基于可見-近紅外光譜預(yù)測靈武長棗脆度及模型優(yōu)化

王芹志，強鋒，何建國,*，王松磊,，賀曉光，吳龍國

1(寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川，750021) 2(寧夏大學(xué) 土木水利工程學(xué)院，寧夏 銀川，750021)

基于可見-近紅外光譜預(yù)測靈武長棗脆度及模型優(yōu)化

王芹志1，強鋒1，何建國1,2*，王松磊1,2，賀曉光1，吳龍國2

1(寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川，750021) 2(寧夏大學(xué) 土木水利工程學(xué)院，寧夏 銀川，750021)

利用可見-近紅外光譜對在4 ℃下冷藏24 h的靈武長棗脆度進行檢測，并建立了最優(yōu)模型。通過400～1 000 nm高光譜成像系統(tǒng)采集了112個長棗圖像，對原始光譜與經(jīng)SNV，MSC、S-G、1ST、2ND、SNV+1ST、MSC+1ST、SNV+2ND、MSC+2ND、SNV+ S-G、MSC+ S-G預(yù)處理后光譜的偏最小二乘回歸(PLSR)模型進行了對比分析；采用主成分分析法(PCA)、連續(xù)投影算法(SPA)、競爭性自適應(yīng)重加權(quán)法(CARS)提取特征波長，分別建立偏最小二乘回歸(PLSR)和主成分回歸(PCR)模型；將經(jīng)預(yù)處理后的簡化PLSR模型與全波段PLSR模型進行了對比分析。結(jié)果表明，采用標(biāo)準(zhǔn)歸一化法(SNV)預(yù)處理后的PLSR模型優(yōu)于原光譜及其他預(yù)處理方法；提取特征波長后建立的CARS-PLSR模型優(yōu)于CARS-PCR模型和全波段PLSR模型，其相關(guān)系數(shù)(RP)和預(yù)測均方根誤差(RMSEP)分別為0.919、1.121。這表明，基于可見-近紅外光譜檢測冷藏靈武長棗脆度是可行的，SNV-CARS-PLSR模型最佳。

可見-近紅外光譜；靈武長棗；脆度；模型優(yōu)化

靈武長棗作為寧夏當(dāng)?shù)靥厣r(nóng)產(chǎn)品，已經(jīng)逐漸成為地方區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐和農(nóng)民收入的主要經(jīng)濟來源。然而，新鮮的長棗往往由于貯存或者運輸而被冷藏保存，冷藏長棗的脆度大小，直接影響農(nóng)戶的經(jīng)濟損失。通常用化學(xué)檢測方法對長棗進行品質(zhì)檢測，但這種方法對其原有品質(zhì)會造成一定的破壞，且費時費力，無法滿足生產(chǎn)需求[1-6]。

利用光譜技術(shù)對果蔬進行無損檢測，成為當(dāng)下最具創(chuàng)新和方便的檢測技術(shù)。近年來，國內(nèi)外研究人員和學(xué)者廣泛利用光譜技術(shù)對果蔬理化性質(zhì)進行了研究，并取得了一定成果[7-14]，光譜可分為近紅外(900～1 700 nm)和可見-近紅外(400～1 000 nm)，將可見-近紅外高光譜(400～1 000 nm)成像技術(shù)結(jié)合不同預(yù)處理方法，不同特征波長選擇方法，建立不同預(yù)測模型用于棗類定量分析，進而建立最優(yōu)的預(yù)測模型在國內(nèi)卻鮮有報道。

本文采用400～1 000 nm可見-近紅外高光譜成像技術(shù)獲取冷藏的靈武長棗表面反射信息，運用11種不同的預(yù)處理方法，3種不同的特征波長選擇方法，建立偏最小二乘回歸(partial least squares regression ,PLSR)和主成分回歸(principal component regression,PCR)模型，通過比較，最終建立冷藏靈武長棗脆度的最優(yōu)預(yù)測模型，為靈武長棗的無損檢測提供了一種新思路。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

從寧夏靈武長棗園采摘大小均勻，完好無損的長棗112個，裝入密封塑料袋中，置于4 ℃冰箱下保存。測試前，將樣本清洗。對其進行編號，測其形態(tài)尺寸，記錄數(shù)據(jù)。

