李 斌 鄒吉平 張 烽 蘇成濤 劉燕德 肖毅華

(1.華東交通大學(xué) 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，南昌 330013； 2.華東交通大學(xué) 水果智能光電檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備國(guó)家與地方聯(lián)合工程研究中心，南昌 330013)

貢梨富含人體所需的微量元素，深受消費(fèi)者喜愛(ài)。但貢梨在采摘、分揀、包裝、運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程容易受到?jīng)_擊或擠壓等因素的影響，使得貢梨產(chǎn)生機(jī)械損傷，而在機(jī)械損傷類型中，沖擊損傷最容易產(chǎn)生[1]。損傷后的貢梨品質(zhì)降低，進(jìn)而造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。為了減少經(jīng)濟(jì)損失，亟需一種準(zhǔn)確評(píng)估和預(yù)測(cè)貢梨沖擊損傷的方法。

目前，對(duì)于水果損傷檢測(cè)的方法很多：1)電子鼻技術(shù)[2]；2)X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描[3]；3)核磁共振[4]；4)光譜檢測(cè)技術(shù)[5]，其中光譜檢測(cè)技術(shù)在水果品質(zhì)檢測(cè)方面具有很大的潛力。近年來(lái)，隨著光譜技術(shù)的不斷發(fā)展，作為新一代光電檢測(cè)技術(shù)的高光譜成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)領(lǐng)域[6]。高光譜成像技術(shù)結(jié)合了光譜學(xué)、機(jī)器視覺(jué)、計(jì)算機(jī)圖像學(xué)、近紅外光譜等多學(xué)科知識(shí)，將光譜技術(shù)和傳統(tǒng)的二維成像技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合，可同時(shí)提供光譜信息和空間信息[7-8]。沈宇等[9]獲取400～1 000 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)完好和輕微損傷后不同時(shí)間段的蘋(píng)果高光譜圖像，并提取完好樣本以及損傷樣本的光譜數(shù)據(jù)。利用載荷系數(shù)法(x-LW)、連續(xù)投影法(Successive projections algorithm，SPA)以及二階導(dǎo)數(shù)法提取特征波長(zhǎng)，基于特征波長(zhǎng)分別建立遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GA-BP)和支持向量機(jī)(Support vector machines，SVM)損傷識(shí)別模型，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)SVM是最佳判別蘋(píng)果輕微損傷的模型。孟慶龍等[10]采集400～100 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)無(wú)損傷獼猴桃和表面有疤痕的獼猴桃高光譜圖像，利用多種圖像處理方法實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)損和表面有疤痕的獼猴桃進(jìn)行識(shí)別，正確識(shí)別率分別為98.3%和95.0%。Yuan等[11]利用定量損傷儀獲得5種不同損傷程度的靈武長(zhǎng)棗，采用多種預(yù)處理方法建立偏最小二乘分析(Partial least squares discriminant analysis，PLS-DA)模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)MSC-PLS-DA模型是最優(yōu)分類模型。又利用多種波段篩選算法對(duì)原始光譜和預(yù)處理后光譜進(jìn)行特征波長(zhǎng)的提取，建立PLS-DA分類模型，結(jié)果表明MSC-CARS-PLS-DA是最優(yōu)分類模型，準(zhǔn)確率可達(dá)89.52%。以上對(duì)水果的損傷的研究大多數(shù)是定性分析，且所建立的模型也只能區(qū)分水果是否受損。目前，也有關(guān)于水果損傷的定量研究。Zhang等[12]利用高光譜成像技術(shù)采集900～1 700 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)高光譜圖像以及壓敏薄膜技術(shù)測(cè)得蘋(píng)果跌落過(guò)程中的機(jī)械參數(shù)，對(duì)蘋(píng)果沖擊損傷進(jìn)行了定量研究。Xu等[13]將900～1 700 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)所采集的光譜數(shù)據(jù)與利用壓敏薄膜技術(shù)所測(cè)得的機(jī)械參數(shù)相結(jié)合建立偏最小二乘回歸(Partial least squares regression，PLSR)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械參數(shù)的定量預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[12]和[13]中的研究?jī)H用了一種模型對(duì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，未進(jìn)行多種模型對(duì)比分析，針對(duì)貢梨沖擊損傷的定量研究未見(jiàn)報(bào)道。

