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基于X射线成像技术的核桃品种判别及品质检测研究

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基于X射线成像技术的核桃品种判别及品质检测研究

作者：高庭耀山西农业大学

学位级别：硕士

核桃营养价值丰富,还有很高的食疗价值和药用价值,有长寿果之美誉。作为特色优势农产品,近年来核桃产业高速发展,提升和改进核桃分选检测技术成为提高我国核桃商品价值一个重要环节。为此,本研究以核桃为研究对象,利用X射线成像技术和... 详细信息

核桃营养价值丰富,还有很高的食疗价值和药用价值,有长寿果之美誉。作为特色优势农产品,近年来核桃产业高速发展,提升和改进核桃分选检测技术成为提高我国核桃商品价值一个重要环节。为此,本研究以核桃为研究对象,利用X射线成像技术和图像处理技术获取核桃的内部特征信息,建立品种、品质判别模型和重量预测模型,为核桃分选设备的研发提供了理论基础。主要研究内容和结论如下:（1）为实现核桃品种检测识别,基于X射线成像技术采集核桃样本的X射线图像,通过巴特沃斯高通滤波器对图像预处理,利用形态学和逻辑学算法去除图像背景;然后采用灰度差分统计、灰度共生矩阵和方向梯度直方图特征共提取59个纹理特征参数,提取面积、周长、圆形度、矩形度、长宽比以及几何不变矩共12个形状特征参数。最后分别利用极限学习机（ELM）和概率神经网络（PNN）建立核桃的双品种判别模型和多品种判别模型。结果表明ELM模型的判别效果优于PNN模型,双品种判别模型的准确率均高于90%,多品种判别模型的准确率为88.76%。（2）为实现空壳核桃和干瘪核桃检测识别,基于X射线成像技术采集“礼品2号”核桃的X射线图像,依次称取核桃重量和核桃仁重量,计算出仁率。然后将核桃划分为空壳核桃、干瘪核桃和正常核桃。对采集到的X射线图像进行预处理和图像分割,设置训练集和测试集,构建不同的卷积神经网络判别模型,分析比较优化器类型、初始学习率、正则化系数和Dropout优化对模型性能的影响。结果表明,卷积层为4层、池化层为4层、批量尺寸为128时,模型稳定且取得较好的判别结果。最终确定选择优化器为Sgdm、初始学习率为0.001、正则化系数为0.001和添加Dropout层后的卷积神经网络模型为最优模型,模型的准确率达到96.58%,其中空壳核桃和正常核桃的检测准确率为100%,干瘪核桃的检测准确率为89.75%。模型取得较好的预测效果,也有效防止了模型的过拟合。开发空壳核桃分选检测系统,将MATLAB强大的图像处理和计算功能运用于Lab VIEW中,验证系统的稳定性。结果表明正常核桃和空壳核桃的识别率可达100%,干瘪核桃的识别率为93.33%,可实现空壳核桃和干瘪核桃的检测,为核桃内部品质的在线检测设备研究提供了理论基础。（3）由于核桃密度相对不恒定,为提升核桃重量预测的精度和实现核桃的精选分级,基于X射线成像技术对核桃及核桃仁的重量进行预测分析。通过图像处理技术分别提取出核桃和核桃仁形状特征参数,采用PLS和RBF两种建模方法建立了以核桃特征参数、核桃仁特征参数、核桃与核桃仁整体特征参数、核桃与核桃仁优选特征参数的重量预测模型。结果表明,采用CARS算法优选出核桃的面积、长宽比、紧凑度和核桃仁的面积、周长为特征参数,建立的重量预测模型最优,CARS-PLS和CARS-RBF核桃重量预测模型的决定系数分别为0.8454和0.8604,RPD分别为1.7689和1.8624;CARS-PLS和CARS-RBF核桃仁重量预测模型的决定系数分别为0.7619和0.7758,RPD分别为1.4394和1.4788。采用整体特征参数建立的模型也取得较好的预测效果,而采用单独的核桃特征参数或核桃仁特征参数建立的模型稳定性差、精度低,无法实现重量检测。

关键词：核桃 X射线成像技术品种判别品质检测重量检测

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基于X射线成像技术的核桃内部品质检测研究

农业机械学报 2021年

作者：张淑娟高庭耀任锐孙海霞山西农业大学农业工程学院

针对目前我国核桃内部品质混杂导致的出口受阻问题，提出利用X射线成像技术结合卷积神经网络对核桃内部品质进行快速检测。对获取到的核桃X射线图像进行预处理和数据扩充，采用GoogLeNet、ResNet 101、MobileNet v2和VGG 19共4种迁移学...

