بخشی از مقاله
چکیده
تشخیص موثر و بهنگام آلودگی حشرات در میوه ها یک امر مهم برای حفظ کیفیت میوه های تازه مانند سیب می باشد. هدف از این تحقیق مطالعه اثرسنجی روش تصویربرداری ابرطیفی مادون قرمز نزدیک - 400 900 نانومتر - در مد بازتابی برای تشخیص و طبقه بندی سیب های آلوده با کرم سیب بود. از یک سامانه تصویربرداری ابرطیفی برای گرفتن تصاویر ابرطیفی سیب های تازه و نگهداشته شده در انبار برای مدت چهار ماه، استفاده شد.
طیف بازتابی میانگین برای تصاویر محاسبه شده و چندین روش طبقه بندی شامل؛ تحلیل تفکیک خطی، -Kنزدیکترین فاصله، تحلیل تفکیک حداقل مربعات جزئی، شبکه های عصبی پیش رونده، درخت تصمیم و رأی گیری حداکثری، کلاس بندی نمونه ها انجام گرفت.
همچنین انتخاب طول موجهای بهینه بر مبنای تحلیل دادههای ابرطیفی، توسط روش انتخاب پیش رونده متواتر انجام گرفت. بالاترین نرخ کلاس بندی برابر با 81درصد و 86درصد برای میوه های سالم و آفت زده، با روش درخت تصمیم و تنها با شش طول موج به عنوان ورودی بدست آمد. این مطالعه توانایی روش تصویربرداری ابرطیفی مادون قرمز نزدیک را برای تشخیص غیرمخرب و برخط آلودگی کرم سیب در میوه سیب را نشان می دهد.
مقدمه
کرم سیب Codling Moth یک آفت بسیار جدی برای این میوه می باشد که همه ساله باعث تلفات و خسارات بسیار زیادی می گردد. در حال حاضر برای شناسایی میوه های معیوب و کرم زده در غالب موارد از روش معاینه دستی استفاده می گردد که این روش روشی با دقت کم، وقتگیر و تخریبی بوده و از نظر اقتصادی به صرفه نمی باشد. در سال های اخیر توجه پژوهشگران بر توسعه روش های تشخیص غیرمخرب به منظور برطرف نمودن عیوبی که در روش های مخرب و نیمه مخرب وجود دارد، افزایش یافته است.
تصویربرداری ابرطیفی بعنوان یک فناوری جدید و غیرمخرب، اطلاعات موجود در طول موج های نواحی مرئی و فروسرخ نزدیک را پوشش داده و با اطلاعات تصویر ادغام می کند. این ویژگی می تواند اطلاعات تشخیصی بیشتری شامل خصوصیات ساختاری درونی، اطلاعات ریخت شناسی و ترکیبات شیمیایی، در مقایسه با روش ماشین بینایی و یا طیف سنجی ارائه دهد. تصویربرداری ابرطیفی در حوزه کشاورزی مورد مطالعه بسیاری از محققین قرار گرفته و کاربرد های زیادی در زمینه های تخمین خصوصیات درونی میوه ها 3 - و - 5 و تشخیص صدمات درونی محصولات - 1 - داشته است.
هدف اصلی از انجام این پژوهش، توسعه یک روش مبتنی بر تصویربرداری ابرطیفی به منظور تشخیص آفت زدگی در محصول سیب و انتخاب طول موج های بهینه جهت تشخیص آفت زدگی می باشد که دارای کاربرد عملی در سامانه های زمان واقعی هستند.
مواد و روش ها
از محصول سیب رقم گولد راش - GoldRush - از یک باغ تجاری واقع در ایالت کنتاکی کشور آمریکا و در فروردین ماه 1395 - March 2016 - برداشت گردید و به آزمایشگاه مهندسی مواد غذایی، گروه مهندسی بیوسیستم دانشگاه کنتاکی منتقل گردیدند. نمونهها به صورت تصادفی به 2 دسته 75 تایی بعنوان نمونه های در معرض آفت و شاهد تقسیم گردیدند تا در شرایط انبار با دمای 4 °C قرار گیرند. به منظور ایجاد نمونه های آفت زده بطور مصنوعی، براساس روش استاندارد سازمان فائو برای پرورش حشره کرم سیب - 2 - عمل گردید. مدت زمان انبارداری 120 روز درنظر گرفته شد و آزمایشها به فواصل یک هفته انجام گرفت. در هر مرحله از آزمایش، تعداد 5 عدد از نمونهها از محفظهی مربوطه خارج گردید و به مدت 4 ساعت در آزمایشگاه با دمای 21 ±1 °C قرار داده شد تا نمونهها به شرایط تعادل دمایی برسند.
