高光譜檢測小麥硬度

1、畢業(yè)論文答辯高光譜檢測小麥硬度目錄研究背景研究背景研究目標(biāo)研究目標(biāo)研究過程研究過程得出結(jié)論得出結(jié)論研究不足研究不足第第章章研究背景研究背景1PART ONEPART ONE研究背景研究背景小麥籽粒硬度是影響面粉用途和品質(zhì)的重要因素，很大程度上決定了小麥籽粒硬度是影響面粉用途和品質(zhì)的重要因素，很大程度上決定了小麥的食用品質(zhì)和市場價(jià)值。小麥的食用品質(zhì)和市場價(jià)值。傳統(tǒng)測試小麥籽粒硬度的方法采用角質(zhì)率法、壓力法、研磨法和近紅傳統(tǒng)測試小麥籽粒硬度的方法采用角質(zhì)率法、壓力法、研磨法和近紅外法等，存在破壞性或不全面等缺陷。高光譜檢測方法能夠?qū)崿F(xiàn)無損外法等，存在破壞性或不全面等缺陷。高光譜檢測方法能夠?qū)崿F(xiàn)無損

2、測量，提高測試效率和自動(dòng)化程度，并能夠更全面地反映硬度性質(zhì)。測量，提高測試效率和自動(dòng)化程度，并能夠更全面地反映硬度性質(zhì)。當(dāng)前，國內(nèi)外用高光譜圖像技術(shù)研究小麥籽粒硬度技術(shù)尚未成熟，相當(dāng)前，國內(nèi)外用高光譜圖像技術(shù)研究小麥籽粒硬度技術(shù)尚未成熟，相關(guān)文獻(xiàn)還不夠多，在小麥籽粒硬度檢測方向的數(shù)據(jù)不夠完善，且應(yīng)用關(guān)文獻(xiàn)還不夠多，在小麥籽粒硬度檢測方向的數(shù)據(jù)不夠完善，且應(yīng)用范圍窄，距離投入實(shí)際應(yīng)用存在一些距離。范圍窄，距離投入實(shí)際應(yīng)用存在一些距離。第第章章研究目標(biāo)研究目標(biāo)2PART PART twotwo研究目標(biāo)研究目標(biāo)u 本次研究的主要目標(biāo)是通過高光譜對小麥硬度進(jìn)行全本次研究的主要目標(biāo)是通過高光譜對小麥硬度

3、進(jìn)行全面的快速無損檢測。面的快速無損檢測。u 具體過程：首先采集樣本并進(jìn)行小麥硬度的測試；然具體過程：首先采集樣本并進(jìn)行小麥硬度的測試；然后采集小麥高光譜圖像，并對高光譜圖像進(jìn)行處理，其后采集小麥高光譜圖像，并對高光譜圖像進(jìn)行處理，其次對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（平滑處理、變量標(biāo)準(zhǔn)化、多次對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（平滑處理、變量標(biāo)準(zhǔn)化、多元散射校正、求導(dǎo)等）接著通過偏最小二乘回歸法對光元散射校正、求導(dǎo)等）接著通過偏最小二乘回歸法對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，建立小麥硬度光譜曲線的多元回歸模譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，建立小麥硬度光譜曲線的多元回歸模型，最后比較回歸預(yù)測效果進(jìn)而得出相應(yīng)結(jié)論。型，最后比較回歸預(yù)測效果進(jìn)而得出相應(yīng)

4、結(jié)論。第第章章研究過程研究過程3PART PART ttreettree研究過程研究過程1 1：小麥樣品的采集和硬度測試：小麥樣品的采集和硬度測試物性測定儀主要功能：可對樣品的物物性測定儀主要功能：可對樣品的物性概念做出數(shù)據(jù)化的表述。檢測數(shù)據(jù)性概念做出數(shù)據(jù)化的表述。檢測數(shù)據(jù)有硬度、脆度、膠黏性、回復(fù)性、彈有硬度、脆度、膠黏性、回復(fù)性、彈性凝膠強(qiáng)度等。性凝膠強(qiáng)度等。選取選取11個(gè)小個(gè)小麥品種：麥品種：N9695、阿、阿勃、藁勃、藁9411、邯邯6172、皖、皖33、溫麥、溫麥6號、號、西農(nóng)西農(nóng)1376、小偃小偃6號、鄭號、鄭農(nóng)農(nóng)16、中育、中育6號、周號、周13-1，每種采集了每種采集了50粒。

