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基于高光谱技术的苹果炭疽病早期诊断方法研究

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基于高光谱技术的苹果炭疽病早期诊断方法研究

作者：崔惠桢华东交通大学

学位级别：硕士

苹果炭疽病是苹果常见的疾病之一,在感染早期,感染性状不明显,但随着感染时间变长,感染区域性状与青霉病、碰伤果实类似,感染区域失水并且颜色变深,如果不能对早期感染炭疽病的苹果及时检测,感染的果实会很快地传染其他优质果实;并且根... 详细信息

苹果炭疽病是苹果常见的疾病之一,在感染早期,感染性状不明显,但随着感染时间变长,感染区域性状与青霉病、碰伤果实类似,感染区域失水并且颜色变深,如果不能对早期感染炭疽病的苹果及时检测,感染的果实会很快地传染其他优质果实;并且根据苹果炭疽病果实感染时间不同,可以推断感染原因,进而更科学、环保地使用不同浓度、容量的农药进行防治。本论文通过高光谱成像技术采集苹果炭疽病、青霉病、碰伤和健康样品以及不同感染时间的苹果炭疽病样品数据,结合化学计量学方法,分别建立定性判别模型,完成对早期苹果炭疽病染病及染病时间的判别。本论文的主要研究内容和结论如下:（1）对苹果炭疽病、青霉病、碰伤果和健康果的感兴趣区域提取光谱,后对四类样品的所有光谱求平均光谱,从平均光谱的波形上看四类样品在光谱上的差异;分别对光谱进行Baseline、MSC、SNV、Normalize、一阶导数及S-G平滑光谱预处理,用K-S算法按3:1的比例划分建模集和预测集,对不同光谱预处理方法的数据进行PLS-DA、PCR、LS-SVM及RF模型的建立,对比所有模型,得出对早期苹果炭疽病、青霉病、碰伤以及健康果判别的最优模型为经过一阶导数光谱预处理的RF模型,整体判别正确率为99.1%。（2）对染病时间为24h、48h、72h以及96h的苹果炭疽病染病样品提取颜色特征和纹理特征,融合两个特征,基于不同的数据预处理方法建立了不同的定性判别模型;对比所有模型判断正确率,利用图像特征对炭疽病不同染病天数的判别效果不是很理想,基于颜色、图像纹理特征的苹果炭疽病染病时间判别最佳模型为经过Normalize预处理的PCR模型,模型判别正确率为65%。（3）通过提取炭疽病不同染病时间的光谱,取四类样品的平均光谱进行差异性对比,后对光谱进行不同类型的光谱预处理,用K-S算法对光谱数据划分建模集和预测集,对预处理完的光谱通过CARS、UVE、SPA进行特征波长筛选,最后建立LS-SVM、PLSDA和PCR模型。对比所有模型得出结论,基于高光谱光谱特征的不同苹果炭疽病染病时间最优判别模型为UVE-RAW-LS-SVM模型,整体判别正确率为95.8%。研究结果表明:高光谱可以较好地对早期苹果炭疽病染病及不同染病时间做出判别检测,对苹果品质的分选和果品质量的提高有很重要的意义。

关键词：高光谱苹果炭疽病染病时间定性模型特征提取

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基于高光谱技术的蛋白粉掺假检测研究

光谱学与光谱分析 2022年第8期42卷 2380-2386页

作者：李斌殷海张烽崔惠桢欧阳爱国华东交通大学智能机电创新研究院江西南昌330013

蛋白粉是健身者必备的营养补剂,市场需求在不断增加,一些不法商家为了谋取利益,在蛋白粉中加入廉价的粉末售卖。传统的蛋白粉掺杂的检测方法费时、费力,操作复杂,且成本昂贵。高光谱技术具有易于操作、在不损害实验样本的情况下可快速... 详细信息

