使用 VIS-NIR 光譜儀區(qū)分有機(jī)和非有機(jī)葉菜

關(guān)于如何快速鑒別有機(jī)蔬菜與非有機(jī)蔬菜，光譜儀器的應(yīng)用提供了新的思路。一起來了解一下今日推薦的文章。
 

當(dāng)前有機(jī)葉類蔬菜面臨著可能被非有機(jī)產(chǎn)品替代以及容易脫水和變質(zhì)的挑戰(zhàn)。為了解決這些問題，本研究采用ASD FieldSpec 4 便攜式地物光譜儀結(jié)合線性判別分析 (LDA) 來快速區(qū)分有機(jī)和非有機(jī)葉菜。有機(jī)類包括有機(jī)空心菜 (Ipomoea Aquatica Forsskal)、莧菜 (Amaranthus tricolor L.)、生菜 (Lactuca sativa var. ramosa Hort.) 和小白菜 (Brassica rapa var. chinensis (Linnaeus) Kitamura)，而非有機(jī)類別由四種對應(yīng)的非有機(jī)類別組成。分別對這些蔬菜的葉子和莖的反射光譜進(jìn)行二元分類。鑒于 VIS-NIR 光譜范圍廣泛，使用穩(wěn)定性選擇 (SS)、隨機(jī)森林 (RF) 和方差分析 (ANOVA) 來評估遺傳算法 (GA) 選擇的波長的重要性。根據(jù)GA選擇的波長及其SS評估值和位置，葉片光譜分類的顯著波段為550-910 nm和1380-1500 nm，而莖光譜分類的顯著波段為750-900 nm和1700-1820 nm。在LDA分類中使用這些選定的波段，分類精度達(dá)到了95%以上。
 

本研究所選取的葉類蔬菜用蒸餾水進(jìn)行了嚴(yán)格的清洗，以有效消除其表面雜質(zhì)，并在開始光譜測量之前進(jìn)行了干燥處理。為了防止蔬菜變質(zhì)，在不參與實驗時，將其儲存在溫度為 4°C 的冷藏裝置中。葉片和莖類樣品的反射光譜在實驗室中通過ASD系統(tǒng)直接測量，沒有使用化學(xué)試劑和其他預(yù)處理。

對于本研究，僅使用了400 nm到2500 nm之間的反射值。針對四種不同類別的葉菜，包括有機(jī)和非有機(jī)品種，共獲取了100個反射光譜。這些反射光譜是從不同樣品的不同位置獲取。每個單獨(dú)的光譜是通過對相應(yīng)樣品的五次掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行平均得到的。
 

四種葉菜的可見光和近紅外反射光譜；綠色曲線（有機(jī)）；紅色曲線（非有機(jī)）

根據(jù)遺傳算法選擇的波長（所有點(diǎn)）得出的所選波段，以及通過穩(wěn)定性選擇方法評估的前 10 個顯著波長（紅點(diǎn)）的位置

(a) 葉片光譜（550–910 nm和1380–1500 nm）；(b) 莖光譜（750–900 nm和1700–1820 nm）
 

【結(jié)論】

本研究結(jié)合了可見光和近紅外光譜學(xué)、波長選擇方法以及線性判別分析，成功地實現(xiàn)了對有機(jī)葉菜和非有機(jī)對應(yīng)物的快速區(qū)分。通過分析遺傳算法選取的波長分布和最顯著波長的分布，我們明確確定了適用于葉片和莖的關(guān)鍵光譜帶，這些帶包括了550–910 nm和1380–1500 nm以及750–900 nm和1700–1820 nm的范圍。利用這些光譜帶進(jìn)行分類，我們?nèi)〉昧?8.3%的高準(zhǔn)確度。研究還揭示了特定波長對葉片和莖的光譜分類有著顯著影響，例如在700 nm、820 nm和1400 nm附近的波長對葉片分類的影響顯著，而在800 nm、1780 nm和2400 nm附近的波長對莖分類起到了重要作用。此外，我們發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定選擇方法在評估波長重要性和分類結(jié)果方面表現(xiàn)優(yōu)異。這項研究提供了一種經(jīng)濟(jì)、快速、無損傷的方法來識別有機(jī)葉菜，未來的研究可以進(jìn)一步改進(jìn)分類模型，并將該技術(shù)擴(kuò)展到其他有機(jī)葉菜的識別中，從而為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和認(rèn)證領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要的參考。

請點(diǎn)擊下方鏈接，閱讀原文：

https://mp.weixin.qq.com/s/fZJEIa8sW7MgewX4lgh2LQ