基于近紅外高光譜成像技術(shù)南疆冬棗DOLP五次多項(xiàng)式擬合模型研究

王玉婷，索玉婷，王長(zhǎng)旭，羅華平,2※

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾族自治區(qū)普通高等學(xué)校農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

南疆冬棗的產(chǎn)地屬暖溫帶大陸性干旱氣候，總?cè)照諗?shù)2 990 h，無霜期平均210天，年平均氣溫11.4℃，最低為-28℃。阿拉爾氣候溫和，土質(zhì)肥沃，冬棗富含多種微量元素和礦物質(zhì)，有防癌、防心腦血管疾病之功效，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值為百果之冠，倍受廣大消費(fèi)者青睞，被稱為“天下奇果”。

傳統(tǒng)的果品內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)主要采用化學(xué)分析法，制樣繁瑣、分析速度慢，通常用少量樣本代替批次果品的品質(zhì)，且檢測(cè)時(shí)必須破壞果品，因此難以在商業(yè)上應(yīng)用。由于冬棗含水量高、皮薄肉脆，極易受機(jī)械損傷和微生物侵染而腐爛變質(zhì)，因此不宜儲(chǔ)存，也不適合采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行果品內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)，而高光譜成像技術(shù)可以根據(jù)其光譜信息與冬棗內(nèi)部的化學(xué)成分相關(guān)聯(lián)，做到快速無損檢測(cè)。

近紅外高光譜成像技術(shù)（near-infrared hyperspectral imaging,NIR-HSI）是將傳統(tǒng)的近紅外技術(shù)與計(jì)算機(jī)成像技術(shù)相結(jié)合，可以同時(shí)采集被測(cè)物品的空間信息和化學(xué)信息，近紅外高光譜在無損檢測(cè)方面已取得頗豐的研究成果，索玉婷[1]等利用線偏振度與水分含量的相關(guān)性和在晴天和陰天條件下的相關(guān)性研究南疆冬棗戶外天氣模型研究；石魯珍[2]等利用高光譜成像技術(shù)測(cè)定冬棗內(nèi)部Vc；王成[3]等選擇從全波段中選擇特定波長(zhǎng)建立篩查保健食品中違禁添加抗炎藥物雙氯芬酸鈉的模型；Wang Zheli[4]等選擇光譜信息與特定波長(zhǎng)建模測(cè)定玉米單粒種子含水量；Badaró Amanda Teixeira[5]等用機(jī)械學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)濃縮面食中的纖維分布；Lan Weijie[6]等通過光譜與色譜量化檢測(cè)蘋果切片內(nèi)部品質(zhì)；Khamsopha Duangkamolrat[7]等利用化學(xué)檢測(cè)方法建立木薯?yè)郊俚臏y(cè)定模型。

本試驗(yàn)以南疆優(yōu)質(zhì)冬棗為研究對(duì)象，基于近紅外高光譜成像技術(shù)，選擇特定波長(zhǎng)與紋理信息與不同相位角下的Dolp（Degree of Linear Polarizationg）值進(jìn)行五次多項(xiàng)式擬合，用于反演2π空間內(nèi)的南疆冬棗任意入射角和探測(cè)角的Dolp值，為南疆近地面紅棗品質(zhì)遙感檢測(cè)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用主要儀器是Image-λ-N17E-N3型增強(qiáng)型近紅外高光譜相機(jī)，冬棗采集于新疆維吾爾族自治區(qū)阿拉爾市第一師10團(tuán)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)間為2019年10月8日，室外試驗(yàn)前提前兩小時(shí)從18°的冰柜里拿出冬棗，挑選108個(gè)大小均勻顏色相近的冬棗，挑選的同時(shí)拿軟布把冬棗表面的土擦凈，并在冬棗的穩(wěn)定面按1到108的順序標(biāo)號(hào)。樣品準(zhǔn)備完畢后，開始搭建試驗(yàn)平臺(tái)，在農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室樓下的空地上選一塊無其他事物投影的場(chǎng)地，擺放試驗(yàn)架，把白板放在試驗(yàn)架的正中間，在試驗(yàn)架的正前方架好高光譜相機(jī)，連接電源、數(shù)據(jù)線、電腦等輔助設(shè)備，調(diào)試設(shè)備，測(cè)量探測(cè)器的方位角、高度角，以及傳感器與白板中心的距離，最后把冬棗按照從左到右從上到下的順序擺放在白板兩側(cè)的試驗(yàn)架上，并記錄白板、試驗(yàn)架等的長(zhǎng)度。