蛋白粉是健身者必备的营养补剂,市场需求在不断增加,一些不法商家为了谋取利益,在蛋白粉中加入廉价的粉末售卖。传统的蛋白粉掺杂的检测方法费时、费力,操作复杂,且成本昂贵。高光谱技术具有易于操作、在不损害实验样本的情况下可快速检测等优点,因此,提出使用高光谱技术以实现蛋白粉掺假检测。在蛋白粉中分别加入质量百分数5%~60%,浓度间隔5%的三类掺假物(玉米粉、大米粉和小麦粉),并采集所有样本的光谱信息。在对蛋白粉中的玉米粉、大米粉和小麦粉三类掺假物进行定性判别时,首先分别采用卷积平滑(SG)、标准化(Normalize)、多元散射校正法(MSC)、基线校正(Baseline)和标准正态变换(SNV)的预处理方法对光谱数据进行处理,然后建立基于主成分回归(PCR)、反向传播神经网络(BPNN)和随机森林(RF)的模型,其中基于全波段光谱MSC预处理方法下建立的RF模型最优,其整体准确率达到了100%,其对应的R和RMSEP分别为0.9979和0.0189。在对蛋白粉中不同掺假物浓度进行定量分析时,对三类掺假样本的光谱分别进行SG,Normalize,MSC,Baseline和SNV的预处理,并建立LSSVM模型;比较不同预处理方法下的各模型之间的性能,在蛋白粉中掺玉米粉、大米粉和小麦粉的LSSVM预测模型最佳预处理方法分别是无、Baseline和Normalize,然后,采用连续投影算法(SPA)和竞争性自适应重加权算法(CARS)对其筛选,并建立LSSVM模型,三类掺假样本的SPA-LSSVM模型对应的R为0.9890,0.9860和0.9979,CARS-LSSVM模型对应的R为0.9910,0.9946和0.9991,故三类掺假样本的CARS-LSSVM模型预测效果更佳。研究表明:高光谱技术可以实现对蛋白粉掺假的定性、定量的检测,并且操作简单、检测快速和无损。

关键词：高光谱蛋白粉掺假定性鉴别特征波长定量检测

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近红外高光谱的脐橙粒化检测研究

光谱学与光谱分析 2022年第5期42卷 1366-1371页

作者：刘燕德李茂鹏胡军徐振崔惠桢华东交通大学智能机电装备创新研究院江西南昌330013

脐橙粒化影响消费者食用口感,降低品质,受到广大果农和消费者的关注。脐橙粒化的检测是一项具有挑战性的任务,对品质分级具有重大意义。以不同粒化程度的赣南脐橙为研究对象,探究利用高光谱检测实现对赣南脐橙粒化程度定性判别的可行性... 详细信息

脐橙粒化影响消费者食用口感,降低品质,受到广大果农和消费者的关注。脐橙粒化的检测是一项具有挑战性的任务,对品质分级具有重大意义。以不同粒化程度的赣南脐橙为研究对象,探究利用高光谱检测实现对赣南脐橙粒化程度定性判别的可行性。肉眼是无法判断脐橙粒化程度的,因此对脐橙样本做好序号标记后先测光谱再切开判断粒化程度,按照粒化程度分为无粒化(粒化面积为0%)、轻度粒化(粒化面积小于25%)、中度粒化(粒化面积25%~50%),每类各58个脐橙样品。在这三类脐橙底部均匀取3个点,每类174个样本,共计522个样本数据用作构建原始光谱矩阵。利用近红外高光谱成像系统采集样本397.5~1014 nm波段内的高光谱图像信息,再利用ENVI4.5软件通过选择感兴趣区域(ROI)提取样本的平均光谱信息。采用主成分分析(PCA)、连续投影算法(SPA)、无信息变量消除(UVE)三种降维方法对光谱数据进行降维处理,消除无关变量,提取有用信息。原始光谱176个波长,PCA挑选出6个主成分因子,SPA挑选17个特征波长,UVE挑选54个特征波长。以全谱数据和三种降维方法挑选出来的变量作为输入分别建立偏最小二乘判别分析(PLS-DA)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)模型。建立的PLS-DA建模方法,PCA-PLS-DA误判率最高为25.58%,UVE-PLS-DA误判率最低为5.38%。基于RBF-Kernel和LIN-Kernel两种核函数下的LS-SVM建模方法,整体上RBF-Kernel建模效果优于LIN-Kernel,UVE波长筛选后建立的模型效果优于其他降维方法且降低了模型的误判率。基于RBF-Kernel的UVE-LS-SVM模型效果最佳,检测精度最高,分类总误判率为0.78%,达到最佳效果。该研究结果表明建立的模型能很好地对不同粒化程度的脐橙进行判别,该模型仅采用30.68%的数据,在降低光谱空间维度的同时还降低了误判率,对促进脐橙产业的品质分级发展具有一定的现实意义。

关键词：高光谱赣南脐橙粒化程度无信息变量消除

基于可见-近红外光谱技术的苹果糖度光照位置优化研究

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光谱学与光谱分析 2022年第11期42卷 3373-3379页