针对目前我国核桃内部品质混杂导致的出口受阻问题，提出利用X射线成像技术结合卷积神经网络对核桃内部品质进行快速检测。对获取到的核桃X射线图像进行预处理和数据扩充，采用GoogLeNet、ResNet 101、MobileNet v2和VGG 19共4种迁移学习模型构建卷积神经网络，对核桃数据集进行训练。通过预测集准确率、预测损失值、测试集准确率以及运行时间对模型进行分析，优化模型参数，开发核桃内部品质检测分选系统并进行模型验证。研究结果表明：GoogLeNet模型学习率设置为0.001，迭代次数设置为25次时预测效果最优，预测准确率为96.67%。系统验证结果表明：空壳核桃的判别准确率达到100%，平均判别准确率为96.39%。该系统可实现核桃内部品质的无损检测分选。

关键词：

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基于X射线图像的核桃品种识别方法研究

食品科技 2020年第11期45卷 284-288页

作者：高庭耀张淑娟孙鹏赵华民孙海霞牛瑞敏山西农业大学农业工程学院山西太谷030800 山西万科医用设备有限公司山西太谷030800

针对核桃品种混杂问题,研究基于X射线成像技术的核桃品种识别方法。采集不同核桃品种的X射线图像,并对图像进行预处理和背景分割;采用多种方法提取图像的纹理特征和形状特征,共计71个特征参数。分别利用极限学习机(ELM)和概率神经网络(P... 详细信息

针对核桃品种混杂问题,研究基于X射线成像技术的核桃品种识别方法。采集不同核桃品种的X射线图像,并对图像进行预处理和背景分割;采用多种方法提取图像的纹理特征和形状特征,共计71个特征参数。分别利用极限学习机(ELM)和概率神经网络(PNN)建立核桃的品种判别模型。结果表明:在核桃品种判别的所有模型中,老树核桃被误判的个数最多,识别率有待提高,ELM判别模型整体识别率优于PNN判别模型;在3种核桃的判别过程中,ELM判别模型的总体判别率达到88.76%。因此基于X射线成像技术能有效判别核桃品种,为实现核桃品种自动分选提供了新的研究方向。

关键词： X射线成像技术品种判别概率神经网络极限学习机核桃

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二维相关光谱的鲜核桃青皮含水率检测

食品科技 2021年第1期46卷 275-279页

作者：孙海霞张淑娟李成吉陈彩虹高庭耀牛瑞敏山西农业大学农业工程学院山西太谷030801

青皮含水率是衡量鲜食核桃新鲜度的重要指标,研究基于可见/近红外光谱技术进行鲜核桃的二维相关光谱分析,以实现青皮含水率的检测。利用4种预处理方法进行光谱数据预处理,经MSC预处理后所建模型的预测结果最好,预测集的决定系数(Rp2)和... 详细信息

青皮含水率是衡量鲜食核桃新鲜度的重要指标,研究基于可见/近红外光谱技术进行鲜核桃的二维相关光谱分析,以实现青皮含水率的检测。利用4种预处理方法进行光谱数据预处理,经MSC预处理后所建模型的预测结果最好,预测集的决定系数(Rp2)和均方根误差(RMSEP)分别为0.9244和1.23%。在此基础上,进行不同时间下鲜核桃的二维相关光谱分析,优选出7个自相关峰对应的波长(732、560、680、1471、1958、2315、1068 nm)为特征波长。然后,利用最小二乘支持向量机(LS-SVM)建立鲜核桃青皮含水率的预测模型,结果表明所建LS-SVM模型得到了较优的预测结果(Rp2=0.9146,RMSEP=1.32%)。二维相关的可见/近红外光谱分析可实现鲜核桃青皮含水率预测,为鲜核桃品质无损检测方法的研究提供了基础。

关键词：二维相关光谱鲜核桃含水率检测

基于可见/近红外光谱对不同产地晋虞1号桃SSC含量的检测研究

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山西农业大学学报（自然科学版） 2019年第5期39卷 106-112页