室外試驗(yàn)測(cè)定開始，待正午太陽(yáng)大概在頭頂正上方時(shí)，分別在無偏、0°偏振、45°偏振、90°偏振、135°偏振下對(duì)試驗(yàn)架上的冬棗進(jìn)行掃描，掃描完畢后，再用防曬傘把試驗(yàn)臺(tái)遮起來，重復(fù)上訴操作。之后再調(diào)整探測(cè)器的方位角于30°和45°，繼續(xù)重復(fù)探測(cè)器方位角0°時(shí)的所有試驗(yàn)步驟。每改變一次探測(cè)器方位角，都要測(cè)量一次太陽(yáng)高度角以及太陽(yáng)方位角。

室外試驗(yàn)結(jié)束后，把冬棗按順序放到試驗(yàn)盤里，迅速拿到室內(nèi)，按照GB/5009.3-2010《食品中水分的測(cè)定》的方法對(duì)冬棗進(jìn)行水分測(cè)定。

圖1 試驗(yàn)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

目前關(guān)于南疆冬棗Dolp模型的研究還較少，Dolp模型沒有得到普遍使用。通過分析南疆冬棗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，Dolp大小與相位角大小是密切相關(guān)的。本試驗(yàn)在探測(cè)器方位角分別為0°、30°、45°掃描時(shí)，實(shí)驗(yàn)架最左側(cè)一排紅棗的相位角分別為：45.7°、66.5°、72.58°，實(shí)驗(yàn)架最右邊一排紅棗的相位角分別為：73.44°、90.36°、94.77°，白板左側(cè)一排紅棗的相位角分別為：52.2°、75.48°、88.33°，白板右側(cè)一排紅棗的相位角分別為：65.38°、87.86°、90.64°。從12個(gè)相位角的南疆冬棗數(shù)據(jù)中任選9個(gè)，但三次掃描所對(duì)應(yīng)的相位角中各留一個(gè)用來預(yù)測(cè)，后利用Matlab對(duì)Dolp進(jìn)行五次多項(xiàng)式擬合。由于長(zhǎng)波部分時(shí)Dolp較高，數(shù)值變化更明顯，所以從全波段中選三個(gè)長(zhǎng)波1300nm、1400nm、1500nm進(jìn)行分段預(yù)測(cè)。

圖2為南疆冬棗在波長(zhǎng)1300nm、1400nm、1500nm時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和五次多項(xiàng)式擬合曲線的相互關(guān)系圖，其對(duì)應(yīng)的R平方值分別為：0.83、0.91、0.67，由此可以判斷該五次多項(xiàng)式擬合模型較為精準(zhǔn)，可以較好地描述南疆紅棗Dolp與相位角之間的相互關(guān)系，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相位角都集中在了45°到95°之間，而其他范圍的角度則缺乏測(cè)量數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和分析。由這個(gè)關(guān)系得出以下結(jié)論：

圖2 南疆冬棗試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線的擬合關(guān)系

（1）當(dāng)相位角由45°向60°、75°向90°逐漸遞增時(shí)，南疆冬棗的Dolp也呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，相位角60°、90°附近Dolp出現(xiàn)峰值，當(dāng)達(dá)到這個(gè)臨界角時(shí)，Dolp則呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢(shì)。

（2）當(dāng)相位角由60°向75°逐漸遞增時(shí)，南疆冬棗的Dolp則呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，相位角75°附近Dolp出現(xiàn)谷值，當(dāng)達(dá)到這個(gè)臨界角時(shí)，Dolp則呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。

（3）當(dāng)相位角在45°到100°之間變化時(shí)，南疆冬棗的Dolp會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)極大值和一個(gè)極小值。

把預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與其余3個(gè)位置的南疆冬棗試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，分析結(jié)果如表1，表2。

表2 多波段Dolp模型參數(shù)值

3 結(jié)論

由擬合試驗(yàn)結(jié)果可知，相位角為52.2°、75.48°、88.33°時(shí)，南疆冬棗Dolp分量的誤差分別為：6.38%、2.61%、2.81%。進(jìn)而可以反演2π空間內(nèi)的南疆冬棗任意入射角和探測(cè)角的Dolp值。由于相位角的范圍有限，若想知道2π空間檢測(cè)紅棗品質(zhì)的最優(yōu)相位角還需大量試驗(yàn)，本文可為今后解決相位角對(duì)南疆近地面紅棗品質(zhì)遙感檢測(cè)做鋪墊。