基于便携式近红外光谱仪检测梨可溶性固形物

秦善知+陈斌+陆道礼+颜辉

摘要：探索采用便携式近红外光谱仪，利用不同光谱预处理算法及波长优选法建立检测模型检测梨可溶性固形物含量（SSC）的可行性。比较了一阶导数（1st）、二阶导数（2nd）、多元散射校正（MSC）、标准正态变量变换（SNV）等9种预处理方法进行PLS建模的效果，确定最佳预处理方法。用相关系数法、无信息变量消除法（UVE）、向后区间偏最小二乘法（biPLS）和向后区间偏最小二乘法结合遗传算法（biPLS+GA）优选波长，用偏最小二乘法（PLS）建立梨SSC的定标模型，根据各个模型的校正集和预测集的相关系数（r）和交互验证均方根误差（RMSECV）、预测均方根误差（RMSEP）评价定标模型的精度和稳定性。结果表明：经过SNV预处理后的建模效果最好，校正集和预测集的相关系数r分别为0.890 8和0.868 9，RMSECV和RMSEP分别为0.592 5和0.630 8；相较于其他3种波长优选法，biPLS+GA 方法不仅优选的波长数少，而且所建模型的预测效果更好，校正集和预测集的相关系数分别为0.887 9和0.891 0，RMSECV和RMSEP分别为0.599 9和0.571 3。

关键词：便携式近红外光谱仪；梨；可溶性固形物含量；向后区间偏最小二乘法；遗传算法

中图分类号：O657.33 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2014）08-0284-03

中国果树栽培面积和产量均为世界第一位。2010年中国果园面积约l 154.39万hm2，产量约1.29亿t。苹果、柑桔、梨是中国最主要的三大水果，产量占到58%^[1]；梨树面积、产量次于苹果、柑桔，居第3位，2011年梨产量接近1 600万t。梨果脆甜多汁，其糖度与成熟度、品质密切相关。成熟度高的果实糖度高、品质高、口感好，成熟度低的糖度低、品质差、口感差。糖度是评价其品质的指标之一，而糖度可以通过可溶性固形物含量（SSC）的测定获得，因此试验和研究一般以SSC作为衡量糖度大小的指标。

丰水梨是适合我国南方很多地区栽种的梨品种，个头较大，果形圆，外形也比较美观，果肉乳白色，细脆爽口，浓甜，汁多^[2]，尽管含糖量高，但肉眼很难看出来，需要使用仪器来检测。本试验使用的是NIR256-2.2T2型便携式近红外光谱仪，并使用自制光纤来解决在树检测的问题。

现有的便携式近红外光谱仪采用的是连续光源，获得的是整个谱段的近红外光谱，可以通过优选波长剔除不相关的波长^[3]，从而减少波长数的使用。本试验采用多种波长优选法进行建模比较，从而确定最佳波长优选方法。

1 材料与方法

1.1 仪器设备

试验用到的主要仪器和设备有：NIR256-2. 2T2型近红外光谱仪（美国Control Development公司生产），工作波长 1 089～2 219 nm，分辨率1 nm，检测器通道数为256个；阿贝折射仪（上海精科）2WAJ；石英光纤（自制），如图1所示，外面1圈6个为入射光纤，中间1个为出射光纤，芯径为 0.6 mm；白板（海洋光学）WS-1-SL。

试验中梨近红外光漫反射示意图如图2所示：光源发出的光经入射光纤传送并投射到样品后，经样品表皮及内部组织漫反射后再经出射光纤传送至近红外光谱仪，用计算机采集数据后再进行数据处理和分析。

3 结论

研究结果表明，采用便携式近红外光谱仪建立检测梨可溶性固形物含量（SSC）的模型是可行的。SNV预处理方法能明显提高模型的预测效果。与其他3种波长优选法相比，biPLS+GA方法不仅优选的波长数最少，而且模型预测效果最好，得到的校正集和预测集的相关系数分别为0.887 9和0.891 0，RMSECV和RMSEP分别为0.599 9和0.571 3，说明经biPLS+GA处理后，能明显提高模型预测梨SSC的效果。

参考文献：

[1]中国水果产业基本情况[J].世界农业热带信息，2011（12）：11-12.

