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基于高光谱成像技术的虫草粉末无损鉴定的实验探索
日期：2024-09-26 04:28
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摘要：
摘要
通过近红外高光谱成像技术建立对冬虫夏草粉末的真假鉴别及含量判断的无损检测方法。方法：1、通过光谱范围为1um~2.5um的高光谱相机对真假及不同含量的虫草粉末进行高光谱反射光谱采集。2、通过反射率校正、噪声与背景去除后，通过主成分分析变换（PCA）提取真假样本，再通过偏*小二乘法变换（PLSA）对样本含量进行分析判断。结论：通过近红外高光成像技术可以准确的对虫草粉的真假进行差别，并可对虫草粉有效含量进行评判，含量评判准确性有待进一步验证。
1、 实验部分
1.1 仪器与样本
仪器：测试仪器为北京卓立汉光仪器有限公司自主开发的高光谱分选仪-GaiaSorter-N25（如图1）。光谱范
围1~2.5um，光谱分辨率10nm，帧速100fps。
样本：由青海唐古拉药业公司提供的10种虫草粉样本。其中伪品两个（9号与10号），标准样品三
个（6号、7号与8号），以及将8#与10#真假样本以不同比例混合的样品（1~5号）。
分析软件：Evince(瑞典Umbio公司)
1.2实验原理及方法
实验原理：高光谱成像技术的定义是在多光谱成像的基础上，在从紫外到近红外（200-2500nm）的光谱范围内，利用成像光谱仪，在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谱波段对目标物体连续成像。在获得物体空间特征成像的同时，也获得了被测物体的光谱信息。
高光谱成像技术具有超多波段（上百个波段）、高的光谱分辨率（几个nm）、波段窄（≤10-2λ）、光谱范围广（200-2500nm）和图谱合一等特点。优势在于采集到的图像信息量丰富，识别度较高和数据描述模型多。由于物体的反射光谱具有“指纹”效应，不同物不同谱，同物一定同谱的原理来分辨不同的物质信息。
实验方法：由于高光谱检测是一种无损检测技术，所以样品无需制备，将样本放置在分选仪的载物台通过软件
即可得到样品的高光谱反射数据。
2、 结果与讨论
图3合成RGB图像
2.1 将测试原始数据进行降噪处理后，通过主成份分析变换（PCA）进行背景扣除后，再次进行主成份分析变换（PCA）后结果如下：
图4主成分分析结果
通过主成份分析，可以明显将9#、10#样品与其它样品进行区分，判断9#与10#样品为伪品。
2.2 进一步将6#样品与8#样品做为样本，将7#样品做为未知区域进行偏*小二乘法变换（PLSA）实现分类判别，判定结果如下：
Predicted as: # Predicted
6# 122 (3.85%)
8# 2933 (92.5%)
Not Classified 115(3.63%)
Total3170 (100%) 3170 (100%)
分析结果表明：7#样品为8#与6#的混合样品，混合比例约为3.85%：92.5%，其中有约3.63%的区域无法归类差别。
2.3 将8#样品与10#样品做为样本，将1~5#样品做为未知区域进行偏*小二乘法变换（PLSA）实现分类判别，判断8#与10#样本的混合比例，结果如下：
1#样品：
Predicted as: # Predicted
8# 1841 (91.1%)
10# 168 (8.31%)
Not Classified 12 (0.594%)
Total2021 (100%) 2021 (100%)
2#样品：
Predicted as: # Predicted
8# 1648 (81.1%)
10# 385 (18.9%)
Not Classified 0 (0%)
Total2033 (100%) 2033 (100%)
3#样品：
Predicted as: # Predicted
8# 1816 (90.5%)
10# 182 (9.07%)
Not Classified 8 (0.399%)
Total2006 (100%) 2006 (100%)
4#样品：
Predicted as: # Predicted
8# 1905 (97.5%)
10# 6 (0.307%)
Not Classified 42 (2.15%)
Total1953 (100%) 1953 (100%)
5#样品：
Predicted as: # Predicted
8# 1866 (65.9%)
10# 959 (33.9%)
Not Classified 5 (0.177%)
Total2830 (100%) 2830 (100%)
3、 结论
通过以上对虫草粉样品在近红外波段的反射高光谱图像采集，经过主成份分析，可有效的对虫草粉的真伪进行鉴别。进一步通过偏*小二乘法分析对样本区域进行分析判断，可对样品的有效成份含量进行鉴别。由于目前样本采样数量较小，对于成份含量判断的准确性还需进一步实验验证。