本研究擬采用397.5～1 014.0 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的高光譜數(shù)據(jù)與力學(xué)參數(shù)相結(jié)合的方法，建立力學(xué)參數(shù)的不同預(yù)測(cè)模型，比較分析后選取最優(yōu)預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)貢梨沖擊損傷的準(zhǔn)確評(píng)估和定量預(yù)測(cè)，以期為貢梨的品質(zhì)分選以及包裝運(yùn)輸提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣本

貢梨購(gòu)于江西省南昌市某水果市場(chǎng)，于-1～2 ℃的溫度下貯藏。試驗(yàn)前將貢梨在室溫為20 ℃，相對(duì)濕度(Relative humidity，RH)為40%的條件下放置24 h，從而降低試驗(yàn)中溫度對(duì)貢梨損傷造成的影響。為了降低貢梨質(zhì)量和曲率半徑對(duì)貢梨沖擊損傷試驗(yàn)的影響，共選擇240個(gè)表面沒(méi)有明顯缺陷、形狀規(guī)則的貢梨，赤道直徑約為70～80 mm，質(zhì)量約(240±10) g。

1.2 試驗(yàn)裝置及損傷試驗(yàn)

本研究基于單擺原理設(shè)計(jì)貢梨碰撞試驗(yàn)裝置，該裝置主要由底座、垂直支撐桿、水平支撐桿、魚(yú)線以及水果夾具等組成(圖1)。通過(guò)對(duì)水平支撐桿、壓力傳感器(HZC-H1，測(cè)量范圍0～100 kg，靈敏度2.00 mV/V，金屬材質(zhì))以及量角器裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而確保貢梨撞擊在壓力傳感器的中心。每次貢梨與壓力傳感器碰撞后，立即用手抓住貢梨，防止產(chǎn)生二次碰撞。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，智能數(shù)據(jù)分析采集器(Data acquisition & signal processing, DASP)與壓力傳感器相連，可及時(shí)記錄力響應(yīng)過(guò)程，并將記錄的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)中儲(chǔ)存。利用相關(guān)軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，可獲得峰值力、平均接觸力等力學(xué)參數(shù)。

利用貢梨碰撞試驗(yàn)裝置獲取不同損傷程度的貢梨：將貢梨樣本隨機(jī)分為6組，每組40個(gè)。6組貢梨樣本分別以釋放角度α為35°、40°、45°、50°、55°和60°釋放，釋放角度α為圖1中量角器裝置中軸線和魚(yú)線之間的夾角。由于受損的貢梨樣本難以通過(guò)肉眼辨別，還需將損傷的貢梨樣本在室溫條件下放置24 h，使其產(chǎn)生褐變，以便后續(xù)數(shù)據(jù)的測(cè)量與計(jì)算。

α，釋放角度，(°)。 Release angle. 1.底座；2.壓力傳感器；3.導(dǎo)軌；4.垂直支撐桿；5.量角器裝置；6.水平支撐桿；7.魚(yú)線；8.水果夾具；9.智能數(shù)據(jù)分析采集器；10.計(jì)算機(jī) 1.Baseplate; 2.Force transducer; 3. Guide rail; 4.Vertical support rod; 5.Angle measuring device; 6.Horizontal supporting rod; 7.Fishingline; 8.Fruit fixture; 9.Data acquisition & Signal processing; 10.Computer圖1 貢梨碰撞試驗(yàn)裝置Fig.1 Gongli impact test device

1.3 高光譜圖像的采集及提取

高光譜成像系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，其硬件組成包括2盞20 W鹵素?zé)?DECOSTAR51 MR16型，OSRAM，德國(guó))、成像光譜儀(ImSpector V10E型，Specim，芬蘭)、CCD相機(jī)(C8484-05G型，Hamamastu,日本)、位移平臺(tái)、配有圖像采集卡的計(jì)算機(jī)、暗箱等[14]。位移平臺(tái)的移動(dòng)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)；光源、成像光譜儀、CCD相機(jī)、位移平臺(tái)等硬件都安裝在一個(gè)暗箱內(nèi)。

1.步進(jìn)電機(jī)；2.暗箱；3.CCD相機(jī)；4.成像光譜儀；5.鏡頭；6.鹵素?zé)簦?.位移平臺(tái)；8.貢梨樣本；9.計(jì)算機(jī) 1.Stepper motor; 2.Camera obscura; 3.CCD camera; 4.Imaging spectrometer; 5.Lens; 6.Halogen lamp; 7.Displacement platform; 8.Gongli sample; 9.Computer圖2 高光譜成像系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of the hyperspectral imaging system