作者：刘燕德崔惠桢李斌王观田徐振李茂鹏华东交通大学机电与车辆工程学院江西南昌330013

在利用可见-近红外漫透射光谱技术对苹果的可溶性固形物(SSC)检测时,由于卤素灯光照射在苹果上的位置不同,采集到的苹果光谱中所包含的可溶性固形物信息不同,导致模型得出的结果不同;找到一个最好的苹果光照位置有利于得到最佳的可溶性... 详细信息

在利用可见-近红外漫透射光谱技术对苹果的可溶性固形物(SSC)检测时,由于卤素灯光照射在苹果上的位置不同,采集到的苹果光谱中所包含的可溶性固形物信息不同,导致模型得出的结果不同;找到一个最好的苹果光照位置有利于得到最佳的可溶性固形物评价模型。利用多模式可调节的光学结构在相同的实验环境和实验条件下采集了购买于同一水果批发商的尺寸相近但照射位置不同的两批苹果的近红外漫透射光谱,探索苹果可溶性固形物模型建立过程中最佳的照射位置从而得到最佳位置的可溶性固形物评价模型。通过对样品进行光谱采集、糖度真值采集并结合化学计量学方法得出最佳的建模位置,照射位置为上部且光谱没有预处理时的偏最小二乘回归(PLS)模型性能为RMSEC为0.2882,RMSEP为0.3436,R_(c)为0.9606,R_(p)为0.9349;照射位置为斜上部且光谱没有预处理的PLS模型性能为RMSEC为0.3407,RMSEP为0.5133,R_(c)为0.9311,R_(p)为0.8636;照射位置为上部且光谱没有预处理的主成分分析回归(PCR)模型性能为RMSEC为0.5736,RMSEP为0.6014,R_(c)为0.8424,R_(p)为0.8007;照射位置为斜上部且光谱没有预处理的PCR模型性能为RMSEC为0.7092,RMSEP为0.7974,R_(c)为0.7014,R_(p)为0.6707,最佳照射位置为苹果上部;进一步地采用多种预处理方法对照射位置为上部的PLS模型进行对比,得到最优模型为MSC-PLS模型,其RMSEC为0.22644,RMSEP为0.3015,R_(c)为0.9669,R_(p)为0.9499。最后再对相同的46个苹果进行相同的实验操作得到光谱、真值后,代入到建立的MSC-PLS模型中进行外部验证,结果显示外部验证的相关系数为0.93058,验证均方根误差为0.84359,验证了建立的MSC-PLS模型的稳定性和可靠性,进一步表明光谱采集位置为苹果上部时的近红外漫透射模型有很好的预测能力,该研究为预测苹果可溶性固形物的检测提供了技术支持。

关键词：近红外光照位置苹果位置优化可溶性固形物

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基于太赫兹光谱技术的贝母品种鉴别方法研究

光谱学与光谱分析 2021年第11期41卷 3357-3362页

作者：刘燕德徐振胡军李茂鹏崔惠桢华东交通大学机电与车辆工程学院江西南昌330013

贝母是广泛应用于临床实践的中药材,其中川贝母尤为珍贵,存在掺假及伪冒现象,伪劣贝母会对用药者的健康产生不良影响。太赫兹时域光谱(Terahertz time domain spectroscopy)具有瞬态性、宽带性、安全性和穿透性等许多优越特性,近年来在... 详细信息

贝母是广泛应用于临床实践的中药材,其中川贝母尤为珍贵,存在掺假及伪冒现象,伪劣贝母会对用药者的健康产生不良影响。太赫兹时域光谱(Terahertz time domain spectroscopy)具有瞬态性、宽带性、安全性和穿透性等许多优越特性,近年来在药食无损检测领域十分活跃。以四种常见贝母(川贝母、平贝母、伊贝母、浙贝母)为研究对象,探究利用太赫兹时域光谱技术鉴别贝母品种的可行性。利用TAS7500TS太赫兹光谱系统采集贝母样品在0.6~3.0 THz范围内的光谱,并结合化学计量学方法进行预处理与建立分类模型。当分类数量为二时,称为二分类问题,当分类数量超过二时称为多分类问题。利用偏最小二乘判别分析(PLS-DA)建立四种贝母的二分类模型;使用Savitzky-Golay(S-G)平滑、多元散射校正(MSC)、标准正态变量变换(SNV)、移动平均、基线偏移校正(Baseline offset)对原始光谱进行预处理,再采用主成分分析(PCA)对预处理后的数据进行降维,以减少数据运算量、简化运算,最后建立随机森林(RF)、支持向量机(SVM)、反向传播神经网络(BPNN)多分类模型。结果显示:川-伊贝母二分类鉴别模型正确率为93.333%,平-浙贝母二分类鉴别模型正确率为98.333%,其他四种二分类鉴别模型正确率均为100%。对建立的多分类模型进行对比分析发现SVM结合SNV建模效果最好,其中川贝母正确率为95.349%,伊贝母正确率为96.552%,平贝母与浙贝母正确率均为100%,整体正确率高达97.490%。研究结果表明利用太赫兹时域光谱技术鉴别不同品种贝母是可行的,并建立了分类效果较好的SNV-SVM多分类模型,为把控中药材质量提供一种新的手段,对维护中药材市场的正常运转具有重要的意义。