سامانه تصویربرداری به منظور گرفتن تصاویر ابرطیفی در محدوده طولموجی مرئی و فروسرخ نزدیک از سامانه تصویربرداری ابرطیفی بازتابی گروه مهندسی بیوسیستم دانشگاه کنتاکی استفاده گردید. سامانه مذکور از یک دوربین صنعتی CCD، یک طیفنگار از نوع شبکه-توری-شبکه به همراه یک لنز بزرگنمایی تشکیل شده است. واحد نورپردازی شامل یک منبع نور دارای یک لامپ هالوژن با توان 150 وات بود که با زاویه 53درجه نسبت به نمونه در بالای آن قرار می گرفت. تشکیل یک تصویر ابرطیفی، با حرکت یک پلیت متحرک که با یک نرم افزار کامپیوتری کنترل می شد، صورت گرفت. برای گرفتن داده های ابرطیفی، نمونه سیب بر روی پلیت متحرک سیاه رنگ قرار داده و پایش گردید تا تصاویرابرطیفی آن ثبت و ذخیره گردد. سپس نمونه سیب مورد آزمون جهت مشاهده آفت زدگی درونی به دو نیمه برش داده شده و نتایج وجود یا عدم وجود عیب داخلی ثبت گردید.
پردازش تصویر
مراحل مختلف انجام گرفته در این پژوهش برای تحلیل تصاویر ابرطیفی در شکل 1 نشان داده شده است. برای بدست آوردن طیف میانگین بازتابی برای هر تصویر قطعه بندی شده، مقدار میانگین شدت نور هر پیکسل برروی ناحیه جدا شده آن تصویر محاسبه گردید. پس از آن هر تصویر طیفی با استفاده از تصاویر مرجع سیاه و بازتابش 50 درصد با استفاده از رابطهی زیر واسنجی گردید:
که در آن RR طیف بازتابی نسبی هر تصویر، Is مقادیر شدت نور برای نمونه، Ir مقادیر شدت نور برای مرجع بازتابش 50 درصد و Id مقادیر شدت نور برای مرجع سیاه می باشند.
شکل -1 مراحل انجام تحلیل تصاویر ابرطیفی
پیش پردازش و تجزیه تحلیل داده ها
کلاس بندی نمونه ها به دو دسته سالم و آفت زده با استفاده از چندین روش کلاس بندی شامل تحلیل تفکیک خطی،-K نزدیکترین فاصله، تحلیل تفکیک حداقل مربعات جزئی، شبکه های عصبی پیش رونده درخت تصمیم و رأی گیری حداکثری، انجام گرفت.
داده های مربوط به طیف بازتابی نسبی میانگین، به منظور کاهش نوفه ناشی از منابع مختلف، پیش پردازش گردیدند. در این تحقیق، از عملیات خط پایه وزن داده شده، هموارسازی با استفاده از مشتق اول و دوم، نرمال سازی، انحراف نرمال استاندارد، تصحیح سیگنال ضربی و همچنین مرکز میانگین بمنظور از بین بردن نوفههای تصادفی بوجود آمده در طیفهای استخراج شده استفاده گردید . - 7 - پس از استخراج و پیش پرداخت داده ها، تعداد 100 نمونه - حدود 80درصد - به طور تصادفی برای ساخت مدل ها - داده های آموزشی - و مابقی به منظور ارزیابی - داده های آزمون - در نظر گرفته شدند. تمامی مراحل پردازش داده ها و کلاس بندی نمونه ها با استفاده از نرم افزار متلب انجام گرفت. تکنیک در این تحقیق روش های انتخاب متوالی رو به جلو و رو به عقب بکار گرفته شد و مدل طبقه بند توسط شاخص خطاء طبقه بندی ارزیابی گردید.
نتایج و بحث
طیف های پردازش شده برای نمونه ها
همانطور که در شکل 2 مشخص است نمودار ها بیانگر شباهت شکل کلی طیفهای تحصیل شده از نمونههای سالم و معیوب بوده ولی با وجود این میزان بازتابش نسبی برای دو گروه در طولموجهای مختلف متفاوت میباشد. همچنین نتایج نشان می دهد که میزان جذب نسبی برای نمونه های آفت زده تقریباً در تمامی گستره طولموجهای ثبت شده در این تحقیق، بیشتر می باشد. این نتایج مشابه یافته های مطالعات قبلی که از تصویربرداری ابرطیفی برای تشخیص بیماری ها، آلودگی ها و صدمات مکانیکی روی سیب استفاده کرده اند، می باشد.
بعنوان مثال مهل و همکاران - 6 - نتیجه گیری کرد که در نمونه های طیف بازتابی در محدوده 450 تا 900نانومتر برای نمونه های سالم، بالاتر از طیف بازتابی نمونه های دارای کبودشدگی، آلودگی و عفونت قارچی، قرار داشتند. در واقع تفاوت در میزان جذب در ناحیه مرئی 400 - تا 700نانومتر - بیانگر وجود علائم فیزیکی و ظاهری هر چند اندک، در نمونه های آفت زده می باشد که باعث جذب بیشتر نور در این نمونه ها شده است.