作者：赵旭婷张淑娟孙海霞邢书海李成吉陈彩虹高庭耀山西农业大学工学院

[目的]本文利用可见/近红外光谱定量检测山西省不同产区晋虞1号桃的可溶性固形物(Soluble solids content,SSC)含量,旨在建立一个简单有效、适应性能好的校正模型为后续在线检测设备的开发与利用提供模型参考。[方法]采集3个产区桃的可... 详细信息

[目的]本文利用可见/近红外光谱定量检测山西省不同产区晋虞1号桃的可溶性固形物(Soluble solids content,SSC)含量,旨在建立一个简单有效、适应性能好的校正模型为后续在线检测设备的开发与利用提供模型参考。[方法]采集3个产区桃的可见/近红外漫反射光谱,选择不同的预处理方法消除客观因素对原始光谱的影响,比较发现SG平滑+多元散射校正(multiplicative scatter correction,MSC)预处理方法建模结果最优。采用Kennard-Stone算法以3 ∶1比例划分样品集,其中校正集270个用于建立PLS模型,预测集90个用于评价模型性能。为了简化模型运算量、提高模型预测性能使用蒙特卡罗无信息变量消除(Monte Carlo uninformative variables elimination,MC-UVE)与连续投影算法(Successive projection algorithm,SPA)相结合筛选有效特征波长。最后,比较了偏最小二乘(Partial least squares,PLS)算法所建单一产地和混合产地下晋虞1号桃SSC含量可见/近红外光谱模型的预测能力。[结果]与单一产地和两两混合产地模型相比,混合3产地桃校正集样本建立的模型预测效果最好,预测的相关系数(Rp)和预测的均方根误差(RMSEP)分别为0.949和0.652 °Brix。[结论]利用多个产地的晋虞1号桃样本建立的混合模型具有较强的包容性,可提高对晋虞1号桃SSC含量的预测精度,减小产地差异对SSC含量可见/近红外光谱检测的影响。本文可为山西省内晋虞1号桃内部品质SSC含量的无损检测模型提供了理论基础。

关键词：晋虞1号桃可见/近红外光谱产地可溶性固形物

基于高光谱成像技术的鲜食核桃仁水分检测研究

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农业工程 2021年第1期11卷 58-61页

作者：牛瑞敏张淑娟陈彩虹孙海霞高庭耀山西农业大学农业工程学院山西晋中030800

为实现对货架期内青皮核桃仁水分的快速预测,利用高光谱成像技术采集货架期核桃青皮光谱数据,测定核桃仁含水量,利用连续投影法(SPA)提取11个特征波长,建立了偏最小二乘法(PLS)、多元线性回归(MLR)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)模型。... 详细信息

为实现对货架期内青皮核桃仁水分的快速预测,利用高光谱成像技术采集货架期核桃青皮光谱数据,测定核桃仁含水量,利用连续投影法(SPA)提取11个特征波长,建立了偏最小二乘法(PLS)、多元线性回归(MLR)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)模型。结果表明,LS-SVM建模效果最好,预测集的相关系数RP=0.800 7,均方根误差RRMSEP=2.189 7。研究表明,利用高光谱成像技术可以实现货架期青皮核桃仁水分快速预测,为青皮核桃的贮运销提供指导。

关键词：高光谱成像青皮核桃货架期水分

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高粱机械化收获试验分析与收获机选型

农业技术与装备 2020年第4期 49-51页

作者：张建勋刘利珍高庭耀李建兵李彦平山西省吕梁市农机局山西吕梁033000 山西农业大学工学院山西太谷030801 山西省汾阳市农机局山西汾阳032200 山西省柳林县农机局山西柳林033300

由于酿造汾酒需要大量高粱的原因,高粱在山西汾阳市每年有大面积种植,解决高粱全程机械化问题,尤其是高粱机械化收获的问题已显得非常重要。在汾阳市高粱收获期,采用雷沃谷神GM80(4LZ-8M)谷物联合收割机和巨明4LZ-8.0A型自走式谷物联合... 详细信息