关键词：太赫兹光谱技术贝母二分类多分类

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基于太赫兹时域光谱技术的掺假川贝母检测

农业工程学报 2021年第15期37卷 308-314页

作者：徐振刘燕德胡军李茂鹏崔惠桢占朝辉华东交通大学机电与车辆工程学院南昌330013

目前川贝母粉掺假现象层出不穷,严重影响了中药材市场的健康发展,因此对川贝母真伪进行检测意义重大。该研究以纯品川贝母粉以及5种含不同掺假物的川贝母粉样品为研究对象,探究太赫兹时域光谱技术在检测川贝母品质方面应用的可行性。利... 详细信息

目前川贝母粉掺假现象层出不穷,严重影响了中药材市场的健康发展,因此对川贝母真伪进行检测意义重大。该研究以纯品川贝母粉以及5种含不同掺假物的川贝母粉样品为研究对象,探究太赫兹时域光谱技术在检测川贝母品质方面应用的可行性。利用偏最小二乘判别(Partial Least Squares Discriminant Analysis,PLS-DA)对纯品川贝母粉以及掺假川贝母粉建立原始光谱的二分类模型。为了同时对多种含不同掺假物的川贝母样品进行鉴别,先对原始光谱采用多种单一预处理方法以及多种复合预处理方法进行处理,再利用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)对数据进行降维,最后建立支持向量机(Support Vector Machine,SVM)多分类模型。建立SVM多分类模型时,采用网格搜索(Grid Search)与粒子群(Particle Swarm Optimization,PSO)算法两种参数优化方式,对SVM的惩罚参数(c)与核参数(g)进行优化。结果显示:6个二分类模型的鉴别正确率均为100%,表明纯品川贝母粉与掺假样品的太赫兹时域光谱存在差异,归一化-多元散射校正-PSO-SVM多分类模型效果较为理想,预测正确为95.67%,均方根误差为0.432。该研究可为检测分析川贝母品质提供理论经验借鉴。

关键词：光谱模型支持向量机网格搜索粒子群优化太赫兹时域光谱

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基于太赫兹检测技术的咖啡豆品种鉴别

激光与光电子学进展 2021年第16期58卷 525-530页

作者：刘燕德李茂鹏胡军徐振崔惠桢华东交通大学机电工程学院江西南昌330013

咖啡是世界三大饮料之一,严格把控咖啡品质具有重大意义。以三个不同品种的咖啡豆为对象,利用太赫兹时域光谱技术结合化学计量学实现咖啡豆品种的快速鉴别。采用多种预处理方法减小实验误差,利用主成分分析(PCA)对光谱矩阵进行降维。建... 详细信息

咖啡是世界三大饮料之一,严格把控咖啡品质具有重大意义。以三个不同品种的咖啡豆为对象,利用太赫兹时域光谱技术结合化学计量学实现咖啡豆品种的快速鉴别。采用多种预处理方法减小实验误差,利用主成分分析(PCA)对光谱矩阵进行降维。建立偏最小二乘判别分析(PLS-DA)二分类模型和支持向量机(SVM)、反向传播神经网络(BPNN)、随机森林(RF)多分类判别模型。PLS-DA二分类模型的定性判别效果较为理想,总正确率可达98%;在多分类模型中,基于基线校正建立的SVM模型的效果最佳,总正确率达到98%。本研究表明利用太赫兹光谱技术快速鉴别咖啡豆品种是可行的,建立了较优的基于基线校正后的支持向量机模型,以为太赫兹时域光谱技术在定性检测其他农产品时提供经验参考。

关键词：光谱学太赫兹时域光谱技术咖啡豆定性判别基线校正支持向量机

多模式可调节光学机构的苹果可溶性固形物近红外光谱检测

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光谱学与光谱分析 2021年第7期41卷 2064-2070页

