基于近红外高光谱图像技术的茶叶菌落总数检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于近红外高光谱图像技术的茶叶菌落总数检测装置及方法，基于所构建的检测装置，采集茶叶样本的高光谱图像，并对样品的菌落总数进行测定；利用波段比结合阈值分割的方法提取整个样本的光谱信息，将获取的光谱信息作为原始光谱数据进行分析，利用竞争性自适应重加权采样法(CARS)对其进行特征波段的选择，以优选出对茶叶不同菌落总数下区分度最大的特征波长组合；对所获得的特征波长组合建立支持向量回归(SVR)和极端梯度提升(XGBoost)的定量回归模型，最后根据模型评价指标对所建立的模型进行综合评价，以确定较优的预测模型，从而实现对茶叶菌落总数进行快速无损检测。

Tea Colony Total Detection Device and Method Based on Near Infrared Hyperspectral Image Technology

The invention discloses a detection device and method for total bacterial count of tea based on near infrared hyperspectral image technology. Based on the detection device, the hyperspectral image of tea samples is collected and the total bacterial count of samples is determined. The spectral information of the whole sample is extracted by band ratio combined with threshold segmentation method, and the obtained spectral information is divided into original spectral data. The competitive adaptive re-weighted sampling (CARS) method was used to select the characteristic bands to optimize the combination of characteristic wavelengths with the greatest discrimination under the total number of tea colonies. The quantitative regression models of support vector regression (SVR) and extreme gradient lifting (XGBoost) were established for the combination of characteristic wavelengths. Finally, the model was synthesized according to the evaluation index of the model. In order to determine a better prediction model, a rapid and non-destructive detection of the total number of tea colonies was carried out.

【技术实现步骤摘要】
基于近红外高光谱图像技术的茶叶菌落总数检测装置及方法
本专利技术属于无损检测
，尤其涉及基于近红外高光谱图像技术的茶叶菌落总数检测装置及方法。
技术介绍
