基于近紅外光譜與PLS-DA的紅棗品種識別研究

張景川,張 曉,白鐵成，石魯珍,*

(1.塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院,新疆阿拉爾 843300;2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室,新疆阿拉爾 843300;3.塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院,新疆阿拉爾 843300；4.南疆農(nóng)業(yè)信息化研究中心,新疆阿拉爾 843300)

基于近紅外光譜與PLS-DA的紅棗品種識別研究

張景川1,2,張 曉3,白鐵成4，石魯珍3,*

(1.塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院,新疆阿拉爾 843300;2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室,新疆阿拉爾 843300;3.塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院,新疆阿拉爾 843300；4.南疆農(nóng)業(yè)信息化研究中心,新疆阿拉爾 843300)

新疆紅棗品種繁多,采后紅棗在加工過程中需要將其他品種的紅棗挑選出,本研究應(yīng)用近紅外光譜分析技術(shù)結(jié)合偏最小二乘判別分析(PLS-DA)法對新疆紅棗品種進行判別。結(jié)果表明,采用一階導(dǎo)數(shù)對原始光譜進行預(yù)處理,并使用方差分析法選擇波長變量結(jié)合PLS-DA方法對校正樣本建立判別分析模型,其驗證集預(yù)測結(jié)果與實際分類結(jié)果的相關(guān)系數(shù)(RP)均大于0.92,預(yù)測標準偏差(RMSEP)都小于0.27,最后模型對驗證集中的駿棗、灰棗和冬棗3個品種的識別率都為100%。該結(jié)果為新疆紅棗品種快速識別提供理論依據(jù)。

近紅外光譜,PLS-DA,品種識別,紅棗,方差分析

新疆紅棗為新疆特有的地理標志產(chǎn)品,紅棗又稱為“黃金壽棗”,補氣養(yǎng)血。民間有“一日食仨棗,百歲不顯老”、“要使皮膚好,粥里加紅棗”之說,高度贊揚了紅棗的食補功效[1]。新疆紅棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展雖已初具規(guī)模,但是由于發(fā)展歷史較短,各方面技術(shù)落后,甚至多方面無現(xiàn)成經(jīng)驗借鑒[2-3]。紅棗加工廠從棗農(nóng)那里收購來的紅棗需要進行加工處理,在加工過程中需要將其他品種的紅棗挑出,目前該過程是由人工完成,速度慢,效率低,并且漏選率高,因此急需研究出一種簡單、快速的檢測方法。

近紅外光譜技術(shù)是20世紀90年代以來發(fā)展最快,最引人注目的光譜分析技術(shù)[4],并已經(jīng)用來檢測紅棗的水分、糖度和VC含量[5-7]。近紅外光譜判別分析方法最常見的有兩種SIMCA(蔟類的獨立軟模式方法)[8-9]和PLS-DA(偏最小二乘判別法)[10-11],其中SIMCA算法的思想是對校正集中的每一類樣本的光譜矩陣分別進行主成分分析(PCA),建立每一類的主成分分析數(shù)學(xué)模型,然后在此基礎(chǔ)上對未知樣本進行分類。PLS-DA方法同時對光譜陣和類別陣進行分解,加強了類別信息在光譜分解時的作用,以提取出與樣本類別最相關(guān)的光譜信息[12-16],即最大化提取不同類別光譜之間的差異,因此PLS-DA方法通?？梢缘玫奖萐IMCA方法更好的分類和判別結(jié)果[4]。本研究嘗試用近紅外光譜結(jié)合PLS-DA方法來對新疆的駿棗、灰棗和冬棗三個品種進行判別分析,將樣本分成校正集和驗證集,用校正集光譜和三類樣本的分類變量建立PLS-DA判別模型,然后用判別模型對驗證集樣本進行判別。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

駿棗、灰棗和冬棗 于2016年10月采集于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)一師十團,挑選出沒有傷疤、損傷的紅棗,每個品種數(shù)量各118顆,共計354顆,對其依次進行去除灰塵處理并編號,沿著紅棗的赤道部位(間隔120°)標記3點作為光譜數(shù)據(jù)采集點。

Antaris Ⅱ FT-NIR型光譜儀 賽默飛世爾科技,美國。

1.2 實驗方法

1.2.1 光譜采集 Antaris Ⅱ FT-NIR型光譜儀以儀器內(nèi)部空氣為背景,設(shè)置每次采集樣品前都要采集背景一次,波數(shù)的測量范圍為4000～10000 cm-1,采樣點數(shù)為1557點,每個樣品設(shè)置光譜掃描次數(shù)為64次,分辨率設(shè)置為8 cm-1,儀器使用InGaAs檢測器,漫反射采集附件為積分球。