作者：刘燕德王军政姜小刚黎丽莎胡宣崔惠桢华东交通大学机电与车辆工程学院水果智能光电检测技术与装备国家地方联合工程研究中心江西南昌330013

利用多模式可调节的光学机构采集了苹果漫透射、全透射和漫反射三种检测方式的光谱,研究在不同的检测方式下苹果的光谱特征并采用PLS建立苹果可溶性固形物含量SSC预测的模型。首先分别采集每个样品赤道上四点的漫透射、全透射和漫反射光... 详细信息

利用多模式可调节的光学机构采集了苹果漫透射、全透射和漫反射三种检测方式的光谱,研究在不同的检测方式下苹果的光谱特征并采用PLS建立苹果可溶性固形物含量SSC预测的模型。首先分别采集每个样品赤道上四点的漫透射、全透射和漫反射光谱,然后分别使用多元散射校正MSC、基线偏移校正BOC、归一化Normalize和高斯滤波平滑GFS等方法对平均后的120个光谱做预处理,并结合竞争性自适应权重取样CARS法对漫反射光谱进行特征波长筛选,最后采用偏最小二乘法PLS回归建立预测苹果SSC的模型,并另购30个苹果验证模型性能。结果表明,苹果在三种检测方式下采集的光谱吸收峰和波谷所处的波段大致相同,但光谱强度有差异。三种光谱经3点高斯滤波平滑GFS预处理后建立预测苹果SSC含量的模型均取得很好的结果。漫透射的模型性能为R_(cal)=0.972,R_(pre)=0.967和RMSEC=0.436%,RMSEP=0.507%;全透射的模型性能为R_(cal)=0.964、R_(pre)=0.957和RMSEC=0.5%,RMSEP=0.574%;漫反射的模型性能为R_(cal)=0.963,R_(pre)=0.949和RMSEC=0.522%,RMSEP=0.536%;三种光谱经归一化预处理后融合建模的模型性能为R_(cal)=0.894,R_(pre)=0.857和RMSEC=0.836%,RMSEP=0.966%。进一步将漫反射光谱结合CARS算法筛选特征波长,使用119个变量建立模型的性能为R_(cal)=0.986,R_(pre)=0.977和RMSEC=0.323%,RMSEP=0.362%。最后将该模型导入新型多模式可调节的水果检测系统中,使用30个未参与建模的冰糖心苹果检验该模型预测苹果SSC的性能。结果显示30个外部验证集的相关系数为0.906,验证均方根误差为0.707%。进一步表明使用多模式可调节的水果内部品质检测系统采集的漫反射光谱结合光谱预处理、波段筛选算法和偏最小二乘回归方法可以建立较好的模型预测苹果可溶性固形物SSC含量。本研究为苹果的品质检测提供新的技术支持。

关键词：光学机构漫透射全透射漫反射可溶性固形物 CARS 苹果

碱金属阳离子在外加电位下影响单分散铜氮掺杂碳材料催化二氧化碳电还原的机理研究

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Chinese Journal of Chemical Physics 2024年第1期37卷 100-108,I0093-I0102,I0118页

作者：赵刚张国桢中国科学技术大学化学与材料科学学院合肥230026 中国科学技术大学未来技术学院合肥230026 中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心合肥230026

单分散铜氮掺杂碳材料是一类很有希望的二氧化碳电还原催化剂.然而,铜位点周围电极-电解质界面的复杂环境阻碍了人们对该体系机理的全面认识以及在机理基础上的系统性优化.本文建立了一个电双层模型来研究在有外加电位条件下碱金属阳离... 详细信息

单分散铜氮掺杂碳材料是一类很有希望的二氧化碳电还原催化剂.然而,铜位点周围电极-电解质界面的复杂环境阻碍了人们对该体系机理的全面认识以及在机理基础上的系统性优化.本文建立了一个电双层模型来研究在有外加电位条件下碱金属阳离子对单分散铜氮掺杂碳催化剂表面二氧化碳电还原的影响.巨正则系综密度泛函理论计算表明,在相对标准氢电极电势1.2 V的条件下,水合钠离子促进了CO_(2)在Cu位点上的电吸附,使其形成弯曲的二氧化碳负离子;而在足够负的电势条件下,CO_(2)的电吸附(Cu+CO_(2)+e-→Cu-CO_(2)-)而非羧基形成步骤,是钠离子协助下CO_(2)还原为CO反应的决速步.此外,铜与带负电的羧基结合形成类似碳酸氢根的结构,或得益于单价Cu的d10电子构型.研究表明,碱金属阳离子在单分散铜氮掺杂碳上二氧化碳电还原的早期阶段发挥了关键作用,而且恒电势条件的模拟对理解反应机理非常重要.

关键词：阳离子效应二氧化碳电还原恒电势方法第一性原理计算