在進(jìn)行圖像采集時(shí)，首先使高光譜成像系統(tǒng)預(yù)熱30 min左右，以防止基線漂移影響數(shù)據(jù)精度。然后利用電腦和成像光譜儀配套的SpectraVIEW軟件對(duì)高光譜成像系統(tǒng)的一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，將光譜分辨率設(shè)置為2.8 nm，CCD相機(jī)的曝光時(shí)間設(shè)置為20 ms，位移平臺(tái)前進(jìn)和后退的速度設(shè)置為15 mm/s[15]。最后將在室溫下放置24 h后產(chǎn)生褐變的貢梨放置在移動(dòng)載物臺(tái)上進(jìn)行高光譜圖像采集。本研究中所采集的光譜數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)范圍為397.5～1 014.0 nm，共176個(gè)波段。

由于高光譜圖像易受暗電流和光照不均勻等因素的影響，在處理數(shù)據(jù)之前必須對(duì)高光譜圖像進(jìn)行黑白校準(zhǔn)[16]。在校準(zhǔn)時(shí)，首先利用鏡頭蓋將鏡頭遮住，進(jìn)行掃描得到全黑的校準(zhǔn)圖像，然后將鏡頭蓋取下，掃描由聚四氟乙烯材料制成的白板從而獲得全白的校準(zhǔn)圖像。校準(zhǔn)公式[16]為：

(1)

式中：Rλ為校準(zhǔn)后圖像數(shù)據(jù)；RW為全白校準(zhǔn)圖像數(shù)據(jù)；RB為全黑校準(zhǔn)圖像數(shù)據(jù)；Iλ為原始圖像數(shù)據(jù)。

利用ENVI4.5軟件提取光譜數(shù)據(jù)。首先，通過(guò)SpectraVIEW軟件將采集的高光譜圖像進(jìn)行校正，然后，將校正后的高光譜圖像導(dǎo)入至ENVI4.5軟件中，以貢梨受損區(qū)域?yàn)楦信d趣區(qū)域(ROI)，提取從不同釋放角度下貢梨損傷區(qū)域的光譜數(shù)據(jù)。

1.4 貢梨力學(xué)參數(shù)的測(cè)量及計(jì)算

1.4.1損傷面積

由于損傷過(guò)后貢梨在室溫下放置24 h，損傷區(qū)域產(chǎn)生褐變。通過(guò)肉眼可以辨別損傷區(qū)域，方便對(duì)貢梨損傷區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。本試驗(yàn)中，將所有貢梨樣本的損傷區(qū)域近似為圓形。用數(shù)顯游標(biāo)卡尺(精度為0.01 mm)測(cè)量損傷區(qū)域的直徑，為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度，測(cè)量損傷區(qū)域的直徑時(shí)，每隔120°測(cè)量1次直徑，共測(cè)量3次損傷區(qū)域直徑，最后取平均值作為貢梨的損傷直徑。損傷面積計(jì)算公式為：

(2)

式中：A為貢梨的損傷面積，mm2；D為貢梨損傷區(qū)域直徑，mm。

1.4.2峰值力、平均接觸力和平均壓強(qiáng)

貢梨與壓力傳感器碰撞時(shí)，壓力傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至DASP中，從而記錄了力響應(yīng)過(guò)程。峰值力為貢梨與壓力傳感器碰撞過(guò)程中力傳感器所記錄的最大值。貢梨與壓力傳感器碰撞過(guò)程中，從碰撞開(kāi)始至碰撞結(jié)束這一時(shí)間段內(nèi)，力變化的平均值為平均接觸力，通過(guò)Coinv DASP V11軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析，獲得峰值力和平均接觸力。

通過(guò)智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所獲得的平均接觸力以及所測(cè)量的損傷面積計(jì)算平均壓強(qiáng)，公式為：

(3)

式中：σ為平均壓強(qiáng)，MPa；F為平均接觸力，N。

1.5 光譜預(yù)處理及特征波長(zhǎng)的選擇

由于儀器、樣本、以及測(cè)量環(huán)境等條件的影響，所采集的原始光譜信息存在噪聲和背景等干擾信息，這些干擾信息會(huì)造成定量分析出現(xiàn)誤差、組分預(yù)測(cè)錯(cuò)誤等問(wèn)題[17-18]。因此，有必要對(duì)原始光譜進(jìn)行預(yù)處理。光譜預(yù)處理方法有多種，如平滑、導(dǎo)數(shù)、多元散射校正(Multiplicative scatter correction，MSC)和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換(Standard normal variate,SNV)等[19]。本研究中采用Gap-segment求導(dǎo)、SG求導(dǎo)和基線校準(zhǔn)(Baseline)3種預(yù)處理方法。

