基于高光譜成像技術的粉葛年限的鑒別

粉葛是一種藥食兩用的植物，含葛根素、淀粉、纖維素、維生素等，具有極高的藥用和食用價值。相關研究表明粉葛中化學成分的含量與其生長年限密切相關。然而粉葛在市場流通中存在不滿足規(guī)定生長年限的非標準品，肉眼難以區(qū)分，嚴重影響臨床療效。目前對粉葛年限鑒別主要依靠傳統(tǒng)的理化技術，其操作周期長，破壞樣品的完整性，無法快速批量檢測。此類操作實驗周期長、成本高、并破壞藥材的完整性，在一定程度上受技術人員主觀性影響。因此，如何快速、無損、精準的鑒別不同生長年限的粉葛具有重要意義。高光譜成像技術的發(fā)展為粉葛年限的快速、無損鑒定提供了新思路。

光譜分辨率決定因素分析

經(jīng)過對高光譜數(shù)據(jù)進行校正后，按照對不同年限的粉葛進行采樣，得到樣本的光譜曲線如圖１（ａ，ｂ）。

圖１粉葛樣本的原始光譜曲線圖

（ａ）：ＶＮＩＲ透鏡下；（ｂ）：ＳＷＩＲ透鏡下

示，圖1(a)和(b)分別為VNIR(410.45~990.10nm)透鏡和SWIR(948.72-~2512.97nm)透鏡下光譜曲線，其中每一條曲線代表一個樣本?從圖1中可知不同年限粉葛的光譜反射率趨勢大致相同，但難以對其區(qū)分?為了清晰地比較不同年限粉葛之間的區(qū)別，分別對三種不同年限的樣本求平均，得到的光譜曲線如圖2所示，其中(a)和(b)分別為VNIR和SWIR透鏡下的結果，每條代表一個年限的平均光譜曲線?從圖2中能直觀的看出不同年限的粉葛平均光譜反射率在VNIR和SWIR兩個鏡頭下均存在差別，其中三年生粉葛高于一年生和二年生，說明不同年限粉葛的光譜特征存在差異，基于高光譜成像技術對其年限鑒別是一種可行手段?

2、數(shù)據(jù)處理

標準正態(tài)變換預處理。本研究采用標準正態(tài)變換(standardnormalvariate，SNV)為預處理方法，經(jīng)過SNV預處理后的光譜曲線如圖3所示，(a)和(b)分別為VNIR和SWIR兩個鏡頭下的結果?經(jīng)SNV處理后，能有效消除光譜散射和漫反射的影響，減少各種干擾信息?

圖2不同年限粉葛樣本的ROI平均光譜曲線

(a):VNIR透鏡下;(b):SWIR透鏡下

圖3SNV預處理后的粉葛樣本光譜曲線圖

(a):VNIR透鏡下;(b):SWIR透鏡

3、結論

將高光譜成像技術和主成分分析法結合，建立四種機器學習模型，能夠準確的鑒別一年生?二年生?三年生的粉葛?實驗結果表明高光譜成像技術結合機器學習算法可以實現(xiàn)對不同生長周期粉葛的精準鑒別?未來將進一步研究如何優(yōu)化模型，同時改進硬件設施，將獲得穩(wěn)定?準確的模型并植入便攜式設備中，實現(xiàn)對不同年限粉葛快速無損的工業(yè)化檢測，為粉葛的野生撫育和科學合理安排粉葛的種植年限提供理論依據(jù)與方法?

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審核編輯 黃宇