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【上期回顧】我們介紹了高光譜成像技術(shù)在糧食水分、脂肪酸、蛋白質(zhì)等理化品質(zhì)檢測(cè)中的最新研究進(jìn)展，展示了其在糧食品質(zhì)可視化和精準(zhǔn)定量中的強(qiáng)大潛力。

【本期看點(diǎn)】今天我們將進(jìn)一步聚焦高光譜成像技術(shù)在糧食品種識(shí)別與不完善粒檢測(cè)中的應(yīng)用，從假種子識(shí)別、混雜品種分辨，到霉變、蟲(chóng)蛀等缺陷的精準(zhǔn)分類(lèi)與可視化分析，一起看看高光譜如何“看穿"每一粒糧食的內(nèi)外品質(zhì)，為糧食安全保駕護(hù)航！

1. 高光譜成像技術(shù)在糧食品種識(shí)別中的應(yīng)用

Zhang et al. (2024) 提出了一種基于高光譜成像和深度一類(lèi)學(xué)習(xí)（OCL）的玉米種子欺詐檢測(cè)方法，旨在解決復(fù)雜開(kāi)放場(chǎng)景下未知假品種的識(shí)別難題。通過(guò)融合高光譜數(shù)據(jù)的光譜與空間信息，結(jié)合波段注意力機(jī)制（BAM）抑制冗余波段干擾，構(gòu)建雙分支特征提取網(wǎng)絡(luò)，并利用最小體積超球體學(xué)習(xí)策略實(shí)現(xiàn)真實(shí)品種的高效包裹與假品種的精準(zhǔn)拒絕。實(shí)驗(yàn)基于20個(gè)中國(guó)主栽玉米品種數(shù)據(jù)集，采用光譜（400.8-1000.7 nm）和降維后的單波段空間信息，模型在接收真實(shí)品種（ARK）和拒絕假品種（ARU）的準(zhǔn)確率分別達(dá)到93.70%和94.28%，AUC值為0.9399，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)OCSVM、孤立森林及深度SVDD等方法。該方法通過(guò)端到端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)避免了復(fù)雜光譜預(yù)處理，結(jié)合信息融合與注意力機(jī)制提升了模型的穩(wěn)定性和解釋性，為種子質(zhì)量監(jiān)管及農(nóng)產(chǎn)品防偽提供了高效、無(wú)損的解決方案。

圖10 種子欺詐檢測(cè)的單類(lèi)分類(lèi)器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Huang et al. (2022) 該研究結(jié)合近紅外高光譜成像（HSI）與深度森林（DF）模型，開(kāi)發(fā)了一種快速無(wú)損測(cè)定高粱純度的方法。通過(guò)孤立森林算法（IF）和主成分分析（PCA）剔除異常數(shù)據(jù)后，采用競(jìng)爭(zhēng)性自適應(yīng)重加權(quán)采樣（CARS）與連續(xù)投影算法（SPA）提取特征波長(zhǎng)，并結(jié)合灰度共生矩陣（GLCM）獲取紋理特征。基于不同數(shù)據(jù)類(lèi)型（全光譜、特征光譜、紋理特征及融合數(shù)據(jù)）構(gòu)建的DF模型中，特征光譜模型的性能*優(yōu)，其平均正確識(shí)別率（CRR）超過(guò)91%，驗(yàn)證集I的平均CRR為88.89%。此外，模型在摻假比例檢測(cè)中預(yù)測(cè)偏差小于4%。研究證實(shí)，HSI與DF的結(jié)合能夠高效區(qū)分高粱品種并精準(zhǔn)評(píng)估純度，為谷物質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)提供了新策略。高粱摻雜識(shí)別可視化如圖11所示。

