陈皮年份的高光谱技术鉴别研究

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1、陈皮年份的高光谱技术鉴别研究【关键字】高光谱技术陈皮年份化学计量学极限学习机【摘要】市场上陈皮以次充好现象时有发牛，而年份是衡量陈皮品质的重要指标。研究用高光谱技术结合化学计量学算法，在380^1023及874~1734nm两波段对不同放置方式的陈皮进行年份鉴别。为了寻找更合适的波段和模拟实际生产检测屮陈皮放置的随机性，采集了四个年份共180个样本在380~1023及874~1734nm的正、反面高光谱图像(720幅)。用主成分分析法(principalcomponentanalysis,PCA)对陈皮光谱信息进行定性分析，发现不同年份陈皮基于正反面光谱有明显的聚类;而后以回归

2、系数法(regressioncoefficient,RC)选取陈皮年份相关的特征波段以减少变量;用偏最小二乘判别分析(partialleastsquaresdiscriminantanalysis,PLS-DA)基于全波段、特征波段对三种放置方式(正、反、正反混合)的样本建立模型，最后对特征波段建立线性PLS-DA模型和非线性ELM模型并进行比较分析。研究表明：在380~1023nm的预测效果大多高于874~1734nm,基于非线性ELM的判别结果均高于线性PLS-DA模型，准确率最高可达到建模集100.00%,预测集98.33%,陈皮正、反、正反混合三种放置方式预测准确率多数

3、可高丁85%,故采用高光谱技术可实现对不同放置方式的陈皮年份进行无损鉴别，为进一步开发便携仪器或在线生产设备提供方法和理论依据。新会陈皮是芸香科植物茶枝柑的干燥成熟果皮。药理作用显示陈皮可双向调节肠胃运动，有保肝利胆等功效［1］,药用价值颇多。陈皮的主要药用成分是挥发油和橙皮昔，随着年份增加，二者化学成分无明显降低［2］和随之增加［3］,所以陈皮年份越长，药用价值越高，卖价越高。如今市场上以次充好现象常发生，用肉眼却难以识别，所以对陈皮进行年份的检测十分必要。考虑到实际检测中陈皮放置形式具有随机性，故本研究除了对陈皮正而与反而单独进行检测外，同时也会将陈皮正反混合放置进行检测。

4、目前部分学者对于陈皮产地检测［4］、不同年份挥发油含量变化［2］及不同储存年限黄酮含量变化［5］研究较多；对于陈皮的年份鉴别，部分人根据外观用肉眼人工鉴别，具有主观性，准确率可靠性降低；部分学者通过化学方法或光谱学分析方法进行判别，如胡继藤等［6］通过FTTR和GC-MS分析建立新会陈皮年份鉴别方法；有研究利用傅里叶变换红外光谱技术和相关系数比对法进行研究。这些方法均需复杂的样品预处理和化学分析，容易造成环境的二次污染。近红外以及屮红外光谱技术是近年來发展起來的快速、方便、无损的绿色分析技术，如刘飞等利用近红外光谱技术实现了黑木耳产地的准确判别，但都为单点检测，不能很直观地观察

5、整个样本，从而对样本本质的评估会有偏差。高光谱技术将图像信息和光谱信息相融合，已在土壤检测、农作物以及农产品检测等领域中得到应用。Lorente等［7］利用高光谱图像检测柑橘果实腐烂的特征；Lorente等［8］利用ROC曲线和神经网络对柑橘果实腐烂检测进行最佳波长特征选择，但利用高光谱技术对陈皮年份鉴别的研究却鲜有报道。本研究以陈皮为研究对象，利用高光谱像技术结合化学计量学算法，通过陈皮正而反而以及正反混合三种放置方式进行判断，采用不同的建模方法建立了陈皮年份鉴别模型，且考虑到实际需求，建立了陈皮正反混合的鉴别模型，探究了高光谱技术在陈皮年份鉴别中的可行性，为陈皮年份鉴别提供

6、了一种新的技术参考，方便后续仪器鉴别应用与开发。1实验部分1.1材料广陈皮购于广东省江门市新会区惠民中药堂，包括2015年、2010年、2005年、2000年的广陈皮，均为茶枝柑的干燥成熟果皮，各年份陈皮样本如图1所示。从左至右分别为四个年份正反混合状态下的陈皮样木，可见色泽以及伸展度与年份之间存在一定关系，但从肉眼并不能准确做出年份判别。图1不同年份陈皮的RGB图像Fig.1TheRGBimagesofdriedterngerinewithdifferentvintages1.2高光谱获取实验屮采用的高光谱仪(如图2)主要包括：光谱仪，CCD探测器，步进电机控制的位移平台，计

7、算机，暗箱，镜头，卤素灯等。高光谱仪设计参数如下：近红外波段传送带的移动速度设定为14样本与镜头的距离为200mm,曝光时间为4ms。近红外高光谱图像分辨率为320X256像素点。可见近红外波段传送带的移动速度设定为2.8mm-s-1,样木与镜头的距离为315nm,曝光吋间为70ms。获得的原始的高光谱图像需要根据式(1)进行黑白校正以消除由暗电流以及光源的强度分布不均匀所产生的噪声。式中，1为校正后的图像，10为原始高光谱图像，B为关闭光源（反射率为0%）得到的标定图像，W为扫描标准白色板