[2]代 芬，蔡博昆，洪添胜，等. 漫透射法无损检测荔枝可溶性固形物[J]. 农业工程学报，2012，28（15）：287-292.

[3]江国兴.丰水梨优质丰产技术要点[J]. 西南园艺，2000，28（2）：15-16.

[4]陈 斌，王 豪，林 松，等. 基于相关系数法与遗传算法的啤酒酒精度近红外光谱分析[J]. 农业工程学报，2005，21（7）：99-102.

[5]吴 迪，吴洪喜，蔡景波，等. 基于无信息变量消除法和连续投影算法的可见-近红外光谱技术白虾种分类方法研究[J]. 红外与毫米波学报，2009，28（6）：423-427.

[6]Entner V，Massart D L，De N，et al. Elimination of uninformative variables for multivariate calibration[J]. Analytical Chemistry，1996，68（21）：3851-3858.

[7]颜 辉. 植物油的亚油酸、亚麻酸近红外光谱融合和模型优化研究[D]. 镇江：江苏大学，2010：59-60.

[8]Balabin R M，Smirnov S V. Variable selection in near-infrared spectroscopy：benchmarking of feature selection methods on biodiesel data[J]. Analytica Chimica Acta，2011，692（1/2）：63-72.

[9]马世榜，汤修映，徐 杨，等. 可见/近红外光谱结合遗传算法无损检测牛肉 pH 值[J]. 农业工程学报，2012，28（18）：263-268.endprint

摘要：探索采用便携式近红外光谱仪，利用不同光谱预处理算法及波长优选法建立检测模型检测梨可溶性固形物含量（SSC）的可行性。比较了一阶导数（1st）、二阶导数（2nd）、多元散射校正（MSC）、标准正态变量变换（SNV）等9种预处理方法进行PLS建模的效果，确定最佳预处理方法。用相关系数法、无信息变量消除法（UVE）、向后区间偏最小二乘法（biPLS）和向后区间偏最小二乘法结合遗传算法（biPLS+GA）优选波长，用偏最小二乘法（PLS）建立梨SSC的定标模型，根据各个模型的校正集和预测集的相关系数（r）和交互验证均方根误差（RMSECV）、预测均方根误差（RMSEP）评价定标模型的精度和稳定性。结果表明：经过SNV预处理后的建模效果最好，校正集和预测集的相关系数r分别为0.890 8和0.868 9，RMSECV和RMSEP分别为0.592 5和0.630 8；相较于其他3种波长优选法，biPLS+GA 方法不仅优选的波长数少，而且所建模型的预测效果更好，校正集和预测集的相关系数分别为0.887 9和0.891 0，RMSECV和RMSEP分别为0.599 9和0.571 3。

关键词：便携式近红外光谱仪；梨；可溶性固形物含量；向后区间偏最小二乘法；遗传算法

中图分类号：O657.33 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2014）08-0284-03

中国果树栽培面积和产量均为世界第一位。2010年中国果园面积约l 154.39万hm2，产量约1.29亿t。苹果、柑桔、梨是中国最主要的三大水果，产量占到58%^[1]；梨树面积、产量次于苹果、柑桔，居第3位，2011年梨产量接近1 600万t。梨果脆甜多汁，其糖度与成熟度、品质密切相关。成熟度高的果实糖度高、品质高、口感好，成熟度低的糖度低、品质差、口感差。糖度是评价其品质的指标之一，而糖度可以通过可溶性固形物含量（SSC）的测定获得，因此试验和研究一般以SSC作为衡量糖度大小的指标。

丰水梨是适合我国南方很多地区栽种的梨品种，个头较大，果形圆，外形也比较美观，果肉乳白色，细脆爽口，浓甜，汁多^[2]，尽管含糖量高，但肉眼很难看出来，需要使用仪器来检测。本试验使用的是NIR256-2.2T2型便携式近红外光谱仪，并使用自制光纤来解决在树检测的问题。

现有的便携式近红外光谱仪采用的是连续光源，获得的是整个谱段的近红外光谱，可以通过优选波长剔除不相关的波长^[3]，从而减少波长数的使用。本试验采用多种波长优选法进行建模比较，从而确定最佳波长优选方法。

