高光谱成像的图谱特征与卷积神经网络的名优大米无损鉴别

摘要

名优大米含有更多的营养价值与更高的经济价值,不法商家为赚取更多利益,对优质大米掺假甚至以次充好,损害了消费者利益和大米贸易,打击了生产者的生产积极性.希望发展一种基于高光谱成像的图谱特征与深度学习网络的名优大米无损鉴别方法.首先,采集了全国具有代表性的七种名优大米400～1000 nm范围高光谱图像,并提取了每种大米的光谱、纹理与形态特征.使用多元散射校正算法做光谱预处理消除光谱散射.连续投影算法(SPA)、竞争自适应重加权算法(CARS)以及两者级联方法(CARS-SPA)被用来选取光谱特征的重要波长;用SPA选择形态、纹理特征的重要变量.最后,使用深度学习网络-卷积神经网络(CNN)融合各类特征构建大米种类识别模型,而K-近邻(KNN)、随机森林(RF)用于与CNN模型相对比.实验结果显示,根据全光谱构建的模型的分类准确度达到80％ 以上;其中,KNN建模效果最差;RF的效果较好;CNN网络的模型性能最优,训练集的分类准确度(ACCT)为92.96％,预测集的分类准确度(ACCP)为89.71％.而重要波长光谱与全光谱相比,分类准确度相差较多.为进一步提升大米种类鉴别的准确度,选用纹理、形态两种图像特征与光谱特征进行融合,最优结果来自光谱与形态特征重要变量所构建的模型.其中,KNN的ACCT和ACCP分别为69％ 和67％;RF模型的ACCT=99.98％ 和ACCP=89.10％;CNN模型的效果最佳,ACCT和ACCP为97.19％ 和94.55％.此外,光谱与纹理融合的分类效果差于光谱,说明纹理特征弱化了分类结果.对于分类模型来说,CNN的性能明显优于两种机器学习方法,可以提供更好的分类效果.总而言之,CNN融合光谱与形态特征重要变量可实现对名优大米种类的准确鉴别,这种方法有望拓展到其他农产品的分级,种类区分和产地鉴别.