基于近红外高光谱成像技术南疆冬枣DOLP五次多项式拟合模型研究

王玉婷，索玉婷，王长旭，罗华平,2※

（1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.新疆维吾尔族自治区普通高等学校农业工程重点实验室）

0 引言

南疆冬枣的产地属暖温带大陆性干旱气候，总日照数2 990 h，无霜期平均210天，年平均气温11.4℃，最低为-28℃。阿拉尔气候温和，土质肥沃，冬枣富含多种微量元素和矿物质，有防癌、防心脑血管疾病之功效，营养价值为百果之冠，倍受广大消费者青睐，被称为“天下奇果”。

传统的果品内部品质检测主要采用化学分析法，制样繁琐、分析速度慢，通常用少量样本代替批次果品的品质，且检测时必须破坏果品，因此难以在商业上应用。由于冬枣含水量高、皮薄肉脆，极易受机械损伤和微生物侵染而腐烂变质，因此不宜储存，也不适合采用传统方法进行果品内部品质检测，而高光谱成像技术可以根据其光谱信息与冬枣内部的化学成分相关联，做到快速无损检测。

近红外高光谱成像技术（near-infrared hyperspectral imaging,NIR-HSI）是将传统的近红外技术与计算机成像技术相结合，可以同时采集被测物品的空间信息和化学信息，近红外高光谱在无损检测方面已取得颇丰的研究成果，索玉婷[1]等利用线偏振度与水分含量的相关性和在晴天和阴天条件下的相关性研究南疆冬枣户外天气模型研究；石鲁珍[2]等利用高光谱成像技术测定冬枣内部Vc；王成[3]等选择从全波段中选择特定波长建立筛查保健食品中违禁添加抗炎药物双氯芬酸钠的模型；Wang Zheli[4]等选择光谱信息与特定波长建模测定玉米单粒种子含水量；Badaró Amanda Teixeira[5]等用机械学习评价浓缩面食中的纤维分布；Lan Weijie[6]等通过光谱与色谱量化检测苹果切片内部品质；Khamsopha Duangkamolrat[7]等利用化学检测方法建立木薯掺假的测定模型。

本试验以南疆优质冬枣为研究对象，基于近红外高光谱成像技术，选择特定波长与纹理信息与不同相位角下的Dolp（Degree of Linear Polarizationg）值进行五次多项式拟合，用于反演2π空间内的南疆冬枣任意入射角和探测角的Dolp值，为南疆近地面红枣品质遥感检测奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用主要仪器是Image-λ-N17E-N3型增强型近红外高光谱相机，冬枣采集于新疆维吾尔族自治区阿拉尔市第一师10团。

1.2 试验方法

试验时间为2019年10月8日，室外试验前提前两小时从18°的冰柜里拿出冬枣，挑选108个大小均匀颜色相近的冬枣，挑选的同时拿软布把冬枣表面的土擦净，并在冬枣的稳定面按1到108的顺序标号。样品准备完毕后，开始搭建试验平台，在农业工程重点实验室楼下的空地上选一块无其他事物投影的场地，摆放试验架，把白板放在试验架的正中间，在试验架的正前方架好高光谱相机，连接电源、数据线、电脑等辅助设备，调试设备，测量探测器的方位角、高度角，以及传感器与白板中心的距离，最后把冬枣按照从左到右从上到下的顺序摆放在白板两侧的试验架上，并记录白板、试验架等的长度。

室外试验测定开始，待正午太阳大概在头顶正上方时，分别在无偏、0°偏振、45°偏振、90°偏振、135°偏振下对试验架上的冬枣进行扫描，扫描完毕后，再用防晒伞把试验台遮起来，重复上诉操作。之后再调整探测器的方位角于30°和45°，继续重复探测器方位角0°时的所有试验步骤。每改变一次探测器方位角，都要测量一次太阳高度角以及太阳方位角。

室外试验结束后，把冬枣按顺序放到试验盘里，迅速拿到室内，按照GB/5009.3-2010《食品中水分的测定》的方法对冬枣进行水分测定。

图1 试验示意图

2 试验结果及分析

目前关于南疆冬枣Dolp模型的研究还较少，Dolp模型没有得到普遍使用。通过分析南疆冬枣实验数据发现，Dolp大小与相位角大小是密切相关的。本试验在探测器方位角分别为0°、30°、45°扫描时，实验架最左侧一排红枣的相位角分别为：45.7°、66.5°、72.58°，实验架最右边一排红枣的相位角分别为：73.44°、90.36°、94.77°，白板左侧一排红枣的相位角分别为：52.2°、75.48°、88.33°，白板右侧一排红枣的相位角分别为：65.38°、87.86°、90.64°。从12个相位角的南疆冬枣数据中任选9个，但三次扫描所对应的相位角中各留一个用来预测，后利用Matlab对Dolp进行五次多项式拟合。由于长波部分时Dolp较高，数值变化更明显，所以从全波段中选三个长波1300nm、1400nm、1500nm进行分段预测。

图2为南疆冬枣在波长1300nm、1400nm、1500nm时试验数据和五次多项式拟合曲线的相互关系图，其对应的R平方值分别为：0.83、0.91、0.67，由此可以判断该五次多项式拟合模型较为精准，可以较好地描述南疆红枣Dolp与相位角之间的相互关系，试验数据的相位角都集中在了45°到95°之间，而其他范围的角度则缺乏测量数据的验证和分析。由这个关系得出以下结论：

图2 南疆冬枣试验数据曲线的拟合关系

（1）当相位角由45°向60°、75°向90°逐渐递增时，南疆冬枣的Dolp也呈现递增趋势，相位角60°、90°附近Dolp出现峰值，当达到这个临界角时，Dolp则呈现明显的递减趋势。

（2）当相位角由60°向75°逐渐递增时，南疆冬枣的Dolp则呈现递减趋势，相位角75°附近Dolp出现谷值，当达到这个临界角时，Dolp则呈现递增趋势。

（3）当相位角在45°到100°之间变化时，南疆冬枣的Dolp会出现两个极大值和一个极小值。

把预测数据与其余3个位置的南疆冬枣试验数据进行比较分析，分析结果如表1，表2。

表2 多波段Dolp模型参数值

3 结论

由拟合试验结果可知，相位角为52.2°、75.48°、88.33°时，南疆冬枣Dolp分量的误差分别为：6.38%、2.61%、2.81%。进而可以反演2π空间内的南疆冬枣任意入射角和探测角的Dolp值。由于相位角的范围有限，若想知道2π空间检测红枣品质的最优相位角还需大量试验，本文可为今后解决相位角对南疆近地面红枣品质遥感检测做铺垫。