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基于高光譜成像技術(shù)的新疆紅棗產(chǎn)地溯源應(yīng)用研究
發(fā)布時(shí)間：2021-11-11
新疆紅棗為新疆特有的地理標(biāo)志產(chǎn)品之一,被 稱為“黃金壽棗”,具有補(bǔ)氣養(yǎng)血的功效。民間有“一日食仨?xiàng)?百歲不顯老”之說,高度贊揚(yáng)了紅棗的食補(bǔ)功效。不同產(chǎn)地的紅棗,由于土壤、水質(zhì)和氣候等影響因素不同,在形狀、色澤和品質(zhì)等方面具有一定差異;不同產(chǎn)地的紅棗,其生物學(xué)特性不同,且其口感、所含微量元素和營養(yǎng)價(jià)值等也不盡相同,而這些差異無法通過肉眼直接進(jìn)行辨別。
如何建立快速、有效、實(shí)用的新疆紅棗識(shí)別方法，是保證紅棗及其產(chǎn)品品質(zhì)、健康發(fā)展新疆紅棗產(chǎn)業(yè)亟待解決的問題。目前，對(duì)于紅棗的鑒別主要依賴人工從外觀進(jìn)行鑒別（大小、形狀、色澤等）以及利用化學(xué)方法檢測內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)，具有較強(qiáng)的主觀性、鑒別誤差較大，效率低，耗時(shí)成本也高，難以滿足批量檢測需要。因此,急需一種新的檢測方法來對(duì)紅棗品種進(jìn)行快速無損檢測。
高光譜成像技術(shù)
高光譜成像技術(shù)是融合了成像技術(shù)和光譜技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的一種新興檢測技術(shù)，具有無損、無接觸、快速等技術(shù)特點(diǎn)，可以同時(shí)獲得檢測對(duì)象內(nèi)、外部品質(zhì)特征的光譜信息與空間信息。該技術(shù)早期主要應(yīng)用于空間遙感與測量,近年來已逐步應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、工業(yè)分選、生態(tài)環(huán)境、資源勘探、文物保護(hù)、醫(yī)學(xué)醫(yī)療等領(lǐng)域。本案例主要采用對(duì)新疆不同產(chǎn)地的紅棗進(jìn)行光譜采集與分析，通過高光譜大數(shù)據(jù)云平臺(tái)進(jìn)行模型訓(xùn)練與匹配，實(shí)現(xiàn)紅棗產(chǎn)地溯源。
高光譜數(shù)據(jù)采集分析設(shè)備
SCI系列產(chǎn)品由深圳市中達(dá)瑞和自主研發(fā)，是以搭載SHIS系列高光譜成像儀為核心、高度集成化的臺(tái)式高光譜成像系統(tǒng)，利用其廣泛的光譜范圍和靈活的軟硬件優(yōu)勢，采用非破壞、非接觸式的鑒定手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物質(zhì)進(jìn)行高清晰度的高光譜數(shù)據(jù)采集和分析處理，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)手段較難觀察到的細(xì)節(jié)特征。系統(tǒng)集成多軸光源、專用平臺(tái)、高光譜成像、光譜/圖像分析為一體，可針對(duì)不同的研究對(duì)象和目標(biāo)，建立多尺度實(shí)施光譜成像數(shù)據(jù)的獲取-處理-分析的一體化業(yè)務(wù)流程。
SCI系列臺(tái)式高光譜成像系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)樣本
實(shí)驗(yàn)所用新疆紅棗樣本分別為阿拉爾灰棗、皮山有機(jī)灰棗、且末灰棗、若羌灰棗、澤普灰棗，采用短波紅外波段來進(jìn)行測試（920nm～1700nm），每個(gè)品種采集了30個(gè)樣本，混合在一起采集30個(gè)樣本。
五種紅棗樣本可見光圖
五種紅棗高光譜采集圖
五種紅棗高光譜曲線對(duì)比圖
在五種紅棗采集樣本中，隨機(jī)取了幾十個(gè)譜線進(jìn)行對(duì)比，可以看出，五種紅棗的光譜曲線差異比較明顯。
數(shù)據(jù)模型創(chuàng)建與訓(xùn)練
通過中達(dá)瑞和高光譜大數(shù)據(jù)分析云平臺(tái)，把采集的五種紅棗數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)集中，對(duì)多個(gè)樣本進(jìn)行標(biāo)注，數(shù)據(jù)分析和模型訓(xùn)練，然后就5種放在一起采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型匹配與判斷，得到結(jié)果與實(shí)際紅棗產(chǎn)地相符，如下圖所示。
第一排（左到右）:皮山有機(jī)灰棗、阿拉爾灰棗和澤普灰棗；第二排（左到右）：若羌灰棗和且末灰棗
因此，通過如上實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明,基于高光譜技術(shù)并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練方法能夠無損、準(zhǔn)確地鑒別新疆紅棗的產(chǎn)地，可為新疆紅棗工業(yè)化批量檢測提供一種高效、科學(xué)的檢測手段和鑒別依據(jù)。