光譜采集前,先將紅棗放入實驗室內(nèi)2 h,室內(nèi)溫度在23～26 ℃,相對濕度25%～30%;測樣方式:近紅外光譜儀開機預(yù)熱2 h后,采集單個完好紅棗光譜,分別對紅棗樣本赤道部位每隔120°標記的3點采集漫反射光譜,共采集三次,取平均光譜。共采集354張紅棗近紅外原始光譜圖。

1.2.2 校正樣本劃分和分類變量的建立 采用KS(kennard-Stone)方法分別從駿棗、灰棗和冬棗樣品中各選出100顆作為校正集樣本,其他各18顆作為驗證集樣本。

在建立PLS-DA模型之前首先要按照樣本的實際類別特征,賦予校正集和驗證集的樣本分類變量值,如表1所示。

表1 3個不同品種紅棗的分類變量Table 1 The categorical variables of three variety jujubes

1.2.3 算法原理 PLS-DA法是一種基于變量的回歸方法,將光譜陣與分類變量進行線性回歸,具體實現(xiàn)過程為:

建立樣品的分類變量,若有三類,可以設(shè)置第一類樣品分類變量為[1 0 0],第二類樣本為[0 1 0],第三類樣品分類變量為[0 0 1];

建立光譜數(shù)據(jù)與分類變量的PLS(偏最小二乘)模型;

根據(jù)建立的PLS模型對驗證的樣本進行計算預(yù)測值(分類變量),若某未知樣本的PLS預(yù)測值介于-0.5～0.5,則該樣本不屬于該類,若介于0.5～1.5,則該樣本屬于該類。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有的算法應(yīng)用在Matlab R2012a(Mathworks,美國)上,文章中用到的所有matlab程序均自己編寫。Result軟件(Antaris II,賽默飛世爾科技,美國)用于近紅外光譜數(shù)據(jù)采集。

2 結(jié)果與分析

2.1 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

圖1是駿棗、灰棗和冬棗的近紅外原始光譜圖。

圖1 三種品種紅棗的原始近紅外光譜圖Fig.1 The original NIR spectrum of three variety jujubes

紅棗原始近紅外光譜是通過近紅外光譜儀來采集的,它包含背景信息和除樣品外的噪聲信息。為了獲得可靠、精確和穩(wěn)定的模型,因此需要對原始光譜進行數(shù)據(jù)預(yù)處理,表2給出了兩種預(yù)處理得到模型驗證集的結(jié)果。

從表2中可以看出,使用多元散射校正得到的結(jié)果比原始光譜得到的模型結(jié)果還要差;雖然,一階導(dǎo)數(shù)和原始光譜得到的模型識別率都達到了100%,但是一階導(dǎo)數(shù)處理后得到的模型使用的主成分數(shù)為7,小于原始光譜得到的模型10個,使模型變得簡潔。圖2是駿棗、灰棗和冬棗的一階導(dǎo)數(shù)光譜,從圖中可以明顯看出駿棗和灰棗一階導(dǎo)數(shù)光譜變化趨勢相同,而冬棗與二者差異較大,因此選擇一階導(dǎo)數(shù)光譜可以更好地體現(xiàn)3種紅棗光譜的差異性。

表2 不同預(yù)處理方法的PLS-DA模型的驗證結(jié)果Table 2 The identificated results of PLS-DA correction model based on different pretreatment methods

表3 方差分析法和全譜的PLS-DA模型的驗證結(jié)果Table 3 The identificated results of PLS-DA correction model based on full Spectrum and the wavelengths selected by deviation analysis

圖2 三個不同紅棗品種的一階導(dǎo)數(shù)光譜Fig.2 The first derivative spectrum of three variety jujubes

注:RP為驗證集相關(guān)系數(shù);RMSEP為預(yù)測均方根誤差。

2.2 波長變量選擇

從圖2可以看出，3種紅棗光譜大多數(shù)的波長趨勢是相同的,而只有少數(shù)波長變量對應(yīng)的吸光度變化較大,如果可以找出這些少數(shù)波長對應(yīng)的吸光度,并用這些吸光度建立PLS-DA模型,必然可以使模型變得更為簡潔,并減少了建模時間,使得模型魯棒性強,因此使用方差分析法來選擇波長變量。

圖3中黑線是校正集光譜陣在各波長的標準偏差,標準偏差越大的波長說明其光譜變動越顯著。選擇閾值為0.0006,大于該閾值的波長對應(yīng)的吸光度被選擇建立模型(圖中五角星為選中的波長變量)。

表3是將全譜建立的PLS-DA模型和使用方差分析選中的波長變量建立的PLS-DA模型對驗證集的預(yù)測結(jié)果,從表中可以看出,雖然,兩者得到的模型驗證集相關(guān)系數(shù)(RP)和預(yù)測標準偏差(RMSEP)都差不多,識別率也都是100%,但是方差分析法得到變量數(shù)為356個,遠小于全譜的1557個,選擇的最佳主成分數(shù)為5也小于全譜的7個,因此使用方差分析法得到模型結(jié)果要好于全譜得到的模型。

