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基于高光譜技術(shù)的霉變玉米定量檢測方法研究
- 信息來源：彩譜品牌廠家 瀏覽次數(shù)：136 發(fā)表時(shí)間：2023-05-12
- 本研究應(yīng)用了400-1000nm的高光譜相機(jī)，可采用杭州彩譜科技有限公司產(chǎn)品FS13進(jìn)行相關(guān)研究。光譜范圍在400-1000nm，波長分辨率優(yōu)于2.5nm，可達(dá)1200個(gè)光譜通道。采集速度全譜段可達(dá)128FPS，波段選擇后最高3300Hz（支持多區(qū)域波段選擇）。
新鮮玉米在存貯過程中，由于其胚部大、水分含量高、帶菌量多，高溫高濕環(huán)境下極易霉變，不僅給經(jīng)濟(jì)造成重大損失，而且霉變玉米在代謝過程中會產(chǎn)生多種對人體具有極強(qiáng)致病性、致癌性的毒素，危害人畜健康。而目前基于理化實(shí)驗(yàn)分析的霉變玉米檢測方法因存在樣品處理繁瑣、費(fèi)時(shí)、對樣品有破壞性等缺點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)簡單、快速、無損檢測，無法滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。因此，基于高光譜技術(shù)的快速、準(zhǔn)確、無損的霉變玉米檢測研究具有重要意義。黃曲霉毒素B1（aflatoxin B1，AFB1）和玉米赤霉烯酮（zearalenone，ZEN）是霉變玉米內(nèi)生成的2種比較穩(wěn)定的代謝產(chǎn)物，容易在霉變玉米中積累，導(dǎo)致含量升高，AFB1和ZEN的多少與玉米霉變情況密切相關(guān)，也是表征玉米霉變程度的重要指標(biāo)。因此，可以通過監(jiān)測玉米中AFB1和ZEN 含量變化來表征玉米的霉變情況，實(shí)現(xiàn)對玉米霉變程度的準(zhǔn)確評價(jià)。
首先，設(shè)置適宜的溫度和濕度條件，在實(shí)驗(yàn)室的恒溫恒濕培養(yǎng)箱中培育不同霉變等級的玉米樣品。按照國標(biāo)法測定不同霉變等級玉米樣品內(nèi)AFB1和ZEN 含量。同時(shí)采集所有樣本的高光譜圖像并進(jìn)行黑白校正。因?yàn)楸尘霸肼暋㈦s散光等無用信息的存在，原始光譜數(shù)據(jù)會受到一定的影響，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前應(yīng)對原始光譜進(jìn)行預(yù)處理。本文通過對比5種預(yù)處理方法，最終確定采用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量校正（SNV）法為預(yù)處理方法。為提高預(yù)測模型穩(wěn)健性，本研究對樣本集的劃分進(jìn)行研究，對比了隨機(jī)法（RS）、KS（Kennard-Stone）算法、雙向法（Duplex）和光譜-理化值共生距離（SPXY）算法4種樣本集劃分方法，PLSR模型構(gòu)建結(jié)果表明，利用SPXY法進(jìn)行樣本集劃分時(shí)，所構(gòu)建的模型校正集和測試集準(zhǔn)確率均高于其他三種，因而本文采用SPXY算法對樣本集進(jìn)行劃分。為盡量有效地降低樣本間的共線性，降低模型復(fù)雜度，本文采用SPXY算法對校正集樣本進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)選，對于AFB1，最終從初始校正集中優(yōu)選出130個(gè)樣本組成模型校正集；對于ZEN，最終從初始校正集中優(yōu)選出140個(gè)樣本組成模型校正集。在采用均勻光譜間隔（USS）法對原始光譜變量進(jìn)行初降維的基礎(chǔ)上，對比連續(xù)投影算法（SPA）和競爭性自適應(yīng)重加權(quán)算法（CARS）2種變量提取法。結(jié)果表明∶經(jīng)SPA 法分別篩選出17個(gè)特征波段且基于較少校正集樣本和特征波長光譜信息建立的PLSR 模型能夠獲得較優(yōu)的預(yù)測結(jié)果。因此，基于光譜-理化值共生距離（SPXY）算法和連續(xù)投影（SPA）算法進(jìn)行特征提取后建立的高光譜檢測模型，可以實(shí)現(xiàn)對霉
變玉米中AFB1和ZEN含量的準(zhǔn)確預(yù)測。最后，在原始光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過SNV預(yù)處理后，采用SPXY算法對校正集樣本進(jìn)行劃分與優(yōu)選，運(yùn)用USS法結(jié)合SPA算法對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選的基礎(chǔ)上分別建立基于優(yōu)選后的校正集樣本及特征波長PLSR、LSSVM和MLR預(yù)測模型，并對比模型結(jié)果。本研究最終確定基于LS-SVM的模型能實(shí)現(xiàn)對霉變玉米內(nèi) AFB1和1ZEN 含量的準(zhǔn)確預(yù)測，該模型對AFB1和ZEN含量的預(yù)測精度（RPme，RMSEP）分別為（0.9981，0.5930）和（0.9989，0.8058）。
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