茶最早起源于中国的南部,是最常见的饮料之一。茶叶含有各种对人体有益的有机物质和无机物质，具有营养、保健和药理等作用，长期饮茶有益于人体健康。长期以来，我国茶叶生产工艺主要注重制茶的风味和品质，没有对微生物的污染实施控制，一些现代化的生产设备在微生物控制上也存在一定的缺陷。茶叶生产中对微生物污染的注重程度不够。目前加工规模和生产的自动化程度也反映了茶叶加工方式的不同。一些地方还存在小规模的传统的或家庭作坊式的生产方式，尤其在茶叶的初制加工方面。目前就茶叶的加工方式而言，受传统制茶的影响，我国茶叶的生产方式在一致性、产业化程度和规模化程度等方面，与其他食品工艺还存在一定程度的差距。在对微生物污染控制的设计和管理上还有诸多的缺陷和不足。微生物菌落的存在不仅会对茶叶的品质产生影响，同样会对饮用人群的健康造成威胁。菌落总数作为判定食品被污染程度标志，是食品卫生的指示性指标，通过检测菌落总数可预测食品货架期。茶叶作为我国的传统优势农副产品，不仅为国内销售的大宗产品，而且也是我国传统的出口产品。然而近年来，我国茶叶出口遭遇到严重的“绿色壁垒”，尤其是欧、美、日等国家不断地制定更加严格和更广泛的标准。因此，如何快速、精确地检测茶叶中的菌落总数对于保证饮用人群的健康和对外出口贸易均具有十分重要的意义。国内外对于食品和农副产品中菌落总数的传统检测方法主要有平板计数法、ATP生物发光法、电阻抗法、PCR检测法等。这些方法虽然检测精度高，但都存在样本前期预处理过程复杂、耗时长、试剂消耗量大,对试验操作人员要求较高等缺点，无法满足现代农业对农副产品品质检测的快速性和无损性的需要，难以在实际的生产和生活中进行推广。高光谱成像技术作为一种新兴的技术，同时具有图像和光谱技术的优点，可在高光谱成像系统中同时获得研究对象的图像和光谱信息。高光谱成像技术与单一图像或光谱技术相比，可以提供更多的细节，从而探索不同对象的高光谱数据之间的关系。相对于传统的检测方法，高光谱成像技术具有无损、快速等优点。
技术实现思路
本专利技术根据现有技术中存在的问题，提出了基于近红外高光谱图像技术的茶叶菌落总数检测装置及方法，结合近红外高光谱图像技术以及有效的数据处理算法对茶叶菌落总数进行快速无损检测。本专利技术所采用的技术方案如下：基于近红外高光谱图像技术的茶叶菌落总数检测装置，包括暗箱，在所述暗箱的底部设有电控位移平台，在电控位移平台的上方设有成像模块，在暗箱内还设有光源模块，所述电控位移平台连接位移台控制器，用于控制电控位移平台的工作，所述成像模块连接计算机，将所采集的图像信息输入计算机软件中进行处理。进一步，所述成像模块包括自下往上依次连接的变焦镜头、高光谱成像光谱仪、CCD相机和相机控制器，所述相机控制器通过数据线连接计算机；进一步，所述光源模块包括固定在暗箱内的卤素灯，所述卤素灯通过光纤连接光室；基于近红外高光谱图像技术的茶叶菌落总数检测方法，包括以下步骤：步骤1，将接近无菌的茶叶样本分为若干组，随机取其中的一组作为对照组并获取此时的高光谱图像并测定菌落总数，对其余茶叶样本培养微生物，每次间隔相同时间后随机取出一组茶叶样本并获取样本的高光谱图像，同时对样品的菌落总数进行测定；步骤2，利用波段比结合阈值分割的方法提取整个样本的光谱信息，步骤3，获取的光谱信息作为原始光谱数据进行分析，通过Savitzky-Golay平滑算法对光谱信息进行平滑去噪，利用竞争性自适应重加权采样法(CARS)对其进行特征波段的选择，以优选出对茶叶不同菌落总数区分度最大的特征波长组合；步骤4，对所获得的特征波长组合建立支持向量回归(SVR)和极端梯度提升(XGBoost)的定量回归模型，最后根据模型评价指标对茶叶中的菌落总数水平进行综合评价，确定较优的预测模型。进一步，所述光谱信息的获取方法为：步骤2.1，选取一个相对较大反射率的波长和一个相对较小反射率的波长(波谷)，并将其进行作商运算(波峰/波谷)，步骤2.2，然后对运算后的图像采用阈值分割进行处理，经过多次试验尝试确定阈值进行图像分割并获得其二值化图像；步骤2.3，对二值化图像进行应用掩膜并得到掩膜后的二值掩膜图像，然后将整个二值掩膜图像应用于原始高光谱图像上，最终得到剔除背景以及阴影等干扰信息的样本高光谱图像；步骤2.4，将整个茶叶样本区域作为ROI，提取整个茶叶样本的光谱信息。进一步，所述定量回归模型的评价方法为：所建模型的评价指标为决定系数R2与均方根误差RMSE,计算公式如下；公式中，n为样品数量，yi为第i个样品的化学测量值，为第i个样品的预测值，为样品化学测量值的平均值。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术通过近红外高光谱图像技术实现茶叶菌落总数的定量检测，在检测过程中，无需破坏试验样品，且操作方便，是一种快速无损的检测方法。(2)本专利技术中探究了高光谱图像技术对茶叶中菌落总数的相关性，通过阈值分割的方法，提取整个样本的光谱信息，有助于实现茶叶菌落总数的精确定量检测。