在提取的全光譜中存在部分無(wú)效或干擾信息，這些信息會(huì)降低模型的預(yù)測(cè)精度，同時(shí)全光譜中所含的數(shù)據(jù)量多，使得模型的運(yùn)行時(shí)間增加。使用特征波長(zhǎng)提取算法從全光譜中選擇最具代表性的特征波長(zhǎng)可以有效提高模型的檢測(cè)效率。本研究采用競(jìng)爭(zhēng)性自適應(yīng)重加權(quán)(Competitive adapative reweighted sampling，CARS)和無(wú)信息變量消除(Uninformative variable elimination，UVE)2種算法選取特征波長(zhǎng)。

CARS算法是基于蒙特卡洛采樣與偏最小二乘(Partial least squares，PLS)回歸系數(shù)的特征變量選擇方法，該算法主要依據(jù)達(dá)爾文進(jìn)化論中“適者生存”的原則。其核心思想是通過(guò)在采樣過(guò)程中優(yōu)先選擇PLS回歸過(guò)程中回歸系數(shù)絕對(duì)值較大的變量。經(jīng)過(guò)多次采樣后，最終找出交叉驗(yàn)證均方根誤差(RMSECV)最小的光譜數(shù)據(jù)子集作為最優(yōu)變量組合[20]。

UVE算法的基本思想是將回歸系數(shù)作為波長(zhǎng)重要性的衡量指標(biāo)。首先，將一定變量數(shù)目的隨機(jī)變量矩陣引入光譜矩陣；然后，利用蒙卡羅交叉驗(yàn)證建立PLS模型；最后，計(jì)算PLS回歸系數(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差的比值，進(jìn)而選取有效光譜信息[21-22]。

1.6 模型建立及評(píng)價(jià)

試驗(yàn)樣本共240個(gè)，均分成6組，利用Kennard-Stone(KS)方法，將樣本按3∶1的比例分為建模集和預(yù)測(cè)集，即建模集180個(gè)樣本，預(yù)測(cè)集60個(gè)樣本[23]。分別建立峰值力、平均接觸力、損傷面積和平均壓強(qiáng)的PLSR和主成分回歸(principal component regression, PCR)模型。

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途?，需要相關(guān)參數(shù)對(duì)所建立的模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)比較建模集相關(guān)系數(shù)(RC)、預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù)(RP)、建模集均方根誤差(RMSEC)和預(yù)測(cè)集均方根誤差(RMSEP)來(lái)評(píng)價(jià)[24]。如果模型具有高的建模集相關(guān)系數(shù)(RC)與預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù)(RP)，低的建模集均方根誤差(RMSEC)和預(yù)測(cè)集均方根誤差(RMSEP)，則表明該模型具有較好的性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)參數(shù)測(cè)量結(jié)果分析

圖3示出6種不同釋放角度(α)下，貢梨碰撞力學(xué)參數(shù)的測(cè)量結(jié)果：隨著貢梨釋放角度的增大，峰值力、平均接觸力、損傷面積和平均壓強(qiáng)也在逐漸的增大。峰值力平均值從138.40 N增大至335.86 N，平均接觸力平均值從77.13 N增大至188.20 N，損傷面積平均值從208.07 mm2增大至544.42 mm2，平均壓強(qiáng)平均值從0.34 MPa增大至0.42 MPa。損傷面積可以直觀的體現(xiàn)貢梨的損傷程度，隨著貢梨釋放角度的增大，損傷面積越大，沖擊損傷越嚴(yán)重。損傷面積增大時(shí)，峰值力、平均接觸力和平均壓強(qiáng)也隨之增大?？梢钥闯?，本研究中的力學(xué)參數(shù)存在一定的波動(dòng)性，這可能是由于貢梨的果肉硬度、曲率半徑和貢梨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異等自身生理特性所導(dǎo)致?？傮w來(lái)說(shuō)，隨著釋放角度的增大，力學(xué)參數(shù)呈現(xiàn)一定的線性變化。在一定程度上表明力學(xué)參數(shù)表征貢梨的沖擊損傷程度是可行的。

