JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY

CN 41-1437/TS  ISSN 2096-1553

基于高光谱成像及机器学习的烟叶糖料液施加量判别模型

张建栋 杨忠泮 吴恋恋 徐大勇 朱萍 张雯晶 堵劲松

张建栋, 杨忠泮, 吴恋恋, 等. 基于高光谱成像及机器学习的烟叶糖料液施加量判别模型[J]. 轻工学报, 2024, 39(5): 86-94. doi: 10.12187/2024.05.010
引用本文: 张建栋, 杨忠泮, 吴恋恋, 等. 基于高光谱成像及机器学习的烟叶糖料液施加量判别模型[J]. 轻工学报, 2024, 39(5): 86-94. doi: 10.12187/2024.05.010
ZHANG Jiandong, YANG Zhongpan, WU Lianlian, et al. Discrimination model of tobacco leaf sucrose solution application levels based on hyperspectral imaging and machine learning[J]. Journal of Light Industry, 2024, 39(5): 86-94. doi: 10.12187/2024.05.010
Citation: ZHANG Jiandong, YANG Zhongpan, WU Lianlian, et al. Discrimination model of tobacco leaf sucrose solution application levels based on hyperspectral imaging and machine learning[J]. Journal of Light Industry, 2024, 39(5): 86-94. doi: 10.12187/2024.05.010

基于高光谱成像及机器学习的烟叶糖料液施加量判别模型

    作者简介: 张建栋(1972—),男,甘肃省平凉市人,甘肃烟草工业有限责任公司工程师,主要研究方向为卷烟加工工艺及产品开发。E-mail:zhangjiandong@gslzcf.com;
    通讯作者: 杨忠泮,363583280@qq.com
  • 基金项目: 中国烟草实业发展中心科技项目计划“青年人才”项目(ZYSYQ-2023-09)
    烟草行业烟草工艺重点实验室引领计划专项科技重点项目(202023AWCX01)
    甘肃烟草工业有限责任公司科技项目(KJXM-2023-09)

  • 中图分类号: TS452;TP181

Discrimination model of tobacco leaf sucrose solution application levels based on hyperspectral imaging and machine learning

    Corresponding author: YANG Zhongpan, 363583280@qq.com
  • Received Date: 2024-02-05
    Accepted Date: 2024-04-19
    Available Online: 2024-10-15

    CLC number: TS452;TP181

  • 摘要: 针对目前烟叶加料工序中糖料液加料效果无法进行无损检测的问题,基于高光谱成像及机器学习构建了烟叶糖料液施加量判别模型。首先,利用可见光-短波红外高光谱成像系统获取不同糖料液施加量烟叶样品的高光谱数据,采用标准正态变换(SNV)进行预处理;然后,分别使用全频域数据和主成分分析(PCA)降维数据,结合支持向量机(SVM)、逻辑回归(LR)、多层感知机(MLP)、随机森林(RF)构建4种判别模型并进行验证。结果表明:SNV预处理显著增强了高光谱数据的特征集中度;在使用全频域波段数据建模时,短波红外波段内模型的预测准确率均显著高于可见光波段,短红外波段的LR模型准确率最高(为98.23%);相较于全频域数据建模,使用PCA降维后的前10个主成分数据建模时,短红外波段的模型预测准确率无显著变化,而可见光波段的RF模型预测准确率提升较为明显(达71.43%);在可见光波段内,PCA降维后4种判别模型的最高准确率对应的主成分数量分别为217个、55个、47个、59个,在短波红外波段内,则分别为13个、11个、117个、46个。整体上,LR和RF模型表现出较优异的预测性能,在短波红外波段内,基于PCA降维数据的LR模型在使用较少主成分时仍能获得高准确率,具有快速、无损、精准地判别烟叶糖料液施加量的能力。
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  • 通讯作者:  杨忠泮, 363583280@qq.com
  • 收稿日期:  2024-02-05
  • 修回日期:  2024-04-19
  • 刊出日期:  2024-10-15
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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张建栋, 杨忠泮, 吴恋恋, 等. 基于高光谱成像及机器学习的烟叶糖料液施加量判别模型[J]. 轻工学报, 2024, 39(5): 86-94. doi: 10.12187/2024.05.010
引用本文: 张建栋, 杨忠泮, 吴恋恋, 等. 基于高光谱成像及机器学习的烟叶糖料液施加量判别模型[J]. 轻工学报, 2024, 39(5): 86-94. doi: 10.12187/2024.05.010
ZHANG Jiandong, YANG Zhongpan, WU Lianlian, et al. Discrimination model of tobacco leaf sucrose solution application levels based on hyperspectral imaging and machine learning[J]. Journal of Light Industry, 2024, 39(5): 86-94. doi: 10.12187/2024.05.010
Citation: ZHANG Jiandong, YANG Zhongpan, WU Lianlian, et al. Discrimination model of tobacco leaf sucrose solution application levels based on hyperspectral imaging and machine learning[J]. Journal of Light Industry, 2024, 39(5): 86-94. doi: 10.12187/2024.05.010

基于高光谱成像及机器学习的烟叶糖料液施加量判别模型

    作者简介:张建栋(1972—),男,甘肃省平凉市人,甘肃烟草工业有限责任公司工程师,主要研究方向为卷烟加工工艺及产品开发。E-mail:zhangjiandong@gslzcf.com
    通讯作者: 杨忠泮, 363583280@qq.com
  • 1. 甘肃烟草工业有限责任公司 技术研发中心, 甘肃 兰州 730050;
  • 2. 兰州理工大学 机电工程学院, 甘肃 兰州 730050;
  • 3. 中国烟草总公司郑州烟草研究院, 河南 郑州 450001
基金项目:  中国烟草实业发展中心科技项目计划“青年人才”项目(ZYSYQ-2023-09)烟草行业烟草工艺重点实验室引领计划专项科技重点项目(202023AWCX01)甘肃烟草工业有限责任公司科技项目(KJXM-2023-09)

摘要: 针对目前烟叶加料工序中糖料液加料效果无法进行无损检测的问题,基于高光谱成像及机器学习构建了烟叶糖料液施加量判别模型。首先,利用可见光-短波红外高光谱成像系统获取不同糖料液施加量烟叶样品的高光谱数据,采用标准正态变换(SNV)进行预处理;然后,分别使用全频域数据和主成分分析(PCA)降维数据,结合支持向量机(SVM)、逻辑回归(LR)、多层感知机(MLP)、随机森林(RF)构建4种判别模型并进行验证。结果表明:SNV预处理显著增强了高光谱数据的特征集中度;在使用全频域波段数据建模时,短波红外波段内模型的预测准确率均显著高于可见光波段,短红外波段的LR模型准确率最高(为98.23%);相较于全频域数据建模,使用PCA降维后的前10个主成分数据建模时,短红外波段的模型预测准确率无显著变化,而可见光波段的RF模型预测准确率提升较为明显(达71.43%);在可见光波段内,PCA降维后4种判别模型的最高准确率对应的主成分数量分别为217个、55个、47个、59个,在短波红外波段内,则分别为13个、11个、117个、46个。整体上,LR和RF模型表现出较优异的预测性能,在短波红外波段内,基于PCA降维数据的LR模型在使用较少主成分时仍能获得高准确率,具有快速、无损、精准地判别烟叶糖料液施加量的能力。

English Abstract

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