西瓜品质可见/近红外光谱无损检测技术研究

论文摘要

水果品质在线检测与分级处理是农业工程界的重要研究课题，对于满足消费者对水果安全的要求，提高水果产品的市场价值与竞争力，增加农民收入都具有重大意义。西瓜是人们喜爱的水果之一，世界上有90多个国家广泛种植，我国西瓜年总产量在3500万吨以上，居世界首位，但出口量在世界贸易中的份额甚小，基本属于自产自用，西瓜在外贸出口方面尚存在巨大潜力。影响西瓜出口贸易的一个重要因素是我国对出口的西瓜没有科学的手段可以保证质量，另外，随着人们生活水平的不断提高，消费者在选购西瓜时越来越对其内部品质，如口感、甜度和其它营养成分挑剔。表征西瓜品质的主要指标是可溶性固形物含量（与甜度有关），另外口感沙脆（与坚实度有关）、内部组织是否疏散、有空洞（与密度有关）也是人们所关心的指标。西瓜常见的无损检测方法仍是以人工挑选为主，由主观因素带来的影响是不可避免的，采用技术上可行、经济上适用的无损检测方法非常迫切，本文在这一背景下开展西瓜品质可见／近红外光谱无损检测技术研究，主要研究内容如下：1．阐述了用于西瓜品质检测的几种方法，分析了这些方法在技术实现上和经济适用性上存在的局限性。利用密度法进行检测、利用声学和振动学特性进行检测和利用核磁共振成像技术进行检测是西瓜品质无损检测中常见的几种方法，本文综述了这些方法的研究概况，并对这些方法在技术实现上和经济适用性上存在的局限性进行了分析；2．构建了适合西瓜内部品质无损检测的光源装置和光谱采集系统。根据西瓜内部组织成分分布不均匀、果型大且果皮厚的特点，对比分析了常见的几种可见／近红外光谱检测方式，选用漫透射作为西瓜光谱检测方式，并构建了适合西瓜内部品质无损检测的光源装置和光谱采集系统；3．研究了果型差异对建模结果与预测结果的影响，并提出三种方法消除或减小这一影响因素。针对西瓜果型大且差异显著的特点，研究果型差异对可见／近红外光谱以及建模与预测结果的影响，并提出三种方法消除或减小这一影响因素，分别是分级消除法、体积平均法和基于体积的正则化（或正规化）方法，其中基于体积的正则化（或正规化）方法，更适合在线生产应用，该方法使果型大小差异明显样品的原始光谱、一阶微分光谱、二阶微分光谱在对可溶性固形物含量检测时，采用偏最小二乘法的建模与预测结果由原来的校正相关系数r分别为0.716、0.793、0.848提高到r分别为0.789、0.858、0.947，均方根校正标准偏差RMSEC由原来的0.678、0.592、0.515分别降为0.596、0.499、0.313，均方根预测标准偏差RMSEP由原来的0.825、0.764、0.714分别降为0.606、0.686、0.413；4．研究了果皮对西瓜漫透射光谱与建模结果的影响。针对西瓜果皮较厚的特点，对去皮西瓜与带皮西瓜进行对比试验研究，发现果皮对光谱的影响主要集中在可见光部分（650-750nm），对可溶性固形物含量采用偏最小二乘法进行分段建模并没有有效消除果皮的影响，对比研究去皮西瓜与完整西瓜光谱在650-950nm范围内的建模结果，完整西瓜二阶微分光谱校正模型相关系数r为0.949，RMSEC为0.292，去皮西瓜校正模型相关系数r为0.973，RMSEC为0.214，果皮对建模结果的影响并不严重，完整西瓜的建模结果可以满足检测要求；5．试验研究光照强度对光谱与建模结果的影响。针对西瓜实现可见／近红外光谱无损检测需要较高能量光源的特点，采用不同光照强度（600W，1000W）观察西瓜漫透射光谱的变化，分析光照强度对建模结果的影响，发现在不损伤西瓜表皮的前提下，恰当的增加光照强度，不仅有助于采集到较为平滑的光谱，而且有助于改善建模效果；6．试验研究光谱采集部位对光谱和建模结果的影响。为了在对西瓜的光谱采集中选择最合适的光谱采集部位，并根据西瓜纵径先发育完毕后，再横向增重发育的特点，分别选择花萼部位、靠近花梗部位和赤道部位作为光谱采集部位对“麒麟”瓜和“早春红玉”瓜进行光谱采集，考察采集部位不同光谱的变化和对建模结果的影响。试验结果表明，上述各部位采集的光谱都可以取得较好的建模结果，并没有明确规律表明，具体在某个采集部位采集到的光谱可以建立更好的预测模型；7．试验研究可见／近红外光谱技术对西瓜物理指标的检测。