基于高光谱成像技术的粉葛年限的鉴别

粉葛是一种药食两用的植物，含葛根素、淀粉、纤维素、维生素等，具有极高的药用和食用价值。相关研究表明粉葛中化学成分的含量与其生长年限密切相关。然而粉葛在市场流通中存在不满足规定生长年限的非标准品，肉眼难以区分，严重影响临床疗效。目前对粉葛年限鉴别主要依靠传统的理化技术，其操作周期长，破坏样品的完整性，无法快速批量检测。此类操作实验周期长、成本高、并破坏药材的完整性，在一定程度上受技术人员主观性影响。因此，如何快速、无损、精准的鉴别不同生长年限的粉葛具有重要意义。高光谱成像技术的发展为粉葛年限的快速、无损鉴定提供了新思路。

光谱分辨率决定因素分析

经过对高光谱数据进行校正后，按照对不同年限的粉葛进行采样，得到样本的光谱曲线如图１（ａ，ｂ）。

图１粉葛样本的原始光谱曲线图

（ａ）：ＶＮＩＲ透镜下；（ｂ）：ＳＷＩＲ透镜下

示，图1(a)和(b)分别为VNIR(410.45~990.10nm)透镜和SWIR(948.72-~2512.97nm)透镜下光谱曲线，其中每一条曲线代表一个样本｡从图1中可知不同年限粉葛的光谱反射率趋势大致相同，但难以对其区分｡为了清晰地比较不同年限粉葛之间的区别，分别对三种不同年限的样本求平均，得到的光谱曲线如图2所示，其中(a)和(b)分别为VNIR和SWIR透镜下的结果，每条代表一个年限的平均光谱曲线｡从图2中能直观的看出不同年限的粉葛平均光谱反射率在VNIR和SWIR两个镜头下均存在差别，其中三年生粉葛高于一年生和二年生，说明不同年限粉葛的光谱特征存在差异，基于高光谱成像技术对其年限鉴别是一种可行手段｡

2、数据处理

标准正态变换预处理。本研究采用标准正态变换(standardnormalvariate，SNV)为预处理方法，经过SNV预处理后的光谱曲线如图3所示，(a)和(b)分别为VNIR和SWIR两个镜头下的结果｡经SNV处理后，能有效消除光谱散射和漫反射的影响，减少各种干扰信息｡

图2不同年限粉葛样本的ROI平均光谱曲线

(a):VNIR透镜下;(b):SWIR透镜下

图3SNV预处理后的粉葛样本光谱曲线图

(a):VNIR透镜下;(b):SWIR透镜

3、结论

将高光谱成像技术和主成分分析法结合，建立四种机器学习模型，能够准确的鉴别一年生､二年生､三年生的粉葛｡实验结果表明高光谱成像技术结合机器学习算法可以实现对不同生长周期粉葛的精准鉴别｡未来将进一步研究如何优化模型，同时改进硬件设施，将获得稳定､准确的模型并植入便携式设备中，实现对不同年限粉葛快速无损的工业化检测，为粉葛的野生抚育和科学合理安排粉葛的种植年限提供理论依据与方法｡

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审核编辑 黄宇