5、粒。硬度儀參數(shù)設(shè)置硬度儀參數(shù)設(shè)置測試速度：前測試速度：前5mm/s;中中2；后；后10下壓距離：下壓距離：0.8mm觸發(fā)應(yīng)力：觸發(fā)應(yīng)力：5g研究過程研究過程1：小麥樣品的采集和硬度測試：小麥樣品的采集和硬度測試測試參數(shù)：力量、測試參數(shù)：力量、時(shí)間、距離時(shí)間、距離測試類型：標(biāo)準(zhǔn)的測試類型：標(biāo)準(zhǔn)的測試方法，測試方法，SIN變變速測試，衰減度，速測試，衰減度，松弛測試，流變測松弛測試，流變測試，粉體流變，面試，粉體流變，面團(tuán)吹泡，面團(tuán)拉伸團(tuán)吹泡，面團(tuán)拉伸等等力量范圍：力量范圍：+/-5Kg +/-50Kg移動(dòng)速度范圍：移動(dòng)速度范圍：0.0140mm/s測試距離范圍：測試距離范圍：0.001295mm

6、PC連接端口，連接端口，RS232標(biāo)準(zhǔn)端口或標(biāo)準(zhǔn)端口或USB端口端口操作溫度：操作溫度：040研究過程研究過程2：高光譜圖像的采集和處理：高光譜圖像的采集和處理 本次試驗(yàn)使用的高光譜成像系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備：本次試驗(yàn)使用的高光譜成像系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備：ImSpectorN17EImSpectorN17E近紅外高光譜相機(jī)，通過調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)慕t外高光譜相機(jī)，通過調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)墓ぷ鲄?shù)，利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，最終拍攝工作參數(shù)，利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，最終拍攝了了1111種小麥樣品的高光譜圖像。種小麥樣品的高光譜圖像。 由于直接由高光譜圖像采集系統(tǒng)獲得的的圖像含由于直接由高光譜圖像采集系統(tǒng)獲得的的圖像含有樣品信

7、息外，還包含樣品背景、噪聲等無用信息，有樣品信息外，還包含樣品背景、噪聲等無用信息，所以要對圖像進(jìn)行一系列處理。所以要對圖像進(jìn)行一系列處理。 高光譜成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖研究過程研究過程2：ENVI軟件處理圖像軟件處理圖像第第256波波段段第第240波波段段第第4波波段段第第100波波段段第第20波波段段裁剪結(jié)果裁剪結(jié)果研究過程研究過程2：ENVI軟件裁剪圖像軟件裁剪圖像空間裁剪：為裁掉標(biāo)簽，更改坐標(biāo)空間裁剪：為裁掉標(biāo)簽，更改坐標(biāo)波段裁剪：從波段裁剪：從256個(gè)波段選取第個(gè)波段選取第20240共共221個(gè)波段個(gè)波段閾值分割：通過觀察光譜反射曲閾值分割：通過觀察光譜反射曲線圖可以得出在線圖可以得出在

8、1100.83波長處設(shè)置波長處設(shè)置最小值最小值0.6可以將圖像的背景和噪聲可以將圖像的背景和噪聲等與小麥樣品圖像分割開。等與小麥樣品圖像分割開。研究過程研究過程2：ENVI軟件閾值分割軟件閾值分割小麥高光譜圖像反射曲線圖小麥高光譜圖像反射曲線圖閾值分割的基本原理閾值分割的基本原理是：對于某灰度值范是：對于某灰度值范圍的圖像，通過一定圍的圖像，通過一定準(zhǔn)則在圖像里找到一準(zhǔn)則在圖像里找到一個(gè)能夠明顯區(qū)分目標(biāo)個(gè)能夠明顯區(qū)分目標(biāo)與背景的灰度值與背景的灰度值t，將，將其作為閾值，然后將其作為閾值，然后將選定的閾值和圖像中選定的閾值和圖像中所有像素比較得到灰所有像素比較得到灰度值大于度值大于t和小于和小于