圖11 高粱摻雜識(shí)別可視化

Han et al. (2024) 該研究開(kāi)發(fā)了一種雙通道深度學(xué)習(xí)特征融合模型（DLFM），通過(guò)一維卷積模塊提取高光譜數(shù)據(jù)的光譜特征，二維卷積模塊提取RGB圖像的空間特征，并利用自適應(yīng)特征融合模塊實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合（圖12）。實(shí)驗(yàn)表明，DLFM在三品種、四品種和五品種小麥組合中的識(shí)別準(zhǔn)確率分別達(dá)到99.18%、97.30%和93.18%，平均準(zhǔn)確率為92.87%，較傳統(tǒng)SVM、1DCNN和2DCNN模型提升顯著（最高提升12.54%）。驗(yàn)證集可視化顯示，模型能有效區(qū)分光譜和紋理特征相似的小麥品種，且預(yù)測(cè)誤差控制在10粒以?xún)?nèi)。研究證實(shí)，DLFM通過(guò)自適應(yīng)融合光譜與圖像特征，顯著提升了復(fù)雜混合場(chǎng)景下的分類(lèi)穩(wěn)定性，為谷物品種快速無(wú)損識(shí)別提供了新方法。

圖12 DLFM模型的結(jié)構(gòu)

Makmuang et al. (2023) 提出了一種基于監(jiān)督自組織映射（SOM）的高光譜近紅外（NIR）成像技術(shù)，用于快速、無(wú)損鑒別雜草水稻與栽培水稻種子。針對(duì)雜草水稻與栽培水稻形態(tài)相似導(dǎo)致傳統(tǒng)鑒別方法效率低的問(wèn)題，研究通過(guò)優(yōu)化高光譜成像參數(shù)（如縮放值與地圖大小），構(gòu)建全局SOM模型，將種子圖像像素直接投影至模型進(jìn)行分類(lèi)，并結(jié)合熱重分析（TGA）、掃描電子顯微鏡（SEM）、傅里葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）及實(shí)時(shí)直接分析質(zhì)譜（DART-MS）驗(yàn)證化學(xué)與物理特性差異（圖13）。實(shí)驗(yàn)表明，該方法在雜草水稻與栽培水稻PL2和RD49品種的分類(lèi)中分別達(dá)到98%和88%的準(zhǔn)確率，且獨(dú)立于區(qū)域興趣（ROI）選擇，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法。研究首*將監(jiān)督SOM與高光譜NIR技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于種子質(zhì)量評(píng)估，為農(nóng)業(yè)實(shí)踐中快速、精準(zhǔn)的種子鑒別提供了創(chuàng)新解決方案。

圖13研究流程圖

2. 高光譜成像技術(shù)在糧食不完善粒識(shí)別中的應(yīng)用

不完善粒是指受到損傷但仍有使用價(jià)值的籽粒包括蟲(chóng)蝕粒、病斑粒、生芽粒、霉變粒、破損粒等，各種不完善粒的產(chǎn)生不僅會(huì)給糧食生產(chǎn)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)危及食品安全健康。Yang et al. (2024) 本研究提出了一種基于高光譜成像（HSI）和融合光譜-空間注意力模塊的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN-Spl-Spal-At）的玉米粒缺陷無(wú)損檢測(cè)方法。通過(guò)對(duì)發(fā)芽、熱損傷、蟲(chóng)害、霉變、破碎及健康六類(lèi)玉米粒（共594個(gè)樣本）的高光譜數(shù)據(jù)（380-1000 nm）分析，構(gòu)建了結(jié)合光譜注意力和空間注意力機(jī)制的深度學(xué)習(xí)模型，并對(duì)比了傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型（SVM、ELM）及不同CNN變體的性能（圖14）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CNN-Spl-Spal-At模型在訓(xùn)練集和測(cè)試集上分別達(dá)到98.04%和94.56%的平均分類(lèi)準(zhǔn)確率，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法和單一注意力模塊的CNN模型。該模型通過(guò)可視化技術(shù)直觀(guān)展示不同缺陷類(lèi)型在玉米粒表面的分布，驗(yàn)證了其在細(xì)節(jié)特征提取和分類(lèi)魯棒性上的優(yōu)勢(shì)。研究為基于高光譜成像的糧食質(zhì)量在線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備開(kāi)發(fā)提供了理論支持，并拓展了多模態(tài)特征融合與注意力機(jī)制在農(nóng)業(yè)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用潛力。

