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基于高光譜成像技術(shù)的新疆紅棗產(chǎn)地溯源應用研究
發(fā)布時間：2021-11-11
新疆紅棗為新疆特有的地理標志產(chǎn)品之一,被 稱為“黃金壽棗”,具有補氣養(yǎng)血的功效。民間有“一日食仨棗,百歲不顯老”之說,高度贊揚了紅棗的食補功效。不同產(chǎn)地的紅棗,由于土壤、水質(zhì)和氣候等影響因素不同,在形狀、色澤和品質(zhì)等方面具有一定差異;不同產(chǎn)地的紅棗,其生物學特性不同,且其口感、所含微量元素和營養(yǎng)價值等也不盡相同,而這些差異無法通過肉眼直接進行辨別。
如何建立快速、有效、實用的新疆紅棗識別方法，是保證紅棗及其產(chǎn)品品質(zhì)、健康發(fā)展新疆紅棗產(chǎn)業(yè)亟待解決的問題。目前，對于紅棗的鑒別主要依賴人工從外觀進行鑒別（大小、形狀、色澤等）以及利用化學方法檢測內(nèi)部品質(zhì)指標，具有較強的主觀性、鑒別誤差較大，效率低，耗時成本也高，難以滿足批量檢測需要。因此,急需一種新的檢測方法來對紅棗品種進行快速無損檢測。
高光譜成像技術(shù)
高光譜成像技術(shù)是融合了成像技術(shù)和光譜技術(shù)優(yōu)點的一種新興檢測技術(shù)，具有無損、無接觸、快速等技術(shù)特點，可以同時獲得檢測對象內(nèi)、外部品質(zhì)特征的光譜信息與空間信息。該技術(shù)早期主要應用于空間遙感與測量,近年來已逐步應用于精準農(nóng)業(yè)、工業(yè)分選、生態(tài)環(huán)境、資源勘探、文物保護、醫(yī)學醫(yī)療等領域。本案例主要采用對新疆不同產(chǎn)地的紅棗進行光譜采集與分析，通過高光譜大數(shù)據(jù)云平臺進行模型訓練與匹配，實現(xiàn)紅棗產(chǎn)地溯源。
高光譜數(shù)據(jù)采集分析設備
SCI系列產(chǎn)品由深圳市中達瑞和自主研發(fā)，是以搭載SHIS系列高光譜成像儀為核心、高度集成化的臺式高光譜成像系統(tǒng)，利用其廣泛的光譜范圍和靈活的軟硬件優(yōu)勢，采用非破壞、非接觸式的鑒定手段，實現(xiàn)對不同物質(zhì)進行高清晰度的高光譜數(shù)據(jù)采集和分析處理，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)手段較難觀察到的細節(jié)特征。系統(tǒng)集成多軸光源、專用平臺、高光譜成像、光譜/圖像分析為一體，可針對不同的研究對象和目標，建立多尺度實施光譜成像數(shù)據(jù)的獲取-處理-分析的一體化業(yè)務流程。
SCI系列臺式高光譜成像系統(tǒng)
實驗樣本
實驗所用新疆紅棗樣本分別為阿拉爾灰棗、皮山有機灰棗、且末灰棗、若羌灰棗、澤普灰棗，采用短波紅外波段來進行測試（920nm～1700nm），每個品種采集了30個樣本，混合在一起采集30個樣本。
五種紅棗樣本可見光圖
五種紅棗高光譜采集圖
五種紅棗高光譜曲線對比圖
在五種紅棗采集樣本中，隨機取了幾十個譜線進行對比，可以看出，五種紅棗的光譜曲線差異比較明顯。
數(shù)據(jù)模型創(chuàng)建與訓練
通過中達瑞和高光譜大數(shù)據(jù)分析云平臺，把采集的五種紅棗數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)集中，對多個樣本進行標注，數(shù)據(jù)分析和模型訓練，然后就5種放在一起采樣的數(shù)據(jù)進行模型匹配與判斷，得到結(jié)果與實際紅棗產(chǎn)地相符，如下圖所示。
第一排（左到右）:皮山有機灰棗、阿拉爾灰棗和澤普灰棗；第二排（左到右）：若羌灰棗和且末灰棗
因此，通過如上實驗測試結(jié)果表明,基于高光譜技術(shù)并結(jié)合機器學習模型訓練方法能夠無損、準確地鑒別新疆紅棗的產(chǎn)地，可為新疆紅棗工業(yè)化批量檢測提供一種高效、科學的檢測手段和鑒別依據(jù)。