柱上豎線為力學(xué)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。 The vertical lines on the columns are the standard deviations of the mechanical parameters.圖3 不同釋放角度(α)下貢梨力學(xué)參數(shù)的變化Fig.3 Changes of mechanical parameters of Gongli under different release angles

2.2 光譜分析

圖4 未受損及不同釋放角度(α)下受損貢梨的光譜曲線Fig.4 Average spectral curves of damaged Gongli under undamaged and different release angles

未損傷和不同損傷程度的貢梨在波長(zhǎng)397.5～1 014.0 nm范圍內(nèi)的光譜曲線見(jiàn)圖4：在739 nm處存在較為明顯的吸收峰，該吸收峰是由于碳水化合物中的C—H鍵伸縮振動(dòng)引起的[25]。未損傷貢梨的光譜曲線與不同角度釋放下受損貢梨的光譜曲線整體相似，但是未受損貢梨和不同釋放角度下受損貢梨的光譜反射率在同一波段存在明顯差異。隨著釋放角度的增大，貢梨損傷越嚴(yán)重，光譜反射率越低，產(chǎn)生這一變化的原因可能是貢梨與金屬材質(zhì)的壓力傳感器碰撞，使得貢梨果肉中完整的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜被破壞，細(xì)胞破裂后，細(xì)胞中的水和酶被釋放，從而造成光譜曲線上反射率的差異。從光譜曲線中反射率的差異可反映貢梨受損程度。因此本研究通過(guò)光譜數(shù)據(jù)與力學(xué)參數(shù)相結(jié)合的方法，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)貢梨沖擊損傷的定量預(yù)測(cè)。

2.3 光譜預(yù)處理

通過(guò)Gap-segment求導(dǎo)、SG求導(dǎo)和Baseline預(yù)處理過(guò)后的光譜數(shù)據(jù)和原始光譜數(shù)據(jù)分別建立PLSR和PCR模型，模型性能參數(shù)見(jiàn)表1和表2：采

表1 不同光譜預(yù)處理后力學(xué)參數(shù)的PLSR模型性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of PLSR model with different spectral pretreatment

表2 不同光譜預(yù)處理后力學(xué)參數(shù)的PCR模型性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of PCR model with different spectral pretreatment

用不同的預(yù)處理方法過(guò)后，力學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)模型性能存在差異，其中采用Baseline預(yù)處理后，力學(xué)參數(shù)的PLSR和PCR模型性能最優(yōu)。Gap-segment求導(dǎo)、SG求導(dǎo)預(yù)處理只能消除光譜數(shù)據(jù)中不重要的基線漂移，同時(shí)還會(huì)增大數(shù)據(jù)的噪聲，降低信噪比。Baseline預(yù)處理消除光譜數(shù)據(jù)基線漂移的效果要比Gap-segment、SG求導(dǎo)預(yù)處理的效果好，因此，Baseline預(yù)處理是最佳預(yù)處理方法[26-27]。通過(guò)比較PLSR和PCR模型的RC、RP、RMSEC和RMSEP發(fā)現(xiàn)，對(duì)于力學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)，PLSR模型的性能優(yōu)于PCR模型的性能。PLSR模型對(duì)峰值力、平均接觸力和損傷面積的預(yù)測(cè)效果較好，但是對(duì)于平均壓強(qiáng)的預(yù)測(cè)效果并不理想。導(dǎo)致PLSR模型對(duì)平均壓強(qiáng)預(yù)測(cè)效果差的原因可能是由于平均壓強(qiáng)通過(guò)平均接觸力除以損傷面積而獲得，而貢梨本身的硬度、曲率半徑、質(zhì)量均存在差異，導(dǎo)致貢梨碰撞過(guò)程中力傳感器所記錄的數(shù)據(jù)以及損傷面積的測(cè)量均存在一定的誤差，兩者誤差的累積導(dǎo)致平均壓強(qiáng)不準(zhǔn)確。綜上所述，本研究采用Baseline光譜預(yù)處理并建立力學(xué)參數(shù)的PLSR模型。