1.2 實驗儀器

Hyperspec VNIR N型高光譜成像系統(tǒng)：美國Headwall Photonicsg公司，由高光譜成像光譜儀(Imspector N系列,Golden Way Scientific Co., Ltd., US)、CCD攝像機(G4-232, Golden Way Scientific CO., Ltd., US)、2個線光源(90-254VAC，47-63Hz，Golden Way Scientific CO.，Lab.，EQUIP)，Headwall Photonics Instruments Co., Ltd., Beijing，China)構(gòu)成的光源系統(tǒng)，電控位移平臺(VT-80，Headwall Photonics Instruments Co., Ltd., Beijing，China)，計算機(ThinkPadX220 Inter(R) Core i5-2450CPU@2.5GHz，RAM 3.41G)和數(shù)據(jù)采集軟件(Hyperspec-N for AndorLuca Rev A.3.1.4.vi, Headwall Photonics Instruments Co., Ltd., Beijing, China)等部件組成。

質(zhì)構(gòu)儀：英國Stable Micro System公司。

1.3 原始樣本圖像采集

樣品圖像掃描前，為減弱或消除暗電流照明燈的干擾，需進行黑白校正[15]，如公式(1)所示。

(1)

式中：R0是樣本原始漫反射高光譜圖像；W是白板反射圖像；D是全黑圖像；R是校正后的漫反射高光譜圖像。

試驗過程中，每組取5個冷藏長棗樣本，標(biāo)記，并按照一定的順序擺放在載物臺上，如圖1所示；獲取光譜圖像數(shù)據(jù)之前，將控制電機和位移平臺連接起來，然后進行掃描，最后獲取圖像數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)處理之前，采用系統(tǒng)自帶的ENVI4.6軟件分割高光譜圖像，得到112個冷藏長棗的單個圖像。

1.4 脆度的測定

對采集圖像后的冷藏長棗赤道線上標(biāo)記的部位，用質(zhì)構(gòu)儀進行測定，測其3次的脆度，取平均值。

1.5 光譜分析及模型評價

1.5.1 光譜預(yù)處理

樣本光譜除了包含自身有用信息外，外界不確定因素(如光的散射以及環(huán)境噪聲等)也會對建模效果產(chǎn)生一定影響[16]。因此，在建模之前需對光譜數(shù)據(jù)進行預(yù)處理[17]。試驗采用標(biāo)準(zhǔn)歸一化(standard normal variable, SNV)、多元散射校正(multiple scattering correction, MSC)、卷積平滑(savitzky-golay smoothing ,S-G)、一階導(dǎo)(first derivative, 1sD)、二階導(dǎo)(second derivative, 2nD)及其組合對光譜數(shù)據(jù)進行預(yù)處理并比較它們對全波段模型性能的影響。高光譜圖像數(shù)據(jù)處理采用ENVI4.6(Research System Inc.,USA)、Unscrambler X 10.2(CAMO Software AS,OSLO, Norway)和Matlab2011a (Mathwork, Matlab9.0, Inc.,USA)軟件平臺。

圖1 原始樣本圖像采集Fig.1 Original samples collected figure

1.5.2 建模方法及模型評價

對樣本光譜進行預(yù)處理后，建立全波長及特征波長提取下的冷藏靈武長棗脆度偏最小二乘回歸[18](PLSR)定量分析模型和特征波長下的主成分回歸[19](PCR)定量分析模型。特征波長提取方法分別采用主成分分析法[20](principal component analysis,PCA)、連續(xù)投影算法[21-22](successive projections algorithm ,SPA)、競爭性自適應(yīng)重加權(quán)法[23](competitive adaptive reweighed sampling,CARS)。

本試驗采用均方根誤差(RMSE)和相關(guān)系數(shù)(R)對建立的模型進行評價[24]。一個好的模型應(yīng)該具有高的R值(接近于1)、低的均方根誤差(RMSEC/RMSEP/RMSECV) 值，且RMSEC 、RMSEP和RMSECV盡量接近。RMSEC /RMSEP/RMSECV及R的計算方法如公式(2)～公式(4)所示。

(2)

(3)

(4)

R=

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 脆度測定

實驗測得112個樣本脆度有效值，將試驗所得樣品隨機劃分為校正集84個樣品，預(yù)測集28個樣品，統(tǒng)計結(jié)果見表1。其中，校正集用于建模，預(yù)測集用于檢驗?zāi)Ｐ托阅躘25]。