圖14 研究流程圖

Dhakal et al. (2023) 基于高光譜成像（HSI）與機(jī)器學(xué)習(xí)方法，提出了一種小麥籽粒赤霉病（FHB）損傷及其毒素脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（DON）含量的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)對(duì)129個(gè)小麥品種的田間試驗(yàn)樣本（DON含量通過(guò)GC-MS測(cè)定）進(jìn)行高光譜數(shù)據(jù)采集，結(jié)合集成學(xué)習(xí)算法G-Boost和深度學(xué)習(xí)模型Mask R-CNN，實(shí)現(xiàn)了小麥籽粒損傷分類(lèi)與DON含量的關(guān)聯(lián)分析（圖15）。結(jié)果表明，G-Boost在光譜特征分類(lèi)中表現(xiàn)*優(yōu)，訓(xùn)練集準(zhǔn)確率達(dá)97%，可有效區(qū)分健康、低DON（<0.5 ppm）與高DON（>1.5 ppm）籽粒；Mask R-CNN在實(shí)例分割中平均精度（mAP）達(dá)0.97，結(jié)合閾值法（70%病斑像素判定為病粒）后，DON含量與病粒數(shù)量回歸分析的決定系數(shù)（R2）提升至0.75。該研究驗(yàn)證了高光譜成像結(jié)合多模態(tài)機(jī)器學(xué)習(xí)模型在農(nóng)業(yè)毒素在線(xiàn)檢測(cè)中的潛力，為糧食加工環(huán)節(jié)的快速質(zhì)量評(píng)估提供了技術(shù)參考。

圖15 研究流程圖

Zhang et al. (2021) 提出了一種基于多角度近紅外高光譜成像技術(shù)（波長(zhǎng)范圍973–1657 nm）結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，用于高效識(shí)別米象蟲(chóng)（Sitophilus oryzae L.）損害的小麥籽粒。通過(guò)采集小麥籽粒四個(gè)側(cè)面的高光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換（SNV）預(yù)處理、連續(xù)投影算法（SPA）特征提取與線(xiàn)性判別分析（LDA）建模，構(gòu)建了SNV-SPA-LDA混合模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型在外部驗(yàn)證中分類(lèi)準(zhǔn)確率、靈敏度和特異性分別達(dá)到97%、98%和96%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)單點(diǎn)光譜或單角度成像方法。研究強(qiáng)調(diào)了多角度數(shù)據(jù)采集對(duì)捕捉蟲(chóng)洞隨機(jī)分布特征的重要性，并揭示了淀粉和蛋白質(zhì)相關(guān)光譜波段（如1140–1200 nm和1550–1610 nm）在損傷檢測(cè)中的關(guān)鍵作用。該方法為開(kāi)發(fā)多光譜在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)提供了理論依據(jù)，未來(lái)可進(jìn)一步結(jié)合小麥品種、產(chǎn)地等因素優(yōu)化模型普適性

圖16 研究流程圖

Yang et al. (2020) 基于高光譜成像（HSI）與堆疊稀疏自動(dòng)編碼器（SSAE）算法，提出了一種貯藏玉米粒霉變狀態(tài)的早期無(wú)損檢測(cè)方法。通過(guò)對(duì)285個(gè)不同貯藏時(shí)間（0-40天）的玉米樣本（依據(jù)真菌孢子數(shù)劃分為健康、輕度、中度、重度霉變四類(lèi)）進(jìn)行高光譜數(shù)據(jù)（400-1000 nm）采集，結(jié)合SSAE網(wǎng)絡(luò)提取光譜非線(xiàn)性特征，并對(duì)比傳統(tǒng)特征選擇算法（VCPA、RF）及多種分類(lèi)器（KELM、ELM、SVM）構(gòu)建識(shí)別模型。結(jié)果表明，SSAE-KELM模型表現(xiàn)*優(yōu)，訓(xùn)練集與測(cè)試集平均分類(lèi)準(zhǔn)確率分別達(dá)97.36%和96.84%，敏感性與特異性均高于0.92。此外，研究通過(guò)像素級(jí)與物體級(jí)可視化技術(shù)直觀(guān)展示了不同霉變等級(jí)在玉米粒表面的分布特征（圖17）。該成果驗(yàn)證了深度學(xué)習(xí)方法在高光譜數(shù)據(jù)特征挖掘中的優(yōu)勢(shì)，為糧食倉(cāng)儲(chǔ)中早期霉變的快速在線(xiàn)檢測(cè)提供了技術(shù)參考，并拓展了多模態(tài)特征融合在農(nóng)業(yè)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用潛力。