2.3 PLA-DA判別模型

圖4是校正集中駿棗、灰棗和冬棗各100顆的前3個主成分得分圖,從圖中可以明顯看出,冬棗光譜與駿棗、灰棗光譜幾乎沒有重疊,可以很明顯地分開;駿棗和灰棗大部分聚類在一塊,但是也有少量重疊在一塊,這說明冬棗最容易判別,而駿棗和灰棗相對困難。

圖4 3個品種紅棗校正集前3個主成分得分圖Fig.4 The first three principal component scores of three variety jujubes in calibration set

圖5為所有校正集樣本(駿棗、灰棗和冬棗3類)分裂變量的PLS預(yù)測值與真實值的回歸圖,從圖中的直線是PLS模型的校正集預(yù)測結(jié)果與實際分類的回歸線。從圖中可以看出,PLS模型都能夠?qū)⒃?類樣本分開,即分散在實際值為1的線上的紅棗樣本點和實際值為0的線上的其他2個品種的紅棗樣本明顯分開。

圖5 PLS-DA校正模型樣本分類變量的PLS預(yù)測值與真實值回歸圖Fig.5 The regression diagram of Predictive values and the real value based on categorical variables of PLS-DA correction model

PLS-DA模型建立好之后,利用驗證集對模型進行驗證,圖6是模型對駿棗、灰棗和冬棗各18個樣本進行判別分析,圖6(a)是驗證集樣本中的駿棗樣本,從圖中可以看出驗證集中駿棗樣本的分類變量的預(yù)測值都接近于1,在0.5～1.5范圍之內(nèi),而其他2類紅棗的分類變量的預(yù)測值基本為0,在-0.5～0.5范圍之內(nèi),根據(jù)PLS-DA法的判別準則可知,驗證集中的所有駿棗樣本都被正確的識別,即識別率為100%,而其他2類紅棗樣本不具有駿棗樣本的特征。

圖6 驗證集中紅棗樣本的PLS-DA模型的判別結(jié)果Fig.6 The identificated results of PLS-DA correction model for jujubes in validation set

3 結(jié)論

應(yīng)用PLS-DA法建立駿棗、灰棗和冬棗三個品種的紅棗判別模型,結(jié)果表明采用不同的預(yù)處理方法對原始光譜進行預(yù)處理,可以得到較好的判別模型;選擇方差分析法篩選波長得到PLS-DA模型相對于全譜建立的模型使用的主成分數(shù)少,減少建模時間、使模型變得簡潔、提高模型的穩(wěn)定性,3個品種的紅棗樣本分類變量模型對驗證集樣本的識別率為100%。說明近紅外光譜結(jié)合PLS-DA法能夠有效地識別新疆紅棗品種。該結(jié)果的重要意義在于為近紅外在線識別紅棗品種提供理論依據(jù)。

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Jujube species identification based on near infrared spectroscopy and PLS-DA

ZHANG Jing-chuan1,2,ZHANG Xiao3,BAI Tie-cheng4,SHI Lu-zhen3,*

(1.College of Mechanical Electrical Engineering,Tarim University,China Tarim University,Alar 843300,China; 2.Xinjiang Uygur Autonomous Region General Institutes of Higher Education, Key Lab of Modern Agriculture Engineering,Alar 843300,China; 3.College of Information Engineering,Alar 843300,China; 4.Agricultural Information Research Center in Southern Region of Xinjiang,Alar 843300,China)

There are a variety of jujubes in Xinjang. It’s necessary to pick out other varieties of jujubes in jujube processing. This research was conducted to attempt to discriminate jujube varieties by the method that near-infrared spectroscopy combined with partial least squares discriminant analysis(PLS-DA)method. The discriminatory analysis models of jujube varieties was established by using first derivative(FD),the wavelength selection method of deviation analysis and partial least square discriminant analysis(PLS-DA).The experimental results showed that the correlation coefficient(RP)of validation set predictions with the actual classification was greater than 0.92,the standard error of prediction(RMSE)was less than 0.27. Finally,the model recognition rate for three varieties of Jun-jujube,Hui-jujube and Dong-jujube was 100%. The result offered theory evidences for the varieties identification of jujube in Xinjang.

near infrared spectroscopy;PLS-DA;species identification;jujube;deviation analysis

2016-10-18

張景川(1977-)，男，碩士，副教授，研究方向：光學(xué)應(yīng)用，E-mail：1483023190@qq.com。

*通訊作者:石魯珍(1972-)，女，碩士，講師，研究方向：光譜分析，E-mail：shiluzhen08@yeah.net。

國家自然科學(xué)基金項目(61501314；41561088；61462074)；應(yīng)急管理項目(61640413)。

TS207.3

A

1002-0306(2017)08-0068-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.08.005