基于SVM及BPNN的辣椒紅外光譜分析

李偉星　劉剛　趙興祥　王小龍　汪小華　李會梅

摘要：利用小波變換結(jié)合反向傳播網(wǎng)絡（BPNN）和支持向量機（SVM）研究了朝天椒和燈籠椒的傅里葉變換紅外（FTIR）光譜，樣品1 750～950 cm-1范圍的紅外光譜經(jīng)多尺度一維連續(xù)小波變換（CWT）和離散小波變換分析，發(fā)現(xiàn)第20尺度的連續(xù)小波系數(shù)，提取該尺度3個區(qū)域的系數(shù)作為特征參數(shù)建立BPNN和SVM 模型。結(jié)果表明，BPNN和SVM模型都能很好地區(qū)別兩種辣椒。第5尺度的離散小波細節(jié)系數(shù)建立BPNN和SVM模型分類的正確率分別為93.3%、100%。小波變換結(jié)合BPNN和SVM用于傅里葉變換紅外光譜技術(shù)中能夠準確識別朝天椒、燈籠椒，為區(qū)分不同品種的辣椒提供了快速、有效的方法。

關(guān)鍵詞：朝天椒；燈籠椒；人工神經(jīng)網(wǎng)絡；支持向量機

中圖分類號：O657.33；S641.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）01-0203-03

辣椒（Capsicum annuum L.）包括辣椒和甜椒，又稱番椒、海椒、辣子、辣角、秦椒等，是茄科辣椒屬一年或多年生植物。辣椒中維生素C的含量在蔬菜中居第一位，具有通經(jīng)活絡、活血化瘀、驅(qū)風散寒、開胃健胃、補肝明目、溫中下氣、抑菌止癢和防腐驅(qū)蟲等功效[1，2]，被廣泛應用于醫(yī)藥、輕化和食品行業(yè)。

區(qū)分辣椒常規(guī)的化學分析方法，如高效液相色譜法（HPLC）、氣相色譜質(zhì)譜法（GC-MS）、微衛(wèi)星DNA標記（SSR）、超臨界CO2萃取法等，這些檢測方法雖然準確，但預處理過程復雜，耗時長，處理過程對人與環(huán)境有害[3]。傅里葉變換紅外光譜法具有操作簡單、靈敏度高、用樣少、制樣簡單、重復性好等優(yōu)點。小波變換是繼傅里葉變換后的一種更為有效的信號處理方法[4]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）方法由于對非線性函數(shù)可任意逼近而在光譜分析中被廣泛使用。人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有高度智能化的特征與能力，在處理非線性問題上以計算簡單、預測準確的優(yōu)勢在分析化學中得到了廣泛的應用[5]。支持向量機（SVM）是近年來形成的一種新的模式識別方法，已表現(xiàn)出許多優(yōu)于其他模式識別的方法。先通過非線性變換將輸入空間變換到一個高維空間，然后在這個高維空間求取最優(yōu)分類面[6]。

為此，選取兩個品種的辣椒為研究對象，應用傅里葉變換紅外光譜測定法得到FTIR，采用連續(xù)和離散小波多分辨率分析方法提取樣品的紅外光譜特征量，然后運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡和支持向量機對兩個品種的辣椒進行識別，旨在為同科屬品種的植物提供一種分類方法。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器

紅外光譜儀為PerkinElmer公司的Frontier傅里葉變換紅外光譜儀，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)16次。

1.2 樣品制備、檢測及數(shù)據(jù)處理

朝天椒和燈籠椒采自湖南省農(nóng)業(yè)科學院試驗基地。朝天椒30個（編號a1～a30），燈籠椒30個（編號b1～b30）。樣品清洗后晾干，取相同部位研磨成粉末，加入溴化鉀研磨均勻，壓片測紅外光譜。光譜均扣除溴化鉀背景，光譜數(shù)據(jù)用Omnic 8.0軟件處理，經(jīng)過基線校正、5點平滑處理、歸一化。用Matlab 7.1軟件進行支持向量機和BP神經(jīng)網(wǎng)絡分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種辣椒果實紅外光譜分析

圖1是兩個品種辣椒的原始光譜圖。3 500～3 200 cm-1范圍強寬峰為O-H與N-H的伸縮振動吸收，2 925 cm-1附近峰為亞甲基中C-H不對稱伸縮振動吸收[7]；2 857 cm-1附近峰為亞甲基中C-H對稱伸縮振動吸收[8]；1 735 cm-1附近吸收峰主要來自脂類C=O伸縮振動[9]；1 635 cm-1附近吸收峰為辣椒堿中C=C雙鍵伸縮振動峰[10]；1 655、1 541 cm-1分別對應蛋白質(zhì)的酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶的吸收峰[11]。1 610、1 516 cm-1為苯環(huán)的骨架特征伸縮振動吸收峰[12]；1 440～1 330 cm-1范圍的譜峰為蛋白質(zhì)、纖維素、木質(zhì)素等受氧、氮原子影響的甲基、亞甲基對稱彎曲振動和CH3剪式振動吸收及C-H彎曲振動吸收，其中1 386 cm-1附近是蛋白質(zhì)及纖維素的甲基和亞甲基的對稱彎曲振動和甲基的剪式振動吸收[8]；1 156～950 cm-1是多糖的C-O-C伸縮振動吸收峰[13]；900～750 cm-1范圍為糖類異構(gòu)吸收區(qū)，其中895 cm-1附近為纖維素的環(huán)振動產(chǎn)生的C-H變形峰[14]。