1 材料与方法

1.1 仪器设备

试验用到的主要仪器和设备有：NIR256-2. 2T2型近红外光谱仪（美国Control Development公司生产），工作波长 1 089～2 219 nm，分辨率1 nm，检测器通道数为256个；阿贝折射仪（上海精科）2WAJ；石英光纤（自制），如图1所示，外面1圈6个为入射光纤，中间1个为出射光纤，芯径为 0.6 mm；白板（海洋光学）WS-1-SL。

试验中梨近红外光漫反射示意图如图2所示：光源发出的光经入射光纤传送并投射到样品后，经样品表皮及内部组织漫反射后再经出射光纤传送至近红外光谱仪，用计算机采集数据后再进行数据处理和分析。

3 结论

研究结果表明，采用便携式近红外光谱仪建立检测梨可溶性固形物含量（SSC）的模型是可行的。SNV预处理方法能明显提高模型的预测效果。与其他3种波长优选法相比，biPLS+GA方法不仅优选的波长数最少，而且模型预测效果最好，得到的校正集和预测集的相关系数分别为0.887 9和0.891 0，RMSECV和RMSEP分别为0.599 9和0.571 3，说明经biPLS+GA处理后，能明显提高模型预测梨SSC的效果。

参考文献：

[1]中国水果产业基本情况[J].世界农业热带信息，2011（12）：11-12.

[2]代 芬，蔡博昆，洪添胜，等. 漫透射法无损检测荔枝可溶性固形物[J]. 农业工程学报，2012，28（15）：287-292.

[3]江国兴.丰水梨优质丰产技术要点[J]. 西南园艺，2000，28（2）：15-16.

[4]陈 斌，王 豪，林 松，等. 基于相关系数法与遗传算法的啤酒酒精度近红外光谱分析[J]. 农业工程学报，2005，21（7）：99-102.

[5]吴 迪，吴洪喜，蔡景波，等. 基于无信息变量消除法和连续投影算法的可见-近红外光谱技术白虾种分类方法研究[J]. 红外与毫米波学报，2009，28（6）：423-427.

[6]Entner V，Massart D L，De N，et al. Elimination of uninformative variables for multivariate calibration[J]. Analytical Chemistry，1996，68（21）：3851-3858.

[7]颜 辉. 植物油的亚油酸、亚麻酸近红外光谱融合和模型优化研究[D]. 镇江：江苏大学，2010：59-60.

[8]Balabin R M，Smirnov S V. Variable selection in near-infrared spectroscopy：benchmarking of feature selection methods on biodiesel data[J]. Analytica Chimica Acta，2011，692（1/2）：63-72.

[9]马世榜，汤修映，徐 杨，等. 可见/近红外光谱结合遗传算法无损检测牛肉 pH 值[J]. 农业工程学报，2012，28（18）：263-268.endprint

摘要：探索采用便携式近红外光谱仪，利用不同光谱预处理算法及波长优选法建立检测模型检测梨可溶性固形物含量（SSC）的可行性。比较了一阶导数（1st）、二阶导数（2nd）、多元散射校正（MSC）、标准正态变量变换（SNV）等9种预处理方法进行PLS建模的效果，确定最佳预处理方法。用相关系数法、无信息变量消除法（UVE）、向后区间偏最小二乘法（biPLS）和向后区间偏最小二乘法结合遗传算法（biPLS+GA）优选波长，用偏最小二乘法（PLS）建立梨SSC的定标模型，根据各个模型的校正集和预测集的相关系数（r）和交互验证均方根误差（RMSECV）、预测均方根误差（RMSEP）评价定标模型的精度和稳定性。结果表明：经过SNV预处理后的建模效果最好，校正集和预测集的相关系数r分别为0.890 8和0.868 9，RMSECV和RMSEP分别为0.592 5和0.630 8；相较于其他3种波长优选法，biPLS+GA 方法不仅优选的波长数少，而且所建模型的预测效果更好，校正集和预测集的相关系数分别为0.887 9和0.891 0，RMSECV和RMSEP分别为0.599 9和0.571 3。

关键词：便携式近红外光谱仪；梨；可溶性固形物含量；向后区间偏最小二乘法；遗传算法

中图分类号：O657.33 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2014）08-0284-03