密度和坚实度是西瓜的两个重要物理指标，坚实度与西瓜的口感是否沙脆有关，密度与西瓜内部组织是否有空洞有关，试验研究表明二阶微分光谱采用偏最小二乘法对密度的建模与预测结果分别为校正相关系数r为0.910，RMSEC为0.015，RMSEP为0.018，二阶微分光谱正则化处理后，采用偏最小二乘法对坚实度的建模与预测结果分别为校正相关系数r为0.916，RMSEC为0.308，RMSEP为0.515；8．对未经乙烯处理和经乙烯处理的西瓜进行了基于可见，近红外漫透射光谱的分类试验研究。针对国内常有瓜农采摘远离成熟期的西瓜，采用高浓度乙烯处理，诱导其快速成熟的现象，对未经乙烯处理和经乙烯处理的西瓜进行了基于可见／近红外漫透射光谱的分类试验研究，在判别分析中，提出一种简单的透过率之比判别分析法，对未经乙烯处理样品的误判率为32.5％，经乙烯处理样品的误判率为20％；采用马氏距离判别分析和偏最小二乘法判别分析都可以取得理想的判别结果，一阶微分光谱经Norris微分滤波处理后，利用马氏距离判别，判别结果为未经乙烯处理样品校正集误判率1.67％，预测集、经乙烯处理样品校正集、预测集均没有出现误判的情况；二阶微分光谱利用偏最小二乘法判别，没有误判情况发生；9．研究不同建模方法在西瓜品质指标检测中的建模与预测效果。对比分析了实际应用中常见的几种可见／近红外光谱建模方法（经典最小二乘法、逐步多元线性回归、主成分回归和偏最小二乘法）对西瓜光谱和品质指标的建模效果和预测效果，结果表明偏最小二乘法是最适合的建模方法；10．构建运动西瓜光谱采集系统，分析运动引起的噪声对光谱的影响，对光谱的平滑消噪方法进行研究。为使可见／近红外漫透射光谱技术用于西瓜品质的在线检测，改造本实验室自行设计加工的运动西瓜光谱采集系统使之适合运动西瓜的光谱采集，并进行静态及运动西瓜样品光谱采集，通过对比两种状态下西瓜的光谱及建模与预测结果，分析由于运动引起的噪声对光谱的影响，并分别采用最小二乘拟合法、Norris微分滤波以及小波变换等方法进行了光谱的平滑消噪处理，分析这些方法对光谱的平滑消噪效果和建模与预测结果，发现Norris微分滤波更适合本系统采集到的西瓜光谱的平滑消噪处理，改善了光谱的平滑性，提高了建模与预测精度；建立了运动西瓜的可溶性固形物含量和密度等品质指标与可见／近红外光谱的相关关系模型，校正相关系数分别为0.865、0.918，均方根校正标准偏差RMSEC分别为0.536、0.016，均方根预测标准偏差RMSEP分别为1.030、0.021；11．开展西瓜可溶性固形物含量在线无损检测试验研究。将本实验室开发的可见／近红外光谱水果内部品质在线检测软件与上述运动西瓜光谱采集系统组合组成水果内部品质在线无损检测实验台，根据可见／近红外光谱在线检测的工作原理和流程，简单的光谱预处理方法、可见／近红外光谱的建模方法，开展西瓜可溶性固形物含量的在线无损检测试验研究，试验结果表明，该试验平台已基本具备西瓜在线检测的要求，但仍有部分功能尚未完善，需要在进一步的研究中不断完善和改进。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本研究的目的和意义
• 1.1.1 西瓜生产现状
• 1.1.2 西瓜品质无损检测的必要性
• 1.2 国内外水果无损检测技术的发展概况
• 1.2.1 利用水果的电学特性
• 1.2.2 利用水果的声学和振动学特性
• 1.2.3 利用机器视觉技术
• 1.2.4 利用可见/近红外光谱无损检测技术
• 1.2.5 利用核磁共振技术
• 1.2.6 利用X射线检测技术
• 1.2.7 利用电子鼻技术
• 1.3 西瓜无损检测方法回顾及存在的问题分析
• 1.3.1 利用密度进行西瓜品质检测
• 1.3.2 利用声学和振动学特性进行西瓜品质检测
• 1.3.3 利用核磁共振成像技术进行西瓜品质检测
• 1.3.4 利用光学特性进行西瓜品质检测
• 1.4 本论文主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 可见/近红外光谱分析的理论基础
• 2.1 可见/近红外光谱分析技术的理论基础
• 2.2 光谱品质指标的数学描述
• 2.3 可见/近红外光谱分析的一般流程
• 2.4 可见/近红外光谱预处理方法
• 2.4.1 光谱数据的平滑
• 2.4.2 导数
• 2.4.3 傅立叶变换滤波
• 2.4.4 小波变换滤波
• 2.4.5 Norris微分滤波