2.2 傅里葉變換紅外光譜連續(xù)小波變換分析

兩種辣椒的傅里葉變換紅外光譜的區(qū)別不是特別明顯，直接應用其傅里葉變換紅外光譜鑒別兩種辣椒往往容易造成錯誤的分類。對它們的傅里葉變換紅外光譜進行一維連續(xù)小波變換，在不同的分辨率下對其進行有效分析，能夠放大它們之間的差別以有效鑒別兩種辣椒。選擇各向異性的Morlet小波作為“分析小波”，因為其頻域能量比較集中，通頻帶較窄，頻率混疊影響較小，具有時域?qū)ΨQ和線性相位的特點，能夠保證變換不失真[15]。對兩種辣椒的傅里葉變換紅外光譜中包括指紋區(qū)在內(nèi)的區(qū)域（1 750～950 cm-1）進行一維連續(xù)小波變換，共進行了30尺度的一維連續(xù)小波變換，發(fā)現(xiàn)進行到第20個尺度的連續(xù)小波變換時的系數(shù)已能區(qū)別兩種辣椒，變換結(jié)果見圖2。

2.3 BP網(wǎng)絡識別結(jié)果

BP神經(jīng)網(wǎng)絡一般由3個神經(jīng)元層次組成，即輸入層、隱含層和輸出層。在BP網(wǎng)絡的建立過程中，隱含層節(jié)點數(shù)的選擇是關(guān)鍵。隱含層節(jié)點數(shù)的多少對BP網(wǎng)絡的識別效果影響很大，隱含層節(jié)點數(shù)一般不大于輸入信號的個數(shù)，隱含層節(jié)點數(shù)過多，網(wǎng)絡易于區(qū)分各樣本之間的細微差別，但網(wǎng)絡的復雜程度增加，收斂速度減慢，增加網(wǎng)絡訓練時間，隱含層節(jié)點數(shù)h可通過公式（1）取整數(shù)確定初始值，再逐步增加或減少1～3節(jié)點數(shù)的方法選取最優(yōu)值：

h=■或h=■ （1）endprint

式中，p為輸入變量數(shù)（即輸入層節(jié)點數(shù)）；q為輸出變量數(shù)（即輸出層節(jié)點數(shù)，通常為1）[16]。

選取第20尺度連續(xù)小波變換系數(shù)，第5尺度離散小波變換逼近系數(shù)和細節(jié)系數(shù)各19個變量作為網(wǎng)絡輸入值，輸出層神經(jīng)元個數(shù)為2，隱含層的神經(jīng)元個數(shù)分別設定為1～12之間的整數(shù)值，60個樣品，每個品種30個，其中訓練組15個，測試組15個。通過比較分類正確率，最終確定隱含層神經(jīng)元個數(shù)。網(wǎng)絡的輸入向量范圍為[-1，1]，隱含層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)采用S型正切函數(shù)tansig，輸出模式為0-1，輸出層神經(jīng)元傳遞函數(shù)采用S形對數(shù)函數(shù)logsig。網(wǎng)絡訓練函數(shù)采用trainlm，學習函數(shù)為learngdm，最大次數(shù)為1 000，訓練目標為0.01，學習速率為0.1。連續(xù)小波變換系數(shù)（CWTC）、離散小波變換逼近系數(shù)（DWTAC）和細節(jié)系數(shù)（DWTDC）作為網(wǎng)絡輸入變量的正確率隨隱含層節(jié)點數(shù)變化情況如圖3所示。連續(xù)小波變換系數(shù)和離散小波變換逼近系數(shù)訓練神經(jīng)網(wǎng)絡最佳隱含層節(jié)點數(shù)均為7，而離散小波變換細節(jié)系數(shù)隱含層節(jié)點數(shù)對網(wǎng)絡識別正確率沒有影響，利用連續(xù)小波變換建立的BPNN模型的識別正確率為86.7%，而利用離散小波變換逼近系數(shù)和細節(jié)系數(shù)建立BPNN模型的正確率為93.3%、100.0%?？梢婋x散小波的效果要比連續(xù)小波變換的效果好。

2.4 支持向量機結(jié)果

支持向量機法的基本思想來源于線性判別的最優(yōu)分類面，所謂最優(yōu)分類面就是要求分類面不但能將兩類樣本無錯誤地分開，而且要使分類空隙或分類間隔最大。通過實現(xiàn)最優(yōu)分類面，一個直接的優(yōu)點就是可以提高預測能力，降低分類錯誤率[16]。

用Matlab 7.1選用支持向量機4種核函數(shù)的線性函數(shù)作為核函數(shù)，利用離散小波變換細節(jié)系數(shù)建立支持向量機模型，對60個未知樣品（訓練組30個，測試組30個）預測結(jié)果支持向量機識別正確率見表1（表1中“1”代表朝天椒，“0”代表燈籠椒），結(jié)果表明，所有的樣品都能識別，識別正確率為100%。

3 小結(jié)

利用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)結(jié)合小波變換、反向傳播網(wǎng)絡和支持向量機對朝天椒和燈籠椒進行識別，樣品的紅外光譜經(jīng)一維連續(xù)小波變換，第20尺度系數(shù)存在著明顯的差異，選取指紋區(qū)1 750～950 cm-1范圍內(nèi)的紅外光譜進行5尺度離散小波變換，第5尺度小波細節(jié)系數(shù)存在明顯的差異，利用該系數(shù)進行反向傳播網(wǎng)絡和支持向量機識別，其正確率分別為93.3%、100.0%。通過比較發(fā)現(xiàn)，離散小波細節(jié)系數(shù)建立模型比連續(xù)小波系數(shù)和離散小波近似系數(shù)效果好，但兩者的差異不是很大。結(jié)果表明，小波變換結(jié)合支持向量機和反向傳播網(wǎng)絡應用于傅里葉變換紅外光譜技術(shù)中能夠識別朝天椒和燈籠椒，有望發(fā)展為鑒別不同品種物種的一種方便快捷的方法。

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