由于酿造汾酒需要大量高粱的原因,高粱在山西汾阳市每年有大面积种植,解决高粱全程机械化问题,尤其是高粱机械化收获的问题已显得非常重要。在汾阳市高粱收获期,采用雷沃谷神GM80(4LZ-8M)谷物联合收割机和巨明4LZ-8.0A型自走式谷物联合收割机进行高粱收获损失、含杂、破损和未脱壳试验,数据分析表明:巨明4LZ-8.0A型自走式谷物联合收割机,其作业质量更接近相关行业标准,其损失率为4.1%、含杂率为6.8%、破损率为2.7%、未脱壳率为15.8%。该研究可以为高粱产业的发展提供技术装备支撑。

关键词：高粱机械化收获试验收获机选型

有机肥等氮替代对巢湖流域稻麦产量及土壤肥力的影响

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农业资源与环境学报 2024年

作者：刘莹李陈骆美高庭峰范松马友华朱林农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室安徽农业大学资源与环境学院巢湖市农业环保站

为推动巢湖流域秸秆及畜禽粪便资源化利用，建立巢湖流域稻麦轮作区有机肥替代化肥技术模式，以巢湖地区典型稻-麦轮作体系为对象，本研究设置8个处理，分别为CK(不施肥)、CF(常规施肥)以及100%、50%、30%猪粪和秸秆等氮替代化肥处理，... 详细信息

为推动巢湖流域秸秆及畜禽粪便资源化利用，建立巢湖流域稻麦轮作区有机肥替代化肥技术模式，以巢湖地区典型稻-麦轮作体系为对象，本研究设置8个处理，分别为CK(不施肥)、CF(常规施肥)以及100%、50%、30%猪粪和秸秆等氮替代化肥处理，对稻麦产量、肥料利用效率及土壤肥力进行分析。结果表明：50%秸秆有机肥替代处理下，小麦和水稻产量最高，分别为4 611.11、10 364.44 kg·hm-2，相较于常规处理无显著差异。100%有机肥替代处理显著降低作物产量(P<0.05)。秸秆有机肥替代处理下，小麦、水稻平均产量高于猪粪有机肥替代处理。50%有机替代处理有效提高了小麦、水稻季氮、磷素偏生产力，相较于常规处理，小麦季氮素、磷素偏生产力平均提高14.65%、4.35%，水稻季平均增幅为13.14%、4.63%。100%有机替代处理则显著降低了作物养分吸收利用率(P<0.05)。有机肥等氮替代能有效提高土壤pH及养分含量，并与替代比例呈正相关。综合分析稻-麦生长情况及土壤理化性质，有机肥等氮替代化肥在本试验条件下是适宜巢湖流域稻-麦轮作生长的化肥减量增效模式。

关键词：有机肥水稻小麦产量土壤肥力养分吸收

考虑执行器饱和的复杂动态网络鲁棒采样切换控制

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测控技术 2024年第7期43卷 85-92页

作者：李洁庆高庭海盐县三地自来水有限公司浙江嘉兴314300 海盐县水务投资集团有限公司浙江嘉兴314300

随着计算机和网络技术的发展,复杂动态网络鲁棒采样切换控制受到广泛关注。探讨了在执行器饱和情况下不确定切换复杂动态网络的非周期采样控制问题。由于采样间隔上限受到停留时间的限制,采样数据控制器模式和系统模式之间的异步问题可... 详细信息

随着计算机和网络技术的发展,复杂动态网络鲁棒采样切换控制受到广泛关注。探讨了在执行器饱和情况下不确定切换复杂动态网络的非周期采样控制问题。由于采样间隔上限受到停留时间的限制,采样数据控制器模式和系统模式之间的异步问题可能是由采样间隔内切换的子系统引起的。通过考虑无切换的采样间隔和有切换的采样间隔,分别构建了参数相关的李雅普诺夫闭环泛函。在平均停留时间的定义下,借助所构造的泛函,给出了不确定切换复杂动态网络误差系统的均方指数稳定性判据。此外,基于稳定性准则,针对执行器饱和情况下的不确定切换复杂动态网络,设计了全新的异步非周期采样控制器。根据提出的稳定性条件并采用非周期采样控制器设计方法,保证了不确定切换复杂动态网络与目标节点指数同步。最后,将利用蔡氏电路的算例与其他类似方法进行了对比,验证了所提方法的有效性,同时证明了利用所提方法得到的最大允许采样区间较大。

关键词：复杂动态网络执行器饱和鲁棒控制李雅普诺夫泛函稳定性分析