实验初步验证了高光谱技术在虫草粉鉴别的可行性。进一步还需通过实验和分析判断出理想的特征波段，以降低数据采集量，并进一步优化数据分析模型与数据处理速度，从而达到在线检测的速度与准确性要求。
通过近红外高光谱成像技术建立对冬虫夏草粉末的真假鉴别及含量判断的无损检测方法。方法：1、通过光谱范围为1um~2.5um的高光谱相机对真假及不同含量的虫草粉末进行高光谱反射光谱采集。2、通过反射率校正、噪声与背景去除后，通过主成分分析变换（PCA）提取真假样本，再通过偏*小二乘法变换（PLSA）对样本含量进行分析判断。结论：通过近红外高光成像技术可以准确的对虫草粉的真假进行差别，并可对虫草粉有效含量进行评判，含量评判准确性有待进一步验证。
1、 实验部分
1.1 仪器与样本
仪器：测试仪器为北京卓立汉光仪器有限公司自主开发的高光谱分选仪-GaiaSorter-N25（如图1）。光谱范
围1~2.5um，光谱分辨率10nm，帧速100fps。
样本：由青海唐古拉药业公司提供的10种虫草粉样本。其中伪品两个（9号与10号），标准样品三
个（6号、7号与8号），以及将8#与10#真假样本以不同比例混合的样品（1~5号）。
分析软件：Evince(瑞典Umbio公司)
1.2实验原理及方法
实验原理：高光谱成像技术的定义是在多光谱成像的基础上，在从紫外到近红外（200-2500nm）的光谱范围内，利用成像光谱仪，在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谱波段对目标物体连续成像。在获得物体空间特征成像的同时，也获得了被测物体的光谱信息。
高光谱成像技术具有超多波段（上百个波段）、高的光谱分辨率（几个nm）、波段窄（≤10-2λ）、光谱范围广（200-2500nm）和图谱合一等特点。优势在于采集到的图像信息量丰富，识别度较高和数据描述模型多。由于物体的反射光谱具有“指纹”效应，不同物不同谱，同物一定同谱的原理来分辨不同的物质信息。
实验方法：由于高光谱检测是一种无损检测技术，所以样品无需制备，将样本放置在分选仪的载物台通过软件
即可得到样品的高光谱反射数据。
2、 结果与讨论
图3合成RGB图像
2.1 将测试原始数据进行降噪处理后，通过主成份分析变换（PCA）进行背景扣除后，再次进行主成份分析变换（PCA）后结果如下：
图4主成分分析结果
图5 6#、9#、10#样品典型光谱
通过主成份分析，可以明显将9#、10#样品与其它样品进行区分，判断9#与10#样品为伪品。
2.2 进一步将6#样品与8#样品做为样本，将7#样品做为未知区域进行偏*小二乘法变换（PLSA）实现分类判别，判定结果如下：
Predicted as: # Predicted
6# 122 (3.85%)
8# 2933 (92.5%)
Not Classified 115(3.63%)
Total3170 (100%) 3170 (100%)
分析结果表明：7#样品为8#与6#的混合样品，混合比例约为3.85%：92.5%，其中有约3.63%的区域无法归类差别。
2.3 将8#样品与10#样品做为样本，将1~5#样品做为未知区域进行偏*小二乘法变换（PLSA）实现分类判别，判断8#与10#样本的混合比例，结果如下：
1#样品：
Predicted as: # Predicted
8# 1841 (91.1%)
10# 168 (8.31%)
Not Classified 12 (0.594%)
Total2021 (100%) 2021 (100%)
2#样品：
Predicted as: # Predicted
8# 1648 (81.1%)
10# 385 (18.9%)
Not Classified 0 (0%)
Total2033 (100%) 2033 (100%)
3#样品：
Predicted as: # Predicted
8# 1816 (90.5%)
10# 182 (9.07%)
Not Classified 8 (0.399%)
Total2006 (100%) 2006 (100%)
4#样品：
Predicted as: # Predicted
8# 1905 (97.5%)
10# 6 (0.307%)
Not Classified 42 (2.15%)
Total1953 (100%) 1953 (100%)
5#样品：
Predicted as: # Predicted
8# 1866 (65.9%)
10# 959 (33.9%)
Not Classified 5 (0.177%)
Total2830 (100%) 2830 (100%)
3、 结论
通过以上对虫草粉样品在近红外波段的反射高光谱图像采集，经过主成份分析，可有效的对虫草粉的真伪进行鉴别。进一步通过偏*小二乘法分析对样本区域进行分析判断，可对样品的有效成份含量进行鉴别。由于目前样本采样数量较小，对于成份含量判断的准确性还需进一步实验验证。
实验初步验证了高光谱技术在虫草粉鉴别的可行性。进一步还需通过实验和分析判断出理想的特征波段，以降低数据采集量，并进一步优化数据分析模型与数据处理速度，从而达到在线检测的速度与准确性要求。
