基于近红外光谱及成像的苹果品质无损检测方法和装置研究

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1、分类号：单位代码：密级：公开学号：学位论文基于近红外光谱及成像的苹果品质无损检测方法和装置研究研宄生：郭志明指导教师：王秀研究员合作指导教师：彭彦昆教授申请学位门类级别：工学博士专业名称：农业工程研宄方向：农产品无损检测技术与装备所在学院：工学院年月分类号：单位代码：密级：公开学号：学位论文基于近红外光谱及成像的苹果品质无损检测方法和装置研究研究生：郭志明指导教师：王秀研究员合作指导教师：彭彦昆教授申请学位门类级别：工学博士专业名称：农业工程研究方向：农产品无损检测技术与装备所在学院：工学院年月独创性声

2、明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中已经注明引用和致谢的内容外，论文中不包含本人和其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名时间：年彡月日关于学位论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定。本人同意中国农业大学有权保存及向国家有关部门和机构送交论文的纸质版和电子版

3、，允许论文被查阅和借阅；本人同意中国农业大学将本学位论文的全部或部分内容授权汇编录入《中国博士学位论文全文数据库》或《中国优秀硕士学位论文全文数据库》进行出版，并享受相关权益。保密的学位论文在解密后应遵守此协议）研究生签名：年月日：时间中国农业大学博士学位论文摘要摘要我国是世界上最大的苹果生产和消费国，苹果在我国现代农业中占有举足轻重的地位。随着国际贸易竞争的加剧和苹果消费由外观品质转向更注重内部品质的需求，迫切需要产后品质与安全商品化处理技术，特别是快速无损、可在线的检测技术和方法。研究苹果内在品质和

4、安全品质的无损检测方法，开发主要品质指标快速、高精度、无损伤、可在线、智能化的检测系统，对于保障苹果品质、减少产后损失、实现苹果加工增值、增强我国苹果的国际竞争力具有重要意义。本研究以苹果为研宄对象，利用近红外光谱分析技术、高光谱成像技术和多信息融合技术对苹果的品质进行快速无损检测研究。从检测机理、关键技术与方法、系统研制三个方面开展研究，论文的主要研宄内容如下：探析了光在苹果组织中的有效穿透深度和散射分布规律，分析了苹果组织的质地特性。根据研宄需要，设计了光传输特性试验平台，研宄苹果组织对光的衰减作用

5、以及光在苹果组织散射的分布规律。利用最小二乘拟合的方法计算得出了苹果组织各波长下的有效穿透深度，同时分析了果皮对苹果光穿透深度的影响。采用曲线拟合的方法，解析苹果组织空间分辨的衰减规律，表征光传输散射特性。通过仪器表征的方法量化描述质地特性，结果客观准确，建立了苹果的质地测试方法，分析了质地测试曲线的变化和质地各统计量的含义和计算方法，比较了苹果不同测试部位的质地差异。为苹果品质的无损检测机理和检测系统设计提供理论依据。提出了一种高光谱图像的光强度校正方法，建立了苹果各内部品质的高光谱图像预测模型。利用

6、高光谱图像高空间分辨率和光谱分辨率的特性，分析了感兴趣区域形状和大小对苹果品质检测模型的影响。圆形感兴趣区域横向最大选择个像素点时得到的模型结果最好，校正集和预测集相关系数分别为和。针对苹果表面曲率变化引起的高光谱图像的亮度不均，利用提出的光强度校正方法，绘制了苹果可溶性固形物含量的空间分布图，实现品质指标的可视化预测。采用用联合区间偏最小二乘法优选子区间组合的建模方法，比较了可见短波近红外高光谱图像和长波近红外高光谱图像的预测效果，分别建立了苹果可溶性固形物含量、表皮硬度、果肉平均坚实度和有效酸度等内

7、部品质的分析模型，最优模型的预测相关系数分别为、、和。感兴趣区域优选、光强度校正方法和波段比较为高光谱成像技术的进一步应用提供方法参考。研究将蚁群优化算法启发式全局搜索机制应用于优选特征光谱，建立稳健精简的品质定量分析模型。近红外光谱的特征变量优选是一个组合优化问题，自适应蚁群优化算法的全局性、离散性和概率选择等特点对近红外光谱非常适用。研究尝试利用蚁群算法启发式全局搜索的特点结合蒙特卡罗轮盘赌随机选择机制，选择苹果可溶性固形物含量的近红外光谱特征波长，然后用偏最小二乘法建立不同产地苹果可溶性固形物含量

8、混合分析模型，以提高近红外光谱预测模型的稳健性和适用性。采用蚁群优化算法选择的个波数点建立的偏最小二乘模型，其预测集相关系数为，预测均方根误差为与全光谱偏最小二乘模型和遗传偏最小二乘模型相比，蚁群优化算法选择的波长数最少，且模型预测能力最强。研究结果表明，蚁群优化算法可以有效选择近红外光谱特征波长，简化模型，提高计算效率，增强模型的稳健性。提出了近红外光谱可溶性固形物含量模型的颜色补偿方法。颜色引起的光谱扰动会引起中国农业大学博士学位论文摘