獻：
Shao, Y.Y., Liu, Y., Xuan, G.T., Shi, Y.K., Li, Q.K., & Hu, Z.C. (2022). Detection and analysis of sweet potato defects based on hyperspectral imaging technology. Infrared Physics & Technology, 127.
https://doi.org/10.1016/j.infrared.2022.104403
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