9、t兩部兩部分，分割后圖像表達(dá)分，分割后圖像表達(dá)式如下式如下： tyxfbtyxfbyxh),(,),(,12),(）（21,aa進(jìn)行進(jìn)行開運(yùn)開運(yùn)算后算后圖像圖像建立建立掩膜掩膜后的后的圖像圖像研究過程研究過程2：ENVI軟件建立掩膜軟件建立掩膜 掩膜處理就是用選定的圖像對待處理的圖像的全部或局掩膜處理就是用選定的圖像對待處理的圖像的全部或局部進(jìn)行遮擋來控制圖像處理的區(qū)域。部進(jìn)行遮擋來控制圖像處理的區(qū)域。 掩膜圖像可能會有一些小顆粒噪聲，可通過開運(yùn)算進(jìn)行掩膜圖像可能會有一些小顆粒噪聲，可通過開運(yùn)算進(jìn)行消除，開運(yùn)算就是使用同一結(jié)構(gòu)元素對圖像先腐蝕再進(jìn)行消除，開運(yùn)算就是使用同一結(jié)構(gòu)元素對圖像先腐蝕再

10、進(jìn)行膨脹的運(yùn)算。例如，在結(jié)構(gòu)元素膨脹的運(yùn)算。例如，在結(jié)構(gòu)元素B下對集合下對集合A進(jìn)行開運(yùn)算的進(jìn)行開運(yùn)算的表達(dá)式為：表達(dá)式為：BBABA)(通過對裁剪后的圖像應(yīng)用掩膜后得到通過對裁剪后的圖像應(yīng)用掩膜后得到從從20240共共221個(gè)波段的二值圖像個(gè)波段的二值圖像第第100波波段段第第20波波段段第第240波段波段通過通過ENVI軟件處理后得到掩膜圖像軟件處理后得到掩膜圖像(.bmp)和圖和圖像的像的ASCII值值(.txt文件文件)，下面用，下面用matlab軟件對圖軟件對圖像的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。像的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。研究過程研究過程2：ENVI軟件應(yīng)用掩膜軟件應(yīng)用掩膜研究過程研究過程3：ma

11、tlab高光譜數(shù)據(jù)處理高光譜數(shù)據(jù)處理首先，讀入樣品的高光譜數(shù)據(jù)矩陣首先，讀入樣品的高光譜數(shù)據(jù)矩陣對對1111個(gè)品種的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值得到平均光個(gè)品種的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值得到平均光譜數(shù)據(jù)譜數(shù)據(jù)研究過程研究過程3：matlab高光譜數(shù)據(jù)處理高光譜數(shù)據(jù)處理0501001502002500.20.30.40.50.60.70.80.91aboInfraMeanSpec0501001502002500.20.30.40.50.60.70.80.91gao9411InfraMeanSpec“阿阿勃勃”品種品種的平的平均光均光譜曲譜曲線線“藁藁9411”品種品種的平的平均光均光譜曲譜曲線線其余其余9個(gè)

12、品種的平均光譜個(gè)品種的平均光譜曲線圖的趨勢和上面兩種曲線圖的趨勢和上面兩種平均光譜曲線大抵相似平均光譜曲線大抵相似研究過程研究過程3：matlab高光譜數(shù)據(jù)處理高光譜數(shù)據(jù)處理用用plotplot函數(shù)畫出函數(shù)畫出1111種小麥樣品的平種小麥樣品的平均光譜曲線圖。均光譜曲線圖。研究過程研究過程3：matlab高光譜數(shù)據(jù)處理高光譜數(shù)據(jù)處理選擇訓(xùn)練集和校正集選擇訓(xùn)練集和校正集 本次試驗(yàn)中有本次試驗(yàn)中有1111中小麥樣品，每一個(gè)小麥品種樣本中小麥樣品，每一個(gè)小麥品種樣本有五十粒種子，需要將有五十粒種子，需要將1111組小麥樣品中的每一種分為兩組小麥樣品中的每一種分為兩組，一組為訓(xùn)練集（大部分），一組為校