表1 冷藏靈武長棗脆度數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.2 長棗樣本光譜

將獲得的112個樣本經(jīng)過反射高光譜成像系統(tǒng)掃描，選擇感興趣區(qū)域，其原始光譜圖及不同預(yù)處理(SNV，MSC、S-G、1ST、2ND、SNV+1ST、MSC+1ST、SNV+2ND、MSC+2ND、SNV+ S-G、MSC+ S-G)后的光譜圖見圖2。

由圖2(A)可知，在原始光譜下的光譜曲線整體較為分散，且在900 nm和960 nm處反射率較為明顯，這與胡耀華等[26]利用近紅外高光譜研究豬肉系水力所得結(jié)果類似，此峰對應(yīng)O-H基團的二級倍頻，可能是長棗水分分布不均，對脆度的影響所致；圖2(B)的SNV預(yù)處理光譜圖與圖(C)的MSC預(yù)處理光譜圖比較相似，這可能是因為2種預(yù)處理方法對消除長棗表面粗糙面及不同粗糙面分布不均勻而產(chǎn)生的散射對光譜的影響作用[27]，故圖(B)和圖(C)相對于圖(A)而言，光譜曲線更加緊湊，表面更加平滑。

(A)RAW；(B)SNV;(C)MSC;(D)S-G;(E)1ST;(F)2ND;(G)SNV+1ST;(H)SNV+2ND;(I)MSC+1ST;(J)MSC+2ND;(K)SNV+S-G(L)MSC+S-G圖2 不同預(yù)處理方法下的光譜圖Fig.2 The spectrums of different pretreatment methods

圖2(D)、(K)、(L)分別為S-G、SNV+S-G、MSC+S-G預(yù)處理光譜圖，三圖均含有S-G預(yù)處理方法，比較原始光譜曲線，經(jīng)SNV+S-G、MSC+S-G組合的處理方法不僅除去了部分噪聲，而且整體較只經(jīng)S-G方法處理更為緊湊，三圖光譜的波峰和波谷的位置并沒有發(fā)生很大偏移。

圖2(E)、(G)、(I)分別為1ST、SNV+1ST、MSC+1ST預(yù)處理光譜圖，三圖均含有1ST預(yù)處理方法，帶有可校正基線，可以看出，經(jīng)SNV+1ST處理后的反射率更加突出，三圖平滑處趨于平直，波峰和波谷較原始光譜曲線和其他預(yù)處理曲線顯得更加突出。

圖2(F)、(H)、(J)分別為2ND、SNV+2ND、MSC+2ND預(yù)處理光譜圖，三圖均含有2ND預(yù)處理方法，帶有可校正基線，可以看出，經(jīng)SNV+2ND處理后的反射率更加突出，三圖噪聲信息較多，雖有突出波峰，但整體波段的波峰和波谷難以辨出。

2.3 光譜預(yù)處理方法的選擇

采用原光譜和不同預(yù)處理方法，建立全波長偏最小二乘回歸(PLSR)模型，結(jié)果見表2。

表2 不同預(yù)處理方法下的冷藏靈武長棗脆度PLSR模型

從表2可以得出，(1)在單一預(yù)處理方法下，采用SNV對原始光譜預(yù)處理后的模型，其RC、RCV、RP分別為0.877、0.830、0.877，RMSEC、RMSECV、RMSEP分別為1.084、1.490、1.212，各項數(shù)據(jù)較原光譜和其他單一預(yù)處理方法無較大差異，且RP較接近1，其主成分數(shù)較少，表明該預(yù)處理去除了主要的噪聲和背景干擾，模型預(yù)測精度和穩(wěn)定性較好；(2)采用1ST預(yù)處理方法，主成分數(shù)最少，但其RMSEP較大，預(yù)測精度較差；(3)采用2ND預(yù)處理方法，RC較原數(shù)據(jù)和其他單一預(yù)處理方法均為最大，但RCV偏小，且RP值為-0.288，出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，主成分數(shù)最大，說明噪聲信息比較多；(4)MSC和S-G的RP和RMSEP與SNV的沒有較大差異，但所用主成分數(shù)較大；(5)在組合預(yù)處理方法下，采用SNV+1ST、MSC+1ST和SNV+2ND3種方法的RP均為負值，出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象；(6)采用MSC+2ND預(yù)處理方法的RC、RCV、RP均偏小，RMSEP值較大，可行性較差；(7)采用SNV+S-G和MSC+S-G兩種預(yù)處理方法的RC、RCV、RP較原光譜均較為理想，但RMSEP較大，且主成分數(shù)較大，其穩(wěn)定性和預(yù)測精度都較差。綜合考慮，采用SNV預(yù)處理方法，建立冷藏靈武長棗全波長偏最小二乘模型(PLSR)的預(yù)測精度最佳。

