西瓜品質(zhì)可見-近紅外光譜無損檢測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、水果品質(zhì)在線檢測(cè)與分級(jí)處理是農(nóng)業(yè)工程界的重要研究課題，對(duì)于滿足消費(fèi)者對(duì)水果安全的要求，提高水果產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)值與競(jìng)爭(zhēng)力，增加農(nóng)民收入都具有重大意義。西瓜是人們喜愛的水果之一，世界上有90多個(gè)國(guó)家廣泛種植，我國(guó)西瓜年總產(chǎn)量在3500萬噸以上，居世界首位，但出口量在世界貿(mào)易中的份額甚小，基本屬于自產(chǎn)自用，西瓜在外貿(mào)出口方面尚存在巨大潛力。影響西瓜出口貿(mào)易的一個(gè)重要因素是我國(guó)對(duì)出口的西瓜沒有科學(xué)的手段可以保證質(zhì)量，另外，隨著人們生活水平的不斷提

2、高，消費(fèi)者在選購西瓜時(shí)越來越對(duì)其內(nèi)部品質(zhì)，如口感、甜度和其它營(yíng)養(yǎng)成分挑剔。表征西瓜品質(zhì)的主要指標(biāo)是可溶性固形物含量(與甜度有關(guān))，另外口感沙脆(與堅(jiān)實(shí)度有關(guān))、內(nèi)部組織是否疏散、有空洞(與密度有關(guān))也是人們所關(guān)心的指標(biāo)。西瓜常見的無損檢測(cè)方法仍是以人工挑選為主，由主觀因素帶來的影響是不可避免的，采用技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上適用的無損檢測(cè)方法非常迫切，本文在這一背景下開展西瓜品質(zhì)可見/近紅外光譜無損檢測(cè)技術(shù)研究，主要研究?jī)?nèi)容如下： 1.

3、闡述了用于西瓜品質(zhì)檢測(cè)的幾種方法，分析了這些方法在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上和經(jīng)濟(jì)適用性上存在的局限性。利用密度法進(jìn)行檢測(cè)、利用聲學(xué)和振動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行檢測(cè)和利用核磁共振成像技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)是西瓜品質(zhì)無損檢測(cè)中常見的幾種方法，本文綜述了這些方法的研究概況，并對(duì)這些方法在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上和經(jīng)濟(jì)適用性上存在的局限性進(jìn)行了分析； 2.構(gòu)建了適合西瓜內(nèi)部品質(zhì)無損檢測(cè)的光源裝置和光譜采集系統(tǒng)。根據(jù)西瓜內(nèi)部組織成分分布不均勻、果型大且果皮厚的特點(diǎn)，對(duì)比分析了常見的幾種可

4、見/近紅外光譜檢測(cè)方式，選用漫透射作為西瓜光譜檢測(cè)方式，并構(gòu)建了適合西瓜內(nèi)部品質(zhì)無損檢測(cè)的光源裝置和光譜采集系統(tǒng)； 3.研究了果型差異對(duì)建模結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，并提出三種方法消除或減小這一影響因素。針對(duì)西瓜果型大且差異顯著的特點(diǎn)，研究果型差異對(duì)可見/近紅外光譜以及建模與預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，并提出三種方法消除或減小這一影響因素，分別是分級(jí)消除法、體積平均法和基于體積的正則化(或正規(guī)化)方法，其中基于體積的正則化(或正規(guī)化)方法，更適

5、合在線生產(chǎn)應(yīng)用，該方法使果型大小差異明顯樣品的原始光譜、一階微分光譜、二階微分光譜在對(duì)可溶性固形物含量檢測(cè)時(shí)，采用偏最小二乘法的建模與預(yù)測(cè)結(jié)果由原來的校正相關(guān)系數(shù)r分別為0.716、0.793、0.848提高到r分別為0.789、0.858、0.947，均方根校正標(biāo)準(zhǔn)偏差RMSEC由原來的0.678、0.592、0.515分別降為0.596、0.499、0.313，均方根預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差RMSEP由原來的0.825、0.764、0.714分

6、別降為0.606、0.686、0.4.13； 4.研究了果皮對(duì)西瓜漫透射光譜與建模結(jié)果的影響。針對(duì)西瓜果皮較厚的特點(diǎn)，對(duì)去皮西瓜與帶皮西瓜進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)果皮對(duì)光譜的影響主要集中在可見光部分(650-750nm)，對(duì)可溶性固形物含量采用偏最小二乘法進(jìn)行分段建模并沒有有效消除果皮的影響，對(duì)比研究去皮西瓜與完整西瓜光譜在650-950nm范圍內(nèi)的建模結(jié)果，完整西瓜二階微分光譜校正模型相關(guān)系數(shù)r為0.949，RMSEC為0.29

7、2，去皮西瓜校正模型相關(guān)系數(shù)r為0.973，RMSEC為0.214，果皮對(duì)建模結(jié)果的影響并不嚴(yán)重，完整西瓜的建模結(jié)果可以滿足檢測(cè)要求； 5.試驗(yàn)研究光照強(qiáng)度對(duì)光譜與建模結(jié)果的影響。針對(duì)西瓜實(shí)現(xiàn)可見/近紅外光譜無損檢測(cè)需要較高能量光源的特點(diǎn)，采用不同光照強(qiáng)度(600W，1000W)觀察西瓜漫透射光譜的變化，分析光照強(qiáng)度對(duì)建模結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)在不損傷西瓜表皮的前提下，恰當(dāng)?shù)脑黾庸庹諒?qiáng)度，不僅有助于采集到較為平滑的光譜，而且有助于改