2.4 特征波長(zhǎng)的提取

利用CARS算法對(duì)Baseline預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征波長(zhǎng)的選取，以峰值力的特征波長(zhǎng)選取為例，選取結(jié)果見(jiàn)圖5(a)。隨著采樣次數(shù)的增加，被優(yōu)選的波長(zhǎng)變量個(gè)數(shù)逐漸的減少，在第一階段變量個(gè)數(shù)減少的較快，隨后逐漸減慢，表明使用CARS算法選取特征波長(zhǎng)中有“粗選”和“精選”2個(gè)階段(圖5(a1))。當(dāng)采樣次數(shù)<31時(shí)，RMSECV值不斷降低，表明波長(zhǎng)中所含的干擾信息被剔除；當(dāng)采樣次數(shù)>31時(shí)，RMSECV值呈回升的趨勢(shì)，表明波長(zhǎng)中所含的有效信息被剔除，從而導(dǎo)致RMSECV值上升[28]；當(dāng)采樣次數(shù)為31時(shí)，RMSECV值最小(圖5(a2))，即第31次采樣得到的變量子集為最優(yōu)的特征波長(zhǎng)變量子集，其中該子集包含45個(gè)特征波長(zhǎng)[29]。

圖5 CARS和UVE算法選取峰值力的特征波長(zhǎng)Fig.5 CARS and UVE algorithm selected characteristic wavelength results of peak force

利用UVE算法對(duì)Baseline預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征波長(zhǎng)的選取，以峰值力的特征波長(zhǎng)選取為例，選取結(jié)果見(jiàn)圖5(b)。由于UVE算法在選取特征波長(zhǎng)時(shí)集噪聲和濃度信息為一體，因此利用該算法對(duì)176個(gè)原始波長(zhǎng)變量進(jìn)行篩選時(shí)需要引入一定數(shù)量的隨機(jī)變量，本研究中引入了176個(gè)隨機(jī)變量，即原始波長(zhǎng)變量和隨機(jī)變量總個(gè)數(shù)為352個(gè)。分割線左右兩側(cè)分別為原始波長(zhǎng)變量和隨機(jī)變量的穩(wěn)定性分布曲線，通過(guò)上、下閾值線進(jìn)行特征變量的選取，閾值選定標(biāo)準(zhǔn)為隨機(jī)變量穩(wěn)定性最大值的99%。位于2條閾值線之間的波長(zhǎng)變量被剔除，超出2條閾值線的波長(zhǎng)變量被保留，用于進(jìn)一步分析。經(jīng)過(guò)UVE波段篩選過(guò)后，共有37個(gè)變量被選擇。

利用CARS算法對(duì)峰值力、平均接觸力、損傷面積和平均壓強(qiáng)選取的特征波長(zhǎng)個(gè)數(shù)分別為45、35、62和13個(gè)，選取的波長(zhǎng)數(shù)量分別占全波長(zhǎng)數(shù)量的25.6%、19.9%、35.2%和7.4%(表3)。UVE算法對(duì)峰值力、平均接觸力、損傷面積和平均壓強(qiáng)選取的特征波長(zhǎng)個(gè)數(shù)分別為37、51、34和24個(gè)，選取的波長(zhǎng)數(shù)量分別占全波長(zhǎng)數(shù)量的21.0%、29.0%、19.3%和13.6%(表4)。從2個(gè)表中可以看出峰值力和平均接觸力中含有大多數(shù)相同的波段，而損傷面積和平均壓強(qiáng)中大多數(shù)特征波段并不相同，表明同一屬性的力學(xué)參數(shù)所含的特征信息相同，不同屬性的力學(xué)參數(shù)所含的特征信息不同。

2.5 基于特征波長(zhǎng)和力學(xué)參數(shù)的PLSR建模

本研究利用CARS和UVE算法進(jìn)行特征波長(zhǎng)的選取，通過(guò)2種算法選取的特征波長(zhǎng)與全波長(zhǎng)為變量分別建立PLSR模型進(jìn)行比較分析，模型的性能參數(shù)見(jiàn)表5。相比于Baseline-PLSR模型的預(yù)測(cè)效果，Baseline-UVE-PLSR模型對(duì)力學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)效果較差?？赡苁遣捎肬VE算法進(jìn)行特征波長(zhǎng)的選取過(guò)程中，剔除原始光譜信息中干擾信息的同時(shí)將一些有效信息也剔除了，從而導(dǎo)致對(duì)力學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)效果變差。Baseline-CARS-PLSR模型對(duì)力學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)效果最好，在 Baseline-CARS-PLSR模型中，峰值力、平均接觸力、損傷面積和平均壓強(qiáng)的RP和RMSEP分別為0.892和31.527 N、0.883和18.861 N、0.895和54.411 mm2、0.661和0.045 MPa。表明不同的特征波長(zhǎng)選取方法對(duì)PLSR模型性能的影響不同，選擇合適的特征波長(zhǎng)選取方法可以有效的提高模型的預(yù)測(cè)精度。