2.4 提取特征波長

由于原光譜包含的信息量較為冗長，導(dǎo)致獲取樣品信息所需時間較長，一定程度不能滿足在線生產(chǎn)的需要。因此，需對全波段下的光譜數(shù)據(jù)進行降維處理[28]，以提高效率和模型精度。通過主成分分析法(PCA)提取了7個特征波長(541、603、675、685、689、728、958)，采用連續(xù)投影算法(SPA)提取了9個特征波長(401、425、435、469、661、680、901、949、982)，采用競爭性自適應(yīng)重加權(quán)法(CARS)提取了8個特征波長(665、680、833、853、862、910、954、973)，結(jié)果見表3。

表3 特征波長提取

2.5 預(yù)測模型的建立

基于靈武長棗脆度的特征波長提取方法，分別建立偏最小二乘回歸[29](PLSR)和主成分回歸(PCR)定量分析模型，結(jié)果見表4。

表4 不同特征波長提取方法的PLSR建模對比分析

通過比較，結(jié)合圖3和表4可以看出：(1)在經(jīng)過SNV預(yù)處理光譜后，基于PLSR的特征波長選擇方法中，CARS-PLSR效果較佳，其RC、RCV、RP分別為0.891、0.865、0.919，均高于其他2種波長選擇方法，說明CARS-PLSR的預(yù)測及校正性能較PCA-PLS和SPA-PLS更加優(yōu)越。(2)CARS-PLSR的RMSEC、RMSECV、RMSEP分別為1.202、1.330、1.121，分別較PCA-PLSR和SPA-PLSR小，說明CARS-PLSR的預(yù)測精度和穩(wěn)定性優(yōu)于PCA-PLSR和SPA-PLSR；(3)采用主成分分析提取特征波長建立的偏最小二乘模型(PCA-PLSR)，盡管其主成分數(shù)較其他2種特征波長選擇方法略小，但RMSEP達到105.093，預(yù)測均方根誤差極大，故其預(yù)測精度和穩(wěn)定性明顯劣于SPA-PLSR和CARS-PLSR；(4)CARS-PCR的RMSEP和主成分數(shù)與SPA-PCR相差較小，CARS-PCR的RC、RCV、RP均高于其他2種波長選擇方法，其校正及預(yù)測性能較好；RMSEC、RMSECV也較其他2種波長選擇方法小，預(yù)測精度較佳。綜合考慮，經(jīng)SNV 預(yù)處理的光譜，采用競爭性自適應(yīng)重加權(quán)(CARS)提取特征波長的方法建模，具有較高的精確性和較好的穩(wěn)定性。

從表4可以得到，CARS-PLSR模型較CARS-PCR模型具有更高的RP和更小的RMSEP，故兩者建立的簡化模型相比，CARS-PLSR模型對靈武長棗脆度的預(yù)測精度和穩(wěn)定性較佳,原因可能是PLSR較PCR更適用于復(fù)雜分析體系的光譜數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)矩陣的分解與回歸相互結(jié)合，使得模型更為穩(wěn)健[30]。

2.6 全波段模型和簡化模型的比較

采用SNV方法預(yù)處理下的全波長偏最小二乘模型(SNV-PLSR)和經(jīng)CARS法提取特征波長建立的偏最小二乘模型(SNV-CARS-PLSR)效果進行比較，兩模型對冷藏靈武長棗脆度預(yù)測性能如圖3所示。

圖3 不同冷藏靈武長棗脆度PLSR預(yù)測模型的比較Fig.3 Compared of different PLSR models for brittleness of Lingwu jujube samples