13、正集（小部組，一組為訓(xùn)練集（大部分），一組為校正集（小部分），然后把分），然后把1111個(gè)品種的訓(xùn)練集數(shù)據(jù)拼合到一塊組成大個(gè)品種的訓(xùn)練集數(shù)據(jù)拼合到一塊組成大的訓(xùn)練集，校正集數(shù)據(jù)拼合到一塊組成大的校正集，之的訓(xùn)練集，校正集數(shù)據(jù)拼合到一塊組成大的校正集，之后統(tǒng)一進(jìn)行高光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理。后統(tǒng)一進(jìn)行高光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)預(yù)處理 本次數(shù)據(jù)預(yù)處理用到的方法有矢量歸一化、多元本次數(shù)據(jù)預(yù)處理用到的方法有矢量歸一化、多元散射校正、散射校正、SGSG平滑濾波、標(biāo)準(zhǔn)化、一階微分、二階微平滑濾波、標(biāo)準(zhǔn)化、一階微分、二階微分等六種。應(yīng)用預(yù)處理函數(shù)對小麥樣品的訓(xùn)練集和校分等六種。應(yīng)用預(yù)處理函數(shù)對小麥樣品的訓(xùn)練

14、集和校正集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理運(yùn)算。正集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理運(yùn)算。研究過程研究過程3：matlab PLS建模分析建模分析利用預(yù)處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行偏最小二乘回歸模型的建立，之后再將利用預(yù)處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行偏最小二乘回歸模型的建立，之后再將由近紅外高光譜特征處理得到的小麥硬度值與實(shí)際測得的小麥籽由近紅外高光譜特征處理得到的小麥硬度值與實(shí)際測得的小麥籽粒硬度值進(jìn)行交叉驗(yàn)證，并畫出在各個(gè)預(yù)處理方法下的擬合曲線粒硬度值進(jìn)行交叉驗(yàn)證，并畫出在各個(gè)預(yù)處理方法下的擬合曲線圖和均方根誤差圖和均方根誤差RMSE在各個(gè)主成分下的曲線圖，通過比較得出最在各個(gè)主成分下的曲線圖，通過比較得出最佳預(yù)處理方法和主成分個(gè)數(shù)。佳預(yù)處理方法和主

15、成分個(gè)數(shù)。預(yù)處理預(yù)處理主成分?jǐn)?shù)主成分?jǐn)?shù)RMSERMSER2R2XmXm5050 266.7482 266.7482 -0.1590 -0.1590XnXn5050 266.0890 266.0890 -0.1533 -0.1533XsXs5050259.7876259.7876 -0.0993 -0.0993XzXz5050266.7606266.7606-0.1591-0.1591XdXd5050270.7691270.7691-0.1942-0.1942XddXdd5050275.1239275.1239-0.2329-0.2329新一組校正集和驗(yàn)證集新一組校正集和驗(yàn)證集XmXm50503

16、92.1886392.1886-1.8472-1.8472XnXn5050 385.8569 385.8569-1.7560-1.7560XsXs5050 367.7208 367.7208 -1.5030 -1.5030XzXz5050387.1718387.1718 -1.7748 -1.7748XdXd5050379.9449379.9449-1.6722-1.6722XddXdd5050328.5344328.5344-0.9980-0.9980第第章章結(jié)果分析結(jié)果分析4PART PART fourfour結(jié)果分析結(jié)果分析相同的訓(xùn)練集和校正集，預(yù)處理方法相同，改變主成分個(gè)數(shù)相同的訓(xùn)練集

17、和校正集，預(yù)處理方法相同，改變主成分個(gè)數(shù)預(yù)處理方法預(yù)處理方法主成分?jǐn)?shù)主成分?jǐn)?shù)RMSERMSER2R2XsXs2020286.4348286.4348 -0.0668 -0.0668XsXs5050 308.7559 308.7559 -0.2395 -0.2395XsXs100100 317.0571 317.0571-0.3070-0.3070XsXs150150315.6734315.6734 -0.2957 -0.2957XmXm2020 292.2886 292.2886-0.1108-0.1108XmXm5050321.6769321.6769-0.3454-0.3454XmXm10

18、0100321.8292321.8292 -0.3467 -0.3467XmXm150150 321.8292 321.8292 -0.3467 -0.3467XnXn2020 285.6488 285.6488 -0.0609 -0.0609XnXn5050313.9178313.9178 -0.2813 -0.2813XnXn100100316.8988316.8988 -0.3057 -0.3057XnXn150150316.8997316.8997 -0.3057 -0.3057XzXz2020 284.2417 284.2417 -0.0505 -0.0505XzXz5050315.

