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基于高光譜成像的霉變高粱鑒別應(yīng)用與研究
發(fā)布時(shí)間：2023-05-10
高粱是我國(guó)主要的谷類作物之一，有食用及藥用等多種功效，因其具有較高的單寧含量與淀粉含量，常作為主要原料用于基酒釀造。而釀酒，對(duì)高粱的質(zhì)量有著極高要求，需要在釀酒之前對(duì)高粱品種和質(zhì)量的優(yōu)劣進(jìn)行檢測(cè)與篩選，高粱質(zhì)量?jī)?yōu)劣包括不完善粒和雜質(zhì)等，其中，不完善粒是指受到損傷但尚有使用價(jià)值的高粱顆粒，包括霉變粒、蟲蝕粒、發(fā)芽粒等。
案例背景：
某知名釀酒企業(yè)，長(zhǎng)期采購(gòu)大量高粱作為釀酒原料，為保證釀酒品質(zhì)和產(chǎn)酒率，需要一種高效、準(zhǔn)確的檢測(cè)手段和方法對(duì)霉變高粱在高粱原材料采購(gòu)入庫前進(jìn)行鑒別篩除。
檢測(cè)現(xiàn)狀與痛點(diǎn)：
1. 采購(gòu)的高粱原材料量大，采用常規(guī)人工抽樣檢測(cè)，無法全方位覆蓋，存在檢測(cè)盲區(qū)。
2. 人工檢測(cè)依賴員工經(jīng)驗(yàn)，沒有統(tǒng)一量化標(biāo)準(zhǔn)。
3. 人工檢測(cè)時(shí)不完善粒（霉變粒）檢測(cè)難度大，容易漏檢。
4. 抽樣檢測(cè)實(shí)時(shí)性差，準(zhǔn)確率低。
為解決上述客戶痛點(diǎn)，本案例主要通過光譜成像技術(shù)與設(shè)備來區(qū)分霉變高粱和正常高粱，利用霉變高粱和正常高粱的光譜特征差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩者的高效精準(zhǔn)鑒別。
本案例涉及到的高光譜成像技術(shù)，是一種高效無損檢測(cè)技術(shù)，可同時(shí)獲取檢測(cè)對(duì)象的光譜信息和空間信息，利用檢測(cè)對(duì)象的光譜特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)各物質(zhì)的精準(zhǔn)識(shí)別、分類和篩選。
高光譜數(shù)據(jù)采集分析設(shè)備
本案例中應(yīng)用到的可見光近紅外推掃式高光譜相機(jī)由深圳市中達(dá)瑞和科技有限公司自主研發(fā)與生產(chǎn)制造，擁有超高光譜分辨率，覆蓋400-1000nm波段光譜范圍，可快速、精準(zhǔn)獲取觀測(cè)目標(biāo)的高光譜信息，廣泛應(yīng)用于掛載、便攜、室內(nèi)等應(yīng)用場(chǎng)景。該產(chǎn)品可結(jié)合目標(biāo)物的空間圖像信息和光譜信息，利用目標(biāo)物不同部位或成分的光譜特征，進(jìn)行無損、無接觸、快速高效的精準(zhǔn)獲取、發(fā)現(xiàn)識(shí)別、分類篩選和分析應(yīng)用。
可見光近紅外推掃式高光譜相機(jī)VIX-N110
采集樣本
本案例選用霉變高粱和正常高粱2組樣本，應(yīng)用中達(dá)瑞和可見光近紅外推掃式高光譜相機(jī)（VIX-N110），采集高粱在400nm～1000nm光譜波段范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，每隔5nm采集一次，每組進(jìn)行10次光譜數(shù)據(jù)采集，并對(duì)其進(jìn)行分析。
實(shí)拍圖集(霉變高粱)
光譜圖集（霉變高粱）
實(shí)拍圖集(正常高粱)
光譜圖集(正常高粱)
數(shù)據(jù)分析與模型訓(xùn)練
對(duì)單粒高粱樣本區(qū)域內(nèi)的所有高光譜曲線進(jìn)行平均計(jì)算，取一條平均光譜曲線作為該粒高粱的特征曲線。霉變高粱共采集光譜特征170個(gè)，正常高粱共采集光譜特征152個(gè)，兩組光譜特征數(shù)據(jù)如下圖：
霉變高粱光譜特征曲線
正常高粱光譜特征曲線
霉變高粱與正常高粱光譜特征曲線對(duì)比
通過對(duì)兩組樣本光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)處理，可看出多個(gè)特征波段存在，可對(duì)霉變高粱和正常高粱進(jìn)行鑒別區(qū)分。
通過中達(dá)瑞和光譜云平臺(tái)，把采集的霉變高粱和正常高粱的光譜數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)集中，對(duì)多個(gè)樣本進(jìn)行標(biāo)注，分析和模型訓(xùn)練，最后通過混合采集的正常高粱和霉變高粱光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行模型匹配，驗(yàn)證結(jié)果如下圖。
如上圖驗(yàn)證結(jié)果表明，基于光譜成像技術(shù)并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練方法能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)正常高粱與霉變高粱的鑒別，為客戶大幅減少人工成本投入，且提升了霉變高粱檢測(cè)效率與準(zhǔn)確度。
高光譜成像技術(shù)可捕捉遠(yuǎn)大于可見光范圍的光譜信息和圖像信息，能看到普通可見光成像看不到的物質(zhì)信息，在農(nóng)品鑒別、分類、篩選應(yīng)用廣泛，也是未來成像技術(shù)主要發(fā)展方向之一。深圳市中達(dá)瑞和科技有限公司作為國(guó)內(nèi)光譜成像行業(yè)產(chǎn)業(yè)化企業(yè)，擁有自主研發(fā)的分光器件、光譜相機(jī)、光譜軟件和光譜智能云平臺(tái)，產(chǎn)品與技術(shù)在科學(xué)研究、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、工業(yè)檢測(cè)、資源勘探、生物醫(yī)學(xué)、食品安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。未來，中達(dá)瑞和將持續(xù)攻難克堅(jiān)，推動(dòng)光譜成像技術(shù)從高端科研到工業(yè)應(yīng)用、并最終到消費(fèi)級(jí)應(yīng)用，為各行業(yè)實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)字化、智能化賦能。
