تقنية التصوير فائق الطيف للكشف غير المدمر عن محتوى زيت التبغ المعالج بالمداخن

في نظام تقييم جودة الأوراق، يعد محتوى الزيت أحد المؤشرات الهامة لقياس جودة التبغ المعالج بالدخان.يعتمد تقييم محتوى الزيت بشكل رئيسي على الحكم التجريبي للمحترفينفي السنوات الأخيرة ، تكنولوجيا التصوير الفائق الطيفية ، بسبب خصائصها في الجمع بين الرسوم البيانية والطيفات ،أثبتت إمكانات التطبيق في مجال الكشف عن جودة المنتجات الزراعيةوباستثناء دراسة حول الكشف عن محتوى زيت التبغ المعالجة بالدخان كمثال، تقدم هذه الورقة تأثير التطبيق العملي لتكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء القريبة المرئية في هذا السيناريو.

خلفية البحث والتصميم التجريبي
اختارت الدراسة 634 عينة من أوراق التبغ التي تم علاجها بواسطة الدخان من 22 مقاطعة زراعية للتبغ (منطقة مستقلة) في جميع أنحاء البلاد، تغطي الأجزاء العليا والوسطى والسفلية. The research team used the FigSpec series hyperspectral imaging system from CHNSpec (including FigSpec-23 and FigSpec-25 cameras) to synchronously collect the spectral information of tobacco leaves in the wavelength ranges of 400-1000nm and 900-1700nmخلال عملية التجميع، من خلال تحديد زاوية مصدر الضوء و مسافة الكاميرا، تم ضمان توحيد الإضاءة،واستخدمت القيمة المتوسطة بعد جمع البيانات الطيفية مرتين لكل عينة كمدخل أولي.

تم تقييم درجة محتوى الزيت بشكل مستقل على مقياس 10 نقاط من قبل فريق تقييم جودة المظهر يتكون من 20 شخصًا.تم تقسيم العينات إلى مجموعة معايرة (443 عينة) ومجموعة تأكيد (191 عينة) بنسبة 7:3كانت خصائص توزيع درجات محتوى النفط في مجموعتين من العينات متسقة مع مجموع السكان ، مما يوفر أساسا موثوقا لبناء النموذج اللاحق.

التحليل المسبق للقطر وتحليل الارتباط
تحتوي البيانات الطيفية الأصلية على ضوضاء وتداخلات تشتت، والتي تتطلب معالجة مسبقة لتعزيز الإشارات الفعالة. قارنت الدراسة خمسة طرق معالجة مسبقة فردية،بما في ذلك التسوية المتوسطة المتحركة (MA)، تصحيح التشتت الضخم (MSC) ، المتغير الطبيعي القياسي (SNV) ، المشتقة الأولى (D1) ، والقياس القياسي (SS) ، وكذلك استراتيجيات الجمع بينها.

أظهرت نتائج التحليل أن المعالجة المسبقة MSC و SNV يمكن أن تحسن بشكل فعال الارتباط بين انعكاس الطيف ودرجات محتوى الزيت.معدل الارتباط ازداد من 0.076-0.124 من الطيف الأصلي إلى 0.331-0.640D1 معالجة مسبقة، من خلال تعزيز خصائص التباين المحلي من المنحنيات الطيفية، جعلت عدد النطاقات المرتبطة بقوةهذه النتائج تشير إلى أن استراتيجيات المعالجة المسبقة المعقولة تساعد على تحسين القدرة التنبؤية للنماذج اللاحقة.

بناء النموذج وتقييم الأداء
استخدمت الدراسة خوارزميتين، إرجاعًا جزئيًا لأقل المربعات (PLSR) وإرجاعًا متجهًا دعميًا (SVR) ، لبناء نماذج توقعات كمية لدرجات محتوى النفط.كان نموذج PLSR القائم على النطاق الكامل من الأشعة تحت الحمراء القريبة المرئية قد حدد قيم RPD للتحقق من صحته بين 1.642 و 1.775 في معظم ظروف ما قبل المعالجة ، حيث وصلت مجموعة التحقق من الصحة R2 إلى 0.683 وكان RMSE 0.346 بعد معالجة ما قبل المعالجة. كان نموذج SVR لديه مجموعة التحقق من الصحة R2 من 0.653 و RMSE من 0.362 في إطار معالجة ما قبل مزيج D1 + SS.

لدمج مزايا كلا النموذجين، أدخلت الدراسة استراتيجية الاندماج المتوسطة المزنة.رأى نموذج الاندماج القائم على النطاق الكامل من الأشعة تحت الحمراء القريبة المرئية (PLSR في معالجة ما السابقة و SVR في معالجة D1 + SS السابقة) زيادة مجموعة التحقق من صحة R2 إلى 0.721، RMSE انخفاض إلى 0.324، و RPD تصل إلى 1.894، يظهر تأثير التنبؤ أفضل من أي نموذج واحد.

اختيار النطاق المميز وتحسين النموذج
تحتوي البيانات الفائقة الطيفية على المئات من النطاقات ، مما يقدم مشاكل في إعادة توزيع البيانات. اعتمدت الدراسة خوارزمية الإسقاطات المتتالية (SPA) لاختيار النطاقات المميزة.أظهرت النتائج أنه بعد معالجة ما، نموذج PLSR الذي تم بناؤه مع 95 نطاقًا مميزًا تم اختياره من قبل SPA كان لديه مجموعة التحقق من صحة R2 من 0.685 و RMSE من 0.345بعد معالجة ما قبل D1 + SS ، كان نموذج SVR المكون من 56 نطاقًا مميزًا تم اختياره من قبل SPA لديه مجموعة التحقق من صحته R2 من 0.666 و RMSE من 0.355تم تقليل عدد النطاقات المميزة بشكل ملحوظ من 428 في النطاق الكامل ، مما خفض بشكل كبير من بعد البيانات.

ويزيد نموذج اندماج PLSR و SVR المستند إلى اختيار SPA من تحسين دقة التنبؤ، حيث تصل مجموعة التحقق من صحة R2 إلى 0.724، RMSE في 0.323، و RPD في 1.904تشير هذه النتيجة إلى أن اختيار النطاق المميز يحافظ على صحة النموذج مع تقليل إضافية البيانات.

توقعات التطبيقات
تظهر هذه الدراسة جدوى تقنية الأشعة تحت الحمراء القريبة المرئية في الكشف غير المدمر عن محتوى زيت التبغ المعالج من الدخان.بالمقارنة مع طرق التقييم اليدوية التقليدية، تكنولوجيا الطيف العالي لديها مزايا محتملة من الموضوعية، عدم التدمير، والسرعة،التي يمكن أن توفر قواعد مرجعية لتطوير معدات تصنيف أوراق التبغ الآلية وبناء أنظمة مراقبة الجودة الذكيةقام نظام التصوير الفائق الطيفي من سلسلة FigSpec من CHNSpec بمهمة جمع البيانات الأساسية في هذه الدراسة ، والتحقق من تطبيقه في سيناريوهات الكشف عن جودة المواد الزراعية.