基于近紅外高光譜成像技術南疆冬棗DOLP五次多項式擬合模型研究

王玉婷，索玉婷，王長旭，羅華平,2※

（1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾族自治區普通高等學校農業工程重點實驗室）

0 引言

南疆冬棗的產地屬暖溫帶大陸性干旱氣候，總日照數2 990 h，無霜期平均210天，年平均氣溫11.4℃，最低為-28℃。阿拉爾氣候溫和，土質肥沃，冬棗富含多種微量元素和礦物質，有防癌、防心腦血管疾病之功效，營養價值為百果之冠，倍受廣大消費者青睞，被稱為“天下奇果”。

傳統的果品內部品質檢測主要采用化學分析法，制樣繁瑣、分析速度慢，通常用少量樣本代替批次果品的品質，且檢測時必須破壞果品，因此難以在商業上應用。由于冬棗含水量高、皮薄肉脆，極易受機械損傷和微生物侵染而腐爛變質，因此不宜儲存，也不適合采用傳統方法進行果品內部品質檢測，而高光譜成像技術可以根據其光譜信息與冬棗內部的化學成分相關聯，做到快速無損檢測。

近紅外高光譜成像技術（near-infrared hyperspectral imaging,NIR-HSI）是將傳統的近紅外技術與計算機成像技術相結合，可以同時采集被測物品的空間信息和化學信息，近紅外高光譜在無損檢測方面已取得頗豐的研究成果，索玉婷[1]等利用線偏振度與水分含量的相關性和在晴天和陰天條件下的相關性研究南疆冬棗戶外天氣模型研究；石魯珍[2]等利用高光譜成像技術測定冬棗內部Vc；王成[3]等選擇從全波段中選擇特定波長建立篩查保健食品中違禁添加抗炎藥物雙氯芬酸鈉的模型；Wang Zheli[4]等選擇光譜信息與特定波長建模測定玉米單粒種子含水量；Badaró Amanda Teixeira[5]等用機械學習評價濃縮面食中的纖維分布；Lan Weijie[6]等通過光譜與色譜量化檢測蘋果切片內部品質；Khamsopha Duangkamolrat[7]等利用化學檢測方法建立木薯摻假的測定模型。

本試驗以南疆優質冬棗為研究對象，基于近紅外高光譜成像技術，選擇特定波長與紋理信息與不同相位角下的Dolp（Degree of Linear Polarizationg）值進行五次多項式擬合，用于反演2π空間內的南疆冬棗任意入射角和探測角的Dolp值，為南疆近地面紅棗品質遙感檢測奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用主要儀器是Image-λ-N17E-N3型增強型近紅外高光譜相機，冬棗采集于新疆維吾爾族自治區阿拉爾市第一師10團。

1.2 試驗方法

試驗時間為2019年10月8日，室外試驗前提前兩小時從18°的冰柜里拿出冬棗，挑選108個大小均勻顏色相近的冬棗，挑選的同時拿軟布把冬棗表面的土擦凈，并在冬棗的穩定面按1到108的順序標號。樣品準備完畢后，開始搭建試驗平臺，在農業工程重點實驗室樓下的空地上選一塊無其他事物投影的場地，擺放試驗架，把白板放在試驗架的正中間，在試驗架的正前方架好高光譜相機，連接電源、數據線、電腦等輔助設備，調試設備，測量探測器的方位角、高度角，以及傳感器與白板中心的距離，最后把冬棗按照從左到右從上到下的順序擺放在白板兩側的試驗架上，并記錄白板、試驗架等的長度。

室外試驗測定開始，待正午太陽大概在頭頂正上方時，分別在無偏、0°偏振、45°偏振、90°偏振、135°偏振下對試驗架上的冬棗進行掃描，掃描完畢后，再用防曬傘把試驗臺遮起來，重復上訴操作。之后再調整探測器的方位角于30°和45°，繼續重復探測器方位角0°時的所有試驗步驟。每改變一次探測器方位角，都要測量一次太陽高度角以及太陽方位角。

室外試驗結束后，把冬棗按順序放到試驗盤里，迅速拿到室內，按照GB/5009.3-2010《食品中水分的測定》的方法對冬棗進行水分測定。

圖1 試驗示意圖

2 試驗結果及分析

目前關于南疆冬棗Dolp模型的研究還較少，Dolp模型沒有得到普遍使用。通過分析南疆冬棗實驗數據發現，Dolp大小與相位角大小是密切相關的。本試驗在探測器方位角分別為0°、30°、45°掃描時，實驗架最左側一排紅棗的相位角分別為：45.7°、66.5°、72.58°，實驗架最右邊一排紅棗的相位角分別為：73.44°、90.36°、94.77°，白板左側一排紅棗的相位角分別為：52.2°、75.48°、88.33°，白板右側一排紅棗的相位角分別為：65.38°、87.86°、90.64°。從12個相位角的南疆冬棗數據中任選9個，但三次掃描所對應的相位角中各留一個用來預測，后利用Matlab對Dolp進行五次多項式擬合。由于長波部分時Dolp較高，數值變化更明顯，所以從全波段中選三個長波1300nm、1400nm、1500nm進行分段預測。

圖2為南疆冬棗在波長1300nm、1400nm、1500nm時試驗數據和五次多項式擬合曲線的相互關系圖，其對應的R平方值分別為：0.83、0.91、0.67，由此可以判斷該五次多項式擬合模型較為精準，可以較好地描述南疆紅棗Dolp與相位角之間的相互關系，試驗數據的相位角都集中在了45°到95°之間，而其他范圍的角度則缺乏測量數據的驗證和分析。由這個關系得出以下結論：

圖2 南疆冬棗試驗數據曲線的擬合關系

（1）當相位角由45°向60°、75°向90°逐漸遞增時，南疆冬棗的Dolp也呈現遞增趨勢，相位角60°、90°附近Dolp出現峰值，當達到這個臨界角時，Dolp則呈現明顯的遞減趨勢。

（2）當相位角由60°向75°逐漸遞增時，南疆冬棗的Dolp則呈現遞減趨勢，相位角75°附近Dolp出現谷值，當達到這個臨界角時，Dolp則呈現遞增趨勢。

（3）當相位角在45°到100°之間變化時，南疆冬棗的Dolp會出現兩個極大值和一個極小值。

把預測數據與其余3個位置的南疆冬棗試驗數據進行比較分析，分析結果如表1，表2。

表2 多波段Dolp模型參數值

3 結論

由擬合試驗結果可知，相位角為52.2°、75.48°、88.33°時，南疆冬棗Dolp分量的誤差分別為：6.38%、2.61%、2.81%。進而可以反演2π空間內的南疆冬棗任意入射角和探測角的Dolp值。由于相位角的范圍有限，若想知道2π空間檢測紅棗品質的最優相位角還需大量試驗，本文可為今后解決相位角對南疆近地面紅棗品質遙感檢測做鋪墊。