表3 CARS算法選取力學(xué)參數(shù)的特征波長(zhǎng)Table 3 Selection of characteristic wavelength of mechanical parameters by CARS algorithm

表4 UVE算法選取力學(xué)參數(shù)的特征波長(zhǎng)Table 4 Selection of characteristic wavelength of mechanical parameters by UVE algorithm

表5 力學(xué)參數(shù)原始光譜與特征光譜的PLSR模型性能參數(shù)Table 5 Performance parameters of PLSR model for original and characteristic spectra of mechanical parameters

基于Baseline-CARS-PLSR模型力學(xué)參數(shù)的測(cè)量值與預(yù)測(cè)值見(jiàn)圖6。分別對(duì)建模集和預(yù)測(cè)集的力學(xué)參數(shù)的測(cè)量值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)，峰值力、平均接觸力和損傷面積的樣本點(diǎn)較為均勻的分布

圖6 基于Baseline-CARS-PLSR模型力學(xué)參數(shù)的測(cè)量值與預(yù)測(cè)值Fig.6 Measured and predicted values of mechanical parameters based on the Baseline-CARS-PLSR model

在擬合回歸線周?chē)覙颖军c(diǎn)與擬合回歸線的距離較近。峰值力、平均接觸力和損傷面積的RP和RMSEP分別為0.892和31.527 N、0.883和18.861 N、0.895和54.411 mm2。綜上，Baseline-CARS-PLSR模型對(duì)貢梨峰值力、平均接觸力和損傷面積等力學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確。

由圖6(d)可知，對(duì)于平均壓強(qiáng)的預(yù)測(cè)效果并不理想，Baseline-CARS-PLSR模型的RP和RMSEP分別為0.661和0.045 MPa。平均壓強(qiáng)預(yù)測(cè)不理想的原因可能是平均壓強(qiáng)的計(jì)算誤差的累積或者是平均壓強(qiáng)并不適用于表征貢梨沖擊損傷程度。

3 結(jié) 論

為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確評(píng)估和預(yù)測(cè)貢梨的沖擊損傷，本研究采用波長(zhǎng)為397.5～1 014.0 nm的高光譜成像技術(shù)與力學(xué)參數(shù)相結(jié)合的方法對(duì)貢梨的沖擊損傷進(jìn)行定量研究。首先，對(duì)峰值力、平均接觸力、損傷面積和平均壓強(qiáng)等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。然后，采用Gap-segment求導(dǎo)、SG求導(dǎo)和Baseline對(duì)原始光譜進(jìn)行預(yù)處理，并建立力學(xué)參數(shù)的PLSR和PCR模型，從而選取最佳預(yù)處理方法及建模方法。最后，利用CARS和UVE算法進(jìn)一步優(yōu)化力學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)模型，比較各模型的預(yù)測(cè)精度并確定力學(xué)參數(shù)的最佳預(yù)測(cè)模型，探索利用高光譜成像技術(shù)與力學(xué)參數(shù)相結(jié)合的方法預(yù)測(cè)貢梨沖擊損傷的可行性，主要結(jié)論如下：

1)采用3種光譜預(yù)處理后，力學(xué)參數(shù)的PLSR和PCR模型性能存在差異，其中Baseline-PLSR模型對(duì)力學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)效果最佳，表明選擇合適的預(yù)處理方法以及建模方法可以提高模型的性能。

2)本研究在選取最佳的光譜預(yù)處理和建模方法后，利用2種算法選取的特征波長(zhǎng)為變量建立力學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)模型，其中 Baseline-CARS-PLSR模型對(duì)力學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)效果最優(yōu)，該模型中峰值力、平均接觸力、損傷面積和平均壓強(qiáng)的RP和RMSEP分別為0.892和31.527 N、0.883和18.861 N、0.895和54.411 mm2、0.661和0.045 MPa，表明CARS特征提取算法結(jié)合PLSR建模方法可以有效的提高模型的預(yù)測(cè)能力。高光譜成像技術(shù)與力學(xué)參數(shù)相結(jié)合的方法對(duì)貢梨沖擊損傷進(jìn)行定量預(yù)測(cè)具有較高的可行性。