粉葛是一種藥食兩用的植物，含葛根素、淀粉、纖維素、維生素等，具有極高的藥用和食用價(jià)值。相關(guān)研究表明粉葛中化學(xué)成分的含量與其生長(zhǎng)年限密切相關(guān)。然而粉葛在市場(chǎng)流通中存在不滿足規(guī)定生長(zhǎng)年限的非標(biāo)準(zhǔn)品，肉眼難以區(qū)分，嚴(yán)重影響臨床療效。目前對(duì)粉葛年限鑒別主要依靠傳統(tǒng)的理化技術(shù)，其操作周期長(zhǎng)，破壞樣品的完整性，無(wú)法快速批量檢測(cè)。此類操作實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高、并破壞藥材的完整性，在一定程度上受技術(shù)人員主觀性影響。因此，如何快速、無(wú)損、精準(zhǔn)的鑒別不同生長(zhǎng)年限的粉葛具有重要意義。高光譜成像技術(shù)的發(fā)展為粉葛年限的快速、無(wú)損鑒定提供了新思路。

光譜分辨率決定因素分析

經(jīng)過(guò)對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行校正后，按照對(duì)不同年限的粉葛進(jìn)行采樣，得到樣本的光譜曲線如圖１（ａ，ｂ）。

圖１粉葛樣本的原始光譜曲線圖

（ａ）：ＶＮＩＲ透鏡下；（ｂ）：ＳＷＩＲ透鏡下

示，圖1(a)和(b)分別為VNIR(410.45~990.10nm)透鏡和SWIR(948.72-~2512.97nm)透鏡下光譜曲線，其中每一條曲線代表一個(gè)樣本?從圖1中可知不同年限粉葛的光譜反射率趨勢(shì)大致相同，但難以對(duì)其區(qū)分?為了清晰地比較不同年限粉葛之間的區(qū)別，分別對(duì)三種不同年限的樣本求平均，得到的光譜曲線如圖2所示，其中(a)和(b)分別為VNIR和SWIR透鏡下的結(jié)果，每條代表一個(gè)年限的平均光譜曲線?從圖2中能直觀的看出不同年限的粉葛平均光譜反射率在VNIR和SWIR兩個(gè)鏡頭下均存在差別，其中三年生粉葛高于一年生和二年生，說(shuō)明不同年限粉葛的光譜特征存在差異，基于高光譜成像技術(shù)對(duì)其年限鑒別是一種可行手段?

2、數(shù)據(jù)處理

標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換預(yù)處理。本研究采用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換(standardnormalvariate，SNV)為預(yù)處理方法，經(jīng)過(guò)SNV預(yù)處理后的光譜曲線如圖3所示，(a)和(b)分別為VNIR和SWIR兩個(gè)鏡頭下的結(jié)果?經(jīng)SNV處理后，能有效消除光譜散射和漫反射的影響，減少各種干擾信息?

圖2不同年限粉葛樣本的ROI平均光譜曲線

(a):VNIR透鏡下;(b):SWIR透鏡下

圖3SNV預(yù)處理后的粉葛樣本光譜曲線圖

(a):VNIR透鏡下;(b):SWIR透鏡

3、結(jié)論

將高光譜成像技術(shù)和主成分分析法結(jié)合，建立四種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，能夠準(zhǔn)確的鑒別一年生?二年生?三年生的粉葛?實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明高光譜成像技術(shù)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同生長(zhǎng)周期粉葛的精準(zhǔn)鑒別?未來(lái)將進(jìn)一步研究如何優(yōu)化模型，同時(shí)改進(jìn)硬件設(shè)施，將獲得穩(wěn)定?準(zhǔn)確的模型并植入便攜式設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同年限粉葛快速無(wú)損的工業(yè)化檢測(cè)，為粉葛的野生撫育和科學(xué)合理安排粉葛的種植年限提供理論依據(jù)與方法?

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審核編輯 黃宇