圖17基于像素級(jí)和對(duì)象級(jí)的玉米籽粒霉變等級(jí)可視化

Kang et al. (2022) 提出了一種基于高光譜成像技術(shù)（400–1000 nm）與協(xié)同聚類(lèi)算法的無(wú)監(jiān)督玉米粒霉變檢測(cè)方法（圖18）。通過(guò)融合模糊C均值聚類(lèi)（FCM）和譜聚類(lèi)（SC）開(kāi)發(fā)了FCM-SC算法，有效解決了傳統(tǒng)方法對(duì)標(biāo)記數(shù)據(jù)的依賴(lài)及復(fù)雜數(shù)據(jù)分布的分類(lèi)難題。研究采用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換（SNV）和乘性散射校正（MSC）預(yù)處理光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合主成分分析（PCA）降維及二維Gabor紋理特征提取，實(shí)現(xiàn)了光譜與圖像信息的協(xié)同利用。實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)CM-SC算法在準(zhǔn)確率（93.47%）、歸一化互信息（0.5885）和蘭德指數(shù)（0.8943）上顯著優(yōu)于傳統(tǒng)聚類(lèi)算法（如K-means、GMM），且在不依賴(lài)標(biāo)記樣本的情況下，其性能超過(guò)監(jiān)督模型（如SVM、LDA）。該方法通過(guò)多階段聚類(lèi)壓縮數(shù)據(jù)規(guī)模并保持非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)，為糧食質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)提供了高效的無(wú)監(jiān)督解決方案，未來(lái)可進(jìn)一步優(yōu)化算法實(shí)時(shí)性與泛化能力

圖18 玉米籽粒霉變高光譜圖像檢測(cè)算法

總結(jié)與展望

高光譜成像技術(shù)結(jié)合光譜分析和圖像處理的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了糧食品質(zhì)的無(wú)損、快速、精準(zhǔn)檢測(cè)。近年來(lái)，該技術(shù)在多個(gè)方面取得重要進(jìn)展，包括：1）成分分析，利用高光譜數(shù)據(jù)定量檢測(cè)糧食中的水分、蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉等營(yíng)養(yǎng)成分，提高品質(zhì)監(jiān)測(cè)的科學(xué)性；2）品質(zhì)分級(jí)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)方法，基于光譜特征對(duì)糧食品質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)分級(jí)，提高分選效率；3）霉變與污染檢測(cè)，通過(guò)識(shí)別霉變區(qū)域和真菌毒素污染，實(shí)現(xiàn)食品安全快速篩查；4）品種鑒別，基于高光譜特征提取，不同糧食品種可精準(zhǔn)分類(lèi)；5）存儲(chǔ)和加工監(jiān)測(cè)，跟蹤糧食在存儲(chǔ)、加工過(guò)程中的品質(zhì)變化，如水分損失、氧化變質(zhì)等，以?xún)?yōu)化儲(chǔ)存和加工條件。

未來(lái)，高光譜成像技術(shù)在糧食品質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域?qū)⑾蛑悄芑⒈銛y化、多功能化方向發(fā)展。1）設(shè)備小型化與實(shí)時(shí)檢測(cè)，開(kāi)發(fā)便攜式或在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)，適用于生產(chǎn)線(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)；2）多源信息融合，結(jié)合X射線(xiàn)、熱成像等技術(shù)，提高檢測(cè)全面性和精度；3）深度學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)分析，利用Transformer、CNN等優(yōu)化光譜數(shù)據(jù)處理，提高計(jì)算效率和模型泛化能力；4）標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)業(yè)化，建立統(tǒng)一的光譜數(shù)據(jù)處理方法和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)技術(shù)在糧食檢測(cè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用；5）光譜特征優(yōu)化，研究高效波段選擇和特征提取方法，降低數(shù)據(jù)冗余，提高計(jì)算速度。未來(lái)，該技術(shù)將與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化結(jié)合，推動(dòng)糧食品質(zhì)檢測(cè)向高效、精準(zhǔn)、智能方向發(fā)展，為糧食安全提供更有力的技術(shù)支持。

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