(3)本专利技术提出的检测方法采用竞争性自适应重加权采样法对光谱数据进行特征波长的选择，并选择了一种新颖的集成学习算法(极端梯度提升)对选择的特征数据进行建模，最终取得了良好的效果。该方法运行时间短，精度较高，可以实现茶叶中菌落总数的无损检测。附图说明图1为本专利技术的检测装置各模块结构示意图；图2为本专利技术的茶叶菌落总数检测方法流程图；图中，1、竖直支架，2、水平支架，3、光纤，4、卤素灯，5、光室，6、电控位移平台，7、位移台控制器，8、样品，9、变焦镜头，10、高光谱成像光谱仪，11、CCD相机，12、相机控制器，13、计算机，14、数据线，15、暗箱。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术所设计的基于近红外高光谱图像技术的茶叶菌落总数检测装置，包括暗箱15，在暗箱15内设有竖直支架1和水平支架2用于安装固定器材，在最上层的水平支架2上固定有成像模块，自下往上依次连接的变焦镜头9、高光谱成像光谱仪10、CCD相机11和相机控制器12，相机控制器12通过数据线14连接计算机13；计算机13通过软件调节CCD相机11的焦距以及曝光时间等参数以避免因仪器自身调试不当导致高光谱图像不清晰等情况，且对采集到的高光谱图像数据进行存储。在中间的水平支架2上固定安装有光源模块，具体可以采用卤素灯4，卤素灯4通过光纤3连接光室5；两个卤素灯4分布于平台的两侧并与平台成45°夹角。在暗箱15的底部安装有电控位移平台6，且电控位移平台6要与上方的变焦镜头9在一条垂线上，便于变焦镜头9对采集样本图像的采集，电控位移平台6用作样品8的载物台使用，电控位移平台6连接位移台控制器7，位移台控制器7控制步进电机的移动速度以及位移平台的位置切换。步进电机在位移台控制器7的控制下，样品8将在垂直于相机镜头方向的x-y平面内左右移动。每一次扫描过程中，目标样品8被传送到成像模块的视场本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于近红外高光谱图像技术的茶叶菌落总数检测装置，其特征在于，包括暗箱(15)，在所述暗箱(15)的底部设有电控位移平台(6)，在电控位移平台(6)的上方设有成像模块，在暗箱(15)内还设有光源模块，所述电控位移平台(6)连接位移台控制器(7)，用于控制电控位移平台(6)的工作，所述成像模块连接计算机(13)，将所采集的图像信息输入计算机软件中进行处理。

【技术特征摘要】
1.基于近红外高光谱图像技术的茶叶菌落总数检测装置，其特征在于，包括暗箱(15)，在所述暗箱(15)的底部设有电控位移平台(6)，在电控位移平台(6)的上方设有成像模块，在暗箱(15)内还设有光源模块，所述电控位移平台(6)连接位移台控制器(7)，用于控制电控位移平台(6)的工作，所述成像模块连接计算机(13)，将所采集的图像信息输入计算机软件中进行处理。2.根据权利要求1所述的基于近红外高光谱图像技术的茶叶菌落总数检测装置，其特征在于，所述成像模块包括自下往上依次连接的变焦镜头(9)、高光谱成像光谱仪(10)、CCD相机(11)和相机控制器(12)，所述相机控制器(12)通过数据线(14)连接计算机(13)。3.根据权利要求1所述的基于近红外高光谱图像技术的茶叶菌落总数检测装置，其特征在于，所述光源模块包括固定在暗箱(15)内的卤素灯(4)，所述卤素灯(4)通过光纤(3)连接光室(5)。4.根据权利要求1所述的基于近红外高光谱图像技术的茶叶菌落总数检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将接近无菌的茶叶样本分为若干组，随机取其中的一组作为对照组获取此时的高光谱图像并测定菌落总数，对其余茶叶样本培养微生物，每次间隔相同时间后随机取出一组茶叶样本并获取样本的高光谱图像，同时对样品的菌落总数进行测定；步骤2，利用波段比结合阈值分割的方法获取整个样本的光谱信息，步骤3，将获取的光谱信息作为原始光谱数据进行分析，将光谱信息...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙俊，葛啸，芦兵，周鑫，武小红，戴春霞，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32