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基于高光譜成像的霉變高粱鑒別應用與研究
發(fā)布時間：2023-05-10
高粱是我國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，對高粱的質(zhì)量有著極高要求，需要在釀酒之前對高粱品種和質(zhì)量的優(yōu)劣進行檢測與篩選，高粱質(zhì)量優(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)，長期采購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、準確的檢測手段和方法對霉變高粱在高粱原材料采購入庫前進行鑒別篩除。
檢測現(xiàn)狀與痛點：
1. 采購的高粱原材料量大，采用常規(guī)人工抽樣檢測，無法全方位覆蓋，存在檢測盲區(qū)。
2. 人工檢測依賴員工經(jīng)驗，沒有統(tǒng)一量化標準。
3. 人工檢測時不完善粒（霉變粒）檢測難度大，容易漏檢。
4. 抽樣檢測實時性差，準確率低。
為解決上述客戶痛點，本案例主要通過光譜成像技術與設備來區(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，實現(xiàn)對兩者的高效精準鑒別。
本案例涉及到的高光譜成像技術，是一種高效無損檢測技術，可同時獲取檢測對象的光譜信息和空間信息，利用檢測對象的光譜特征，實現(xiàn)對各物質(zhì)的精準識別、分類和篩選。
高光譜數(shù)據(jù)采集分析設備
本案例中應用到的可見光近紅外推掃式高光譜相機由深圳市中達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、精準獲取觀測目標的高光譜信息，廣泛應用于掛載、便攜、室內(nèi)等應用場景。該產(chǎn)品可結(jié)合目標物的空間圖像信息和光譜信息，利用目標物不同部位或成分的光譜特征，進行無損、無接觸、快速高效的精準獲取、發(fā)現(xiàn)識別、分類篩選和分析應用。
可見光近紅外推掃式高光譜相機VIX-N110
采集樣本
本案例選用霉變高粱和正常高粱2組樣本，應用中達瑞和可見光近紅外推掃式高光譜相機（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，每組進行10次光譜數(shù)據(jù)采集，并對其進行分析。
實拍圖集(霉變高粱)
光譜圖集（霉變高粱）
實拍圖集(正常高粱)
光譜圖集(正常高粱)
數(shù)據(jù)分析與模型訓練
對單粒高粱樣本區(qū)域內(nèi)的所有高光譜曲線進行平均計算，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，正常高粱共采集光譜特征152個，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比
通過對兩組樣本光譜數(shù)據(jù)進行一階導數(shù)處理，可看出多個特征波段存在，可對霉變高粱和正常高粱進行鑒別區(qū)分。
通過中達瑞和光譜云平臺，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，對多個樣本進行標注，分析和模型訓練，最后通過混合采集的正常高粱和霉變高粱光譜數(shù)據(jù)進行模型匹配，驗證結(jié)果如下圖。
如上圖驗證結(jié)果表明，基于光譜成像技術并結(jié)合機器學習模型訓練方法能夠準確地實現(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效率與準確度。
高光譜成像技術可捕捉遠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、篩選應用廣泛，也是未來成像技術主要發(fā)展方向之一。深圳市中達瑞和科技有限公司作為國內(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、光譜軟件和光譜智能云平臺，產(chǎn)品與技術在科學研究、精準農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、工業(yè)檢測、資源勘探、生物醫(yī)學、食品安全等領域得到廣泛應用。未來，中達瑞和將持續(xù)攻難克堅，推動光譜成像技術從高端科研到工業(yè)應用、并最終到消費級應用，為各行業(yè)實現(xiàn)光譜數(shù)字化、智能化賦能。
