基于高光谱成像技术和主成分分析对粉葛年限的鉴别

作     者：胡会强 位云朋 徐华兴 张蕾 毛晓波 赵宇平 HU Hui-qiang;WEI Yun-peng;XU Hua-xing;ZHANG Lei;MAO Xiao-bo;ZHAO Yun-ping

作者机构：郑州大学电气工程学院河南郑州450001 中国中医科学院中药资源中心北京100020 

出 版 物：《光谱学与光谱分析》 (Spectroscopy and Spectral Analysis)

年 卷 期：2023年第43卷第6期

页      面：1953-1960页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0835[工学-软件工程] 081202[工学-计算机软件与理论] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家中医药管理局中医药创新团队及人才支持计划项目(ZYYCXTD-D-202205) 国家重点研发计划项目(2020YFC2006100) 中央本级重大增减支项目(2060302-2101-16)资助 

主　　题：高光谱成像 年限鉴别 机器学习 主成分分析 

摘      要：粉葛是一种药食两用的植物,含葛根素、淀粉、纤维素、维生素等,具有极高的药用和食用价值。相关研究表明粉葛中化学成分的含量与其生长年限密切相关。目前对粉葛年限鉴别主要依靠传统的理化技术,其操作周期长,破坏样品的完整性,无法快速批量检测。高光谱成像技术(HIS)的发展为粉葛年限的快速、无损鉴定提供了新思路。为了避免因生长年限不足而导致粉葛质量问题,采用高光谱成像技术结合机器学习对其年限进行鉴别。然而高光谱图像数据存在冗余性,所含数据量巨大,且波段之间高度相关,容易对后续的分类效果产生影响。采用主成分分析法(PCA)对高光谱数据进行特征提取,并基于全波段和PCA降维后的数据建立了支持向量机(SVM)、逻辑回归(LR)、多层感知机(MLP)、随机森林(RF)四种分类模型,旨在实现对不同年限粉葛的精准鉴别。使用全波段数据建模时,四种不同的分类模型在不同镜头下测试集的精度分别为78.09%、77.03%、81.43%、72.09%;93.11%、93.79%、94.23%、89.77%。其中MLP模型在SN0605VNIR(VNIR)与N3124SWIR(SWIR)镜头下均取得的了最好的效果。使用PCA降维后的数据建模时,四种不同的分类模型在两个镜头下的测试集精度分别为96.12%、87.53%、95.02%、93.41%;99.26%、97.09%、99.16%、97.91%,其中SVM模型在VNIR和SWIR镜头下均取得了最优的预测精度。结果表明,基于PCA构建的模型能优化数据质量,有效降低波段冗余,进一步提高模型分类性能。对模型参数进一步分析,探究了主成分占比对四种模型预测精度的影响。在VNIR镜头下,四种模型的测试集准确率达最高时,其主成分占比分别为65%、75%、80%、45%;在SWIR镜头下,四种模型的测试集准确率达最高时,其主成分所占比分别为20%、60%、35%、30%。其中,PCA-SVM模型的综合效果最佳,在主成分所占比为20%时达到了较高的预测精度(99.28%)。研究结果表明,高光谱成像技术结合机器学习能够实现对粉葛年限的快速、无损、准确鉴别。