8、善建模效果； 6.試驗(yàn)研究光譜采集部位對(duì)光譜和建模結(jié)果的影響。為了在對(duì)西瓜的光譜采集中選擇最合適的光譜采集部位，并根據(jù)西瓜縱徑先發(fā)育完畢后，再橫向增重發(fā)育的特點(diǎn)，分別選擇花萼部位、靠近花梗部位和赤道部位作為光譜采集部位對(duì)“麒麟”瓜和“早春紅玉”瓜進(jìn)行光譜采集，考察采集部位不同光譜的變化和對(duì)建模結(jié)果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，上述各部位采集的光譜都可以取得較好的建模結(jié)果，并沒有明確規(guī)律表明，具體在某個(gè)采集部位采集到的光譜可以建立更好的預(yù)

9、測(cè)模型； 7.試驗(yàn)研究可見/匠紅外光譜技術(shù)對(duì)西瓜物理指標(biāo)的檢測(cè)。密度和堅(jiān)實(shí)度是西瓜的兩個(gè)重要物理指標(biāo)，堅(jiān)實(shí)度與西瓜的口感是否沙脆有關(guān)，密度與西瓜內(nèi)部組織是否有空洞有關(guān)，試驗(yàn)研究表明二階微分光譜采用偏最小二乘法對(duì)密度的建模與預(yù)測(cè)結(jié)果分別為校正相關(guān)系數(shù)，為0.910，RMSEC為0.015，RMSEP為0.018，二階微分光譜正則化處理后，采用偏最小二乘法對(duì)堅(jiān)實(shí)度的建模與預(yù)測(cè)結(jié)果分別為校正相關(guān)系數(shù)r為0.916，RMSEC為0.30

10、8，RMSEP為0.515； 8.對(duì)未經(jīng)乙烯處理和經(jīng)乙烯處理的西瓜進(jìn)行了基于可見/近紅外漫透射光譜的分類試驗(yàn)研究。針對(duì)國(guó)內(nèi)常有瓜農(nóng)采摘遠(yuǎn)離成熟期的西瓜，采用高濃度乙烯處理，誘導(dǎo)其快速成熟的現(xiàn)象，對(duì)未經(jīng)乙烯處理和經(jīng)乙烯處理的西瓜進(jìn)行了基于可見/近紅外漫透射光譜的分類試驗(yàn)研究，在判別分析中，提出一種簡(jiǎn)單的透過率之比判別分析法，對(duì)未經(jīng)乙烯處理樣品的誤判率為32.5％，經(jīng)乙烯處理樣品的誤判率為20％：采用馬氏距離判別分析和偏最小二乘法判

11、別分析都可以取得理想的判別結(jié)果，一階微分光譜經(jīng)Norris微分濾波處理后，利用馬氏距離判別，判別結(jié)果為未經(jīng)乙烯處理樣品校正集誤判率1.67％，預(yù)測(cè)集、經(jīng)乙烯處理樣品校正集、預(yù)測(cè)集均沒有出現(xiàn)誤判的情況；二階微分光譜利用偏最小二乘法判別，沒有誤判情況發(fā)生； 9.研究不同建模方法在西瓜品質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)中的建模與預(yù)測(cè)效果。對(duì)比分析了實(shí)際應(yīng)用中常見的幾種可見/近紅外光譜建模方法(經(jīng)典最小二乘法、逐步多元線性回歸、主成分回歸和偏最小二乘法)對(duì)西

12、瓜光譜和品質(zhì)指標(biāo)的建模效果和預(yù)測(cè)效果，結(jié)果表明偏最小二乘法是最適合的建模方法； 10.構(gòu)建運(yùn)動(dòng)西瓜光譜采集系統(tǒng)，分析運(yùn)動(dòng)引起的噪聲對(duì)光譜的影響，對(duì)光譜的平滑消噪方法進(jìn)行研究。為使可見/近紅外漫透射光譜技術(shù)用于西瓜品質(zhì)的在線檢測(cè)，改造本實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)加工的運(yùn)動(dòng)西瓜光譜采集系統(tǒng)使之適合運(yùn)動(dòng)西瓜的光譜采集，并進(jìn)行靜態(tài)及運(yùn)動(dòng)西瓜樣品光譜采集，通過對(duì)比兩種狀態(tài)下西瓜的光譜及建模與預(yù)測(cè)結(jié)果，分析由于運(yùn)動(dòng)引起的噪聲對(duì)光譜的影響，并分別采用最小

13、二乘擬合法、Norris微分濾波以及小波變換等方法進(jìn)行了光譜的平滑消噪處理，分析這些方法對(duì)光譜的平滑消噪效果和建模與預(yù)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)Norris微分濾波更適合本系統(tǒng)采集到的西瓜光譜的平滑消噪處理，改善了光譜的平滑性，提高了建模與預(yù)測(cè)精度；建立了運(yùn)動(dòng)西瓜的可溶性固形物含量和密度等品質(zhì)指標(biāo)與可見/近紅外光譜的相關(guān)關(guān)系模型，校正相關(guān)系數(shù)分別為0.865、0.918，均方根校正標(biāo)準(zhǔn)偏差RMSEC分別為0.536、0.016，均方根預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差RM

14、SEP分別為1.030、0.021； 11．開展西瓜可溶性固形物含量在線無損檢測(cè)試驗(yàn)研究。將本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的可見/近紅外光譜水果內(nèi)部品質(zhì)在線檢測(cè)軟件與上述運(yùn)動(dòng)西瓜光譜采集系統(tǒng)組合組成水果內(nèi)部品質(zhì)在線無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)可見/近紅外光譜在線檢測(cè)的工作原理和流程，簡(jiǎn)單的光譜預(yù)處理方法、可見/近紅外光譜的建模方法，開展西瓜可溶性固形物含量的在線無損檢測(cè)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)平臺(tái)已基本具備西瓜在線檢測(cè)的要求，但仍有部分功能尚未完善