• 2.5 可见/近红外光谱的基线校正与数据规范化处理
• 2.5.1 附加散射校正
• 2.5.2 变量标准化
• 2.5.3 数据的中心化处理
• 2.6 可见/近红外光谱定量分析方法
• 2.6.1 最小二乘（线性）回归（LS）
• 2.6.2 经典最小二乘法（CLS）
• 2.6.3 多元线性回归（MLR）
• 2.6.4 主成分回归（PCR）
• 2.6.5 偏最小二乘法（PLS）
• 2.7 校正模型的验证
• 参考文献
• 第三章 可见/近红外光谱西瓜品质检测方式及检测装置
• 3.1 西瓜内部组织成分试验研究
• 3.2 可见/近红外光谱与固体、半固体的作用方式
• 3.3 水果可见/近红外光谱检测方式回顾
• 3.3.1 水果漫反射检测方式
• 3.3.2 水果透射检测方式
• 3.3.3 水果漫透射检测方式
• 3.3.4 西瓜可见/近红外光谱无损检测方式的选择
• 3.4 静态西瓜光谱采集装置构建
• 3.5 西瓜品质指标破坏性检测方法及仪器
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 西瓜果型差异及果皮对建模与预测结果的影响及消除方法研究
• 4.1 异常样品的剔除
• 4.1.1 异常样品对建模的危害性
• 4.1.2 剔除异常样品的原则及异常样品的剔除
• 4.2 果型大小对漫透射光谱的影响
• 4.3 果型差异影响消除方法研究
• 4.3.1 分级消除法
• 4.3.2 体积平均法
• 4.3.3 基于体积的正则化（正规化）校正方法
• 4.4 果皮对可见/近红外光谱检测西瓜品质的影响
• 4.4.1 去皮前后试验样品光谱差别
• 4.4.2 光谱分段对建模与预测结果的影响
• 4.4.3 650-950nm范围内果皮对建模结果的影响
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 可见/近红外光谱西瓜品质无损检测试验研究
• 5.1 光照强度对检测结果的影响
• 5.2 光谱采集部位对建模结果的影响
• 5.3 西瓜物理品质指标的可见/近红外光谱检测
• 5.3.1 西瓜密度的可见/近红外光谱检测
• 5.3.2 西瓜果肉坚实度的可见/近红外光谱检测
• 5.4 乙烯催熟瓜与正常成熟瓜分类试验研究
• 5.4.1 可见/近红外光谱在定性分类中的应用
• 2=CH₂）的生理作用'>5.4.2 乙烯（CH₂=CH₂）的生理作用
• 5.4.3 植物生长调节剂乙烯利
• 5.4.4 高浓度外源乙烯催熟瓜与正常成熟瓜分类试验研究
• 5.5 建模方法对建模与预测结果的影响
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 运动西瓜光谱采集与光谱预处理方法研究
• 6.1 西瓜在运动及静态情况下光谱差异对比
• 6.1.1 运动西瓜光谱采集装置及光谱采集
• 6.1.2 静态及运动西瓜光谱建模与预测结果对比
• 6.2 西瓜光谱的平滑和噪声消除
• 6.2.1 光谱数据平滑方法
• 6.2.2 最小二乘拟合法对静态/运动西瓜光谱的平滑
• 6.2.3 Norris微分滤波法对一、二阶微分光谱的平滑处理
• 6.2.4 运动西瓜微分光谱的正则化处理
• 6.2.5 运动西瓜光谱的小波消噪研究
• 6.3 西瓜物理品质指标的检测
• 6.3.1 物理品质指标检测试验研究样品及建模与预测结果
• 6.3.2 结果与讨论
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 可见/近红外光谱西瓜品质在线检测系统初步研究
• 7.1 可见/近红外光谱在线无损检测技术在农业生产中的应用
• 7.2 可见/近红外光谱在线无损检测技术在水果品质检测中的应用
• 7.3 西瓜品质在线检测实验台
• 7.3.1 采样方式的选择
• 7.3.2 西瓜在线检测实验台软、硬件系统
• 7.4 西瓜在线检测试验研究
• 7.4.1 试验材料
• 7.4.2 试验方法
• 7.4.3 试验结果
• 7.4.4 结果与讨论
• 参考文献
• 第八章 结论与展望
• 8.1 主要研究成果
• 8.2 本论文主要创新点
• 8.3 展望
• 致谢
• 作者简介及博士研究生期间主要成果
• 附表