中国果树栽培面积和产量均为世界第一位。2010年中国果园面积约l 154.39万hm2，产量约1.29亿t。苹果、柑桔、梨是中国最主要的三大水果，产量占到58%^[1]；梨树面积、产量次于苹果、柑桔，居第3位，2011年梨产量接近1 600万t。梨果脆甜多汁，其糖度与成熟度、品质密切相关。成熟度高的果实糖度高、品质高、口感好，成熟度低的糖度低、品质差、口感差。糖度是评价其品质的指标之一，而糖度可以通过可溶性固形物含量（SSC）的测定获得，因此试验和研究一般以SSC作为衡量糖度大小的指标。

丰水梨是适合我国南方很多地区栽种的梨品种，个头较大，果形圆，外形也比较美观，果肉乳白色，细脆爽口，浓甜，汁多^[2]，尽管含糖量高，但肉眼很难看出来，需要使用仪器来检测。本试验使用的是NIR256-2.2T2型便携式近红外光谱仪，并使用自制光纤来解决在树检测的问题。

现有的便携式近红外光谱仪采用的是连续光源，获得的是整个谱段的近红外光谱，可以通过优选波长剔除不相关的波长^[3]，从而减少波长数的使用。本试验采用多种波长优选法进行建模比较，从而确定最佳波长优选方法。

1 材料与方法

1.1 仪器设备

试验用到的主要仪器和设备有：NIR256-2. 2T2型近红外光谱仪（美国Control Development公司生产），工作波长 1 089～2 219 nm，分辨率1 nm，检测器通道数为256个；阿贝折射仪（上海精科）2WAJ；石英光纤（自制），如图1所示，外面1圈6个为入射光纤，中间1个为出射光纤，芯径为 0.6 mm；白板（海洋光学）WS-1-SL。

试验中梨近红外光漫反射示意图如图2所示：光源发出的光经入射光纤传送并投射到样品后，经样品表皮及内部组织漫反射后再经出射光纤传送至近红外光谱仪，用计算机采集数据后再进行数据处理和分析。

3 结论

研究结果表明，采用便携式近红外光谱仪建立检测梨可溶性固形物含量（SSC）的模型是可行的。SNV预处理方法能明显提高模型的预测效果。与其他3种波长优选法相比，biPLS+GA方法不仅优选的波长数最少，而且模型预测效果最好，得到的校正集和预测集的相关系数分别为0.887 9和0.891 0，RMSECV和RMSEP分别为0.599 9和0.571 3，说明经biPLS+GA处理后，能明显提高模型预测梨SSC的效果。

参考文献：

[1]中国水果产业基本情况[J].世界农业热带信息，2011（12）：11-12.

[2]代 芬，蔡博昆，洪添胜，等. 漫透射法无损检测荔枝可溶性固形物[J]. 农业工程学报，2012，28（15）：287-292.

[3]江国兴.丰水梨优质丰产技术要点[J]. 西南园艺，2000，28（2）：15-16.

[4]陈 斌，王 豪，林 松，等. 基于相关系数法与遗传算法的啤酒酒精度近红外光谱分析[J]. 农业工程学报，2005，21（7）：99-102.

[5]吴 迪，吴洪喜，蔡景波，等. 基于无信息变量消除法和连续投影算法的可见-近红外光谱技术白虾种分类方法研究[J]. 红外与毫米波学报，2009，28（6）：423-427.

[6]Entner V，Massart D L，De N，et al. Elimination of uninformative variables for multivariate calibration[J]. Analytical Chemistry，1996，68（21）：3851-3858.

[7]颜 辉. 植物油的亚油酸、亚麻酸近红外光谱融合和模型优化研究[D]. 镇江：江苏大学，2010：59-60.

[8]Balabin R M，Smirnov S V. Variable selection in near-infrared spectroscopy：benchmarking of feature selection methods on biodiesel data[J]. Analytica Chimica Acta，2011，692（1/2）：63-72.

[9]马世榜，汤修映，徐 杨，等. 可见/近红外光谱结合遗传算法无损检测牛肉 pH 值[J]. 农业工程学报，2012，28（18）：263-268.endprint