19、6067315.6067-0.2951-0.2951XzXz100100316.8997316.8997 -0.3057 -0.3057XzXz150150 316.8997 316.8997 -0.3057 -0.3057XdXd2020303.6287303.6287-0.1987-0.1987XdXd5050318.6637318.6637 -0.3203 -0.3203XdXd100100316.8177316.8177-0.3051-0.3051XdXd150150316.8169316.8169-0.3051-0.3051XddXdd2020334.5999334.5999-0.4

20、557-0.4557XddXdd5050 336.9981 336.9981-0.4766-0.4766XddXdd100100 319.7658 319.7658-0.3295-0.3295XddXdd150150312.2088312.2088 -0.2674 -0.2674 結(jié)果分析：均方根誤差曲線圖結(jié)果分析：均方根誤差曲線圖02468101214161820580600620640660680700720740760780number of componentsPLSRmseCV05101520253035404550500600700800900100011001200number

21、of componentsPLSRmseCV0102030405060708090100500600700800900100011001200130014001500number of componentsPLSRmseCV050100150500600700800900100011001200130014001500number of componentsPLSRmseCV（a a）主成分為）主成分為2020（b b）主成分為）主成分為5050（c c）主成分為）主成分為100100（d d）主成分為）主成分為150150根據(jù)左圖可根據(jù)左圖可以得出以得出:各各個(gè)主成分下個(gè)主成分下均方根誤差均

22、方根誤差旳值非常大旳值非常大且曲線最終且曲線最終趨于很高的趨于很高的值。此曲線值。此曲線與正常的結(jié)與正常的結(jié)果不相符。果不相符。結(jié)果分析：擬合曲線圖結(jié)果分析：擬合曲線圖4060801001201401601808090100110120130140150160170Hardness of Validation SamplesHardness of PLSR FitnessHardness Prediction by Xs4060801001201401601806080100120140160180Hardness of Validation SamplesHardness of PLSR F

23、itnessHardness Prediction by Xs406080100120140160180406080100120140160180Hardness of Validation SamplesHardness of PLSR FitnessHardness Prediction by Xs4060801001201401601806080100120140160180200Hardness of Validation SamplesHardness of PLSR FitnessHardness Prediction by Xs（a a）主成分為）主成分為2020（b b）主成分

24、為）主成分為5050（c c）主成分為）主成分為100100（d d）主成分為）主成分為150150根據(jù)左圖得根據(jù)左圖得出：硬度擬出：硬度擬合曲線結(jié)果合曲線結(jié)果和和4545度直線度直線相差很遠(yuǎn)，相差很遠(yuǎn)，因此可結(jié)合因此可結(jié)合前面分析結(jié)前面分析結(jié)果初步得出果初步得出結(jié)論，此方結(jié)論，此方法不適合檢法不適合檢測小麥硬度。測小麥硬度。得出結(jié)論得出結(jié)論 本研究基于近紅外高光譜圖像分析技術(shù)與建模分析理論，運(yùn)本研究基于近紅外高光譜圖像分析技術(shù)與建模分析理論，運(yùn)用用ENVIENVI軟件和軟件和MATLABMATLAB軟件對小麥硬度進(jìn)行了快速無損檢測研究，軟件對小麥硬度進(jìn)行了快速無損檢測研究，主要結(jié)論如下：主要

25、結(jié)論如下：u均方根誤差均方根誤差RMSERMSE與決定系數(shù)的大小和預(yù)處理方式、校正集與驗(yàn)證與決定系數(shù)的大小和預(yù)處理方式、校正集與驗(yàn)證集的選擇、主成分個(gè)數(shù)三個(gè)因素有關(guān)。集的選擇、主成分個(gè)數(shù)三個(gè)因素有關(guān)。u多元散射校正、矢量歸一化、多元散射校正、矢量歸一化、SGSG平滑濾波、標(biāo)準(zhǔn)化、一階微分、平滑濾波、標(biāo)準(zhǔn)化、一階微分、二階微分六種預(yù)處理方式中二階微分六種預(yù)處理方式中SGSG平滑濾波方式是最好預(yù)處理方式。平滑濾波方式是最好預(yù)處理方式。u不同的校正集與訓(xùn)練集會很大程度的影響不同的校正集與訓(xùn)練集會很大程度的影響RMSERMSE和決定系數(shù)值的大和決定系數(shù)值的大小，因此在選擇最佳模型是需要運(yùn)行上百次甚至上千次才能得到小，因此在選擇最佳模型是需要運(yùn)行上百次甚至上千次才能得到比較好的結(jié)果；在預(yù)處理方法一樣，同樣的訓(xùn)練集與校正集