從表3和圖3可以看到，利用CARS對長棗校正模型進行光譜特征波長變量選擇，從125個波長變量中，優(yōu)選出665 nm，680 nm，833 nm，853 nm，862 nm，910 nm，954 nm，973 nm共8個特征波長，數(shù)量僅占全部光譜變量的6.4%，在一定程度上提高了建模變量的利用率，也節(jié)省了無用信息的處理時間。此外，與全波長SNV-PLSR模型相比，SNV-CARS-PLSR模型的RP較大且接近于1，RMSEP較小，主成分數(shù)較少。特征波長提取建立的SNV-CARS-PLSR模型對冷藏靈武長棗脆度的預(yù)測精度和穩(wěn)定性較佳。

3 結(jié)論

(1)利用可見-近紅外高光譜成像技術(shù)，建立了4 ℃下24 h冷藏靈武長棗脆度的PLSR模型。選擇400～1 000 nm全波段范圍，進行原始光譜與經(jīng)過SNV，MSC、S-G、1ST、2ND、SNV+1ST、MSC+1ST、SNV+2ND、MSC+2ND、SNV+S-G、MSC+S-G預(yù)處理光譜的PLSR模型的比較表明，SNV預(yù)處理光譜效果較好。

(2)采用PCA、SPA、CARS特征波長選擇方法對經(jīng)SNV預(yù)處理后的光譜進行降維，并分別建立PCR和PLSR的預(yù)測模型，得到CARS-PLSR模型和CARS-PCA模型的RC、RCV、RP均大于其他特征波長選擇方法，CARS-PLSR模型RC、RP分別為0.891、0.919，CARS-PCR模型RC、RP分別為0.890、0.785，CARS-PLSR模型校正及預(yù)測性能較好；兩者RMSEP與其他特征波長選擇方法建模相差不大且偏小，預(yù)測精度較好。CARS-PLSR模型預(yù)測效果較佳。

(3)對比了SNV-CARS-PLSR模型和全波長SNV-PLSR模型；特征波長提取建立的SNV-CARS-PLSR模型的RP較大且接近1，RMSEP較全波長SNV-PLSR模型小，且主成分數(shù)較少，對冷藏靈武長棗脆度的預(yù)測精度和穩(wěn)定性較佳。

綜上所述，基于可見-近紅外光譜預(yù)測冷藏靈武長棗脆度的研究是可行的，最優(yōu)預(yù)測模型是SNV-CARS-PLSR。

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The model of predicting of the brittleness of Lingwu jujube by visible-near infrared spectroscopy and its optimization

WANG Qin-zhi1, QIANG Feng1,HE Jian-guo1,2*,WANG Song-lei1,2, HE Xiao-guang1,WU Long-guo2

1(School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, China) 2(Institute of civil and hydraulic engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

A model of predicting the brittleness of Lingwu jujube stored at 4 ℃ for 24 hours by Visible-near infrared Spectroscopy was established and optimized. Hyperspectral images of 112 jujubes of samples over 400-1000 nm were acquired. PLSR(Partial least squares regression，PLSR)models of raw spectral and spectral processed by SNV, MSC, S-G, 1ST, 2ND, SNV+1ST, MSC+1ST, SNV+2ND, MSC+2ND, SNV+S-G, MSC+S-G for brittleness were compared. Characteristic wavelengths were selected by principal component analysis (PCA), successive projections algorithm (SPA) and competitive adaptive reweighted sampling (CARS); PLSR models and PCR models on characterizing wavelengths were established. The simplified PLSR model after pretreatment and completed full wavelength PLSR model were compared. The results showed that the PLSR model with pretreatment by SNV was superior to CARS-PCR and full spectralspectral pretreatment. The optimal wavelengths by CARS-PLSR model had an excellent ability to predict the brittleness of jujube and was better than CARS-PCR model and PLSR model to predict brittleness composition. The correlation coefficient (RP) and root mean square error of prediction (RMSEP) were 0.786 and 1.224 respectively. Therefore, it’s possible to determine the brittleness of chilled Lingwu jujubes by Visible-near infrared Spectroscopy and the SNV-CARS-PLSR model was the best.

visible-near infrared spectroscopy; Lingwu jujube;brittleness; optimized model

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201703036

碩士研究生(何建國教授為通訊作者,E-mail：hejg@nxu.edu.cn)。

2015年國家自然基金(31560481)；農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項目(2014G30000045)

2016-06-30，改回日期：2016-08-16