基于成像光谱仪的中药硫磺熏蒸鉴别方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于成像光谱仪的中药硫磺熏蒸鉴别方法及系统，涉及遥感技术领域，所述方法包括：S1：获取待鉴别中药在预设波段的高光谱图像，并根据所述待鉴别中药在预设波段的高光谱图像计算对所述待鉴别中药的光谱指数特征；S2：根据所述待鉴别中药在预设波段的高光谱图像及所述待鉴别中药的光谱指数特征对所述待鉴别中药进行分类，以确定所述待鉴别中药是否经过硫磺熏蒸。本发明通过待鉴别中药在预设波段的高光谱图像及待鉴别中药的光谱指数特征对所述待鉴别中药进行分类，从而提高了鉴别的精度及效率。

说明书

技术领域

本发明涉及遥感技术领域，特别涉及一种基于成像光谱仪的中药 硫磺熏蒸鉴别方法及系统。

背景技术

硫磺熏制中药材曾经是我国药材加工的传统做法，主要用于防虫 和防潮，便于药材的储存，减少药材损耗，还可增加色泽。但由于硫 磺燃烧以后会产生二氧化硫，极容易残留在药材当中，长期服用会伤 害消化道和呼吸道，以及肝、肾等脏器。因此，国家食品药品监管管 理局在2004年就专门下文，禁止使用硫磺熏制中药材。

目前仍被不少药商违法使用这种方法，传统的鉴别方法是使用鼻 子闻、肉眼辨别和尝。但是由于一些中药材本身就有气味或者本身有 毒，故而该鉴别方法存在着很大的局限性，鉴别的精度及效率很低。

发明内容

为了提高中药鉴别的精度及效率，本发明提供了一种基于成像光 谱仪的中药硫磺熏蒸鉴别方法，所述方法包括：

S1：获取待鉴别中药在预设波段的高光谱图像，并根据所述待鉴 别中药在预设波段的高光谱图像计算对所述待鉴别中药的光谱指数 特征；

S2：根据所述待鉴别中药在预设波段的高光谱图像及所述待鉴别 中药的光谱指数特征对所述待鉴别中药进行分类，以确定所述待鉴别 中药是否经过硫磺熏蒸。

可选地，步骤S1之前，所述方法还包括：

S0：获取样本中药在预设波段的高光谱图像，并根据所述样本中 药在预设波段的高光谱图像计算对所述样本中药的光谱指数特征；

相应地，步骤S2具体包括：

根据所述待鉴别中药在预设波段的高光谱图像、所述待鉴别中药 的光谱指数特征、所述样本中药在预设波段的高光谱图像及所述样本 中药的光谱指数特征对所述待鉴别中药进行分类，以确定所述待鉴别 中药是否经过硫磺熏蒸。

可选地，步骤S2中，通过下式对所述待鉴别中药进行分类，

$f\left(x_j\right)=\mathrm{sgn}(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{y}_i{\alpha }_{i}K(x_i,x_j)+b),$

其中，K(x_i,x_j)＝μK₁(x_i,x_j)+(1-μ)K₂(x′_i,x′_j)；γ为大于0的常数；j为与待鉴别中药对应的像元； x_j为待鉴别中药在预设波段的高光谱图像上像元j对应的像素值；x′_j为 像元j对应的光谱指数特征；α_i及b为通过样本中药在预设波段的高光 谱图像及样本中药的光谱指数特征求解最优化问题求得的参数；μ为 在[0，1]区间内的常数；i为样本中药对应的像元；n为样本中药对应 的像元总数；x_i为样本中药在预设波段的高光谱图像上像元i对应的像 素值；x′_i为像元i对应的光谱指数特征；y_i在像元i为经过硫磺熏蒸的中 药时，其取值为-1；在像元i为未经过硫磺熏蒸的中药时，其取值为1； 当f(x_j)<0时，则判别像元j为经过硫磺熏蒸的中药；当f(x_j)>0时，则 判别像元j为未经硫磺熏蒸的中药。

可选地，步骤S0之前，所述方法还包括：

获取所述样本中药在所有波段的高光谱图像，计算各波段的高光 谱图像对应的空间自相关指数，将所述空间自相关指数高于预设阈值 的波段作为所述预设波段。

可选地，所述光谱指数特征为对中药物理化学参量敏感的光谱指 数特征。

本发明还公开了一种基于成像光谱仪的中药硫磺熏蒸鉴别系统， 所述系统包括：

待鉴别数据获取单元，用于获取待鉴别中药在预设波段的高光谱 图像，并根据所述待鉴别中药在预设波段的高光谱图像计算对所述待 鉴别中药的光谱指数特征；

待鉴别中药分类单元，用于根据所述待鉴别中药在预设波段的高 光谱图像及所述待鉴别中药的光谱指数特征对所述待鉴别中药进行 分类，以确定所述待鉴别中药是否经过硫磺熏蒸。

可选地，所述系统还包括：

样本数据获取单元，用于获取样本中药在预设波段的高光谱图 像，并根据所述样本中药在预设波段的高光谱图像计算对所述样本中 药的光谱指数特征；

相应地，所述待鉴别中药分类单元，还用于根据所述待鉴别中药 在预设波段的高光谱图像、所述待鉴别中药的光谱指数特征、所述样 本中药在预设波段的高光谱图像及所述样本中药的光谱指数特征对 所述待鉴别中药进行分类，以确定所述待鉴别中药是否经过硫磺熏 蒸。

可选地，所述待鉴别中药分类单元，还用于通过下式对所述待鉴 别中药进行分类，

$f\left(x_j\right)=\mathrm{sgn}(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{y}_i{\alpha }_{i}K(x_i,x_j)+b),$

其中，K(x_i,x_j)＝μK₁(x_i,x_j)+(1-μ)K₂(x′_i,x′_j)；γ为大于0的常数；j为与待鉴别中药对应的像元； x_j为待鉴别中药在预设波段的高光谱图像上像元j对应的像素值；x′_j为 像元j对应的光谱指数特征；α_i及b为通过样本中药在预设波段的高光 谱图像及样本中药的光谱指数特征求解最优化问题求得的参数；μ为 在[0，1]区间内的常数；i为样本中药对应的像元；n为样本中药对应 的像元总数；x_i为样本中药在预设波段的高光谱图像上像元i对应的像 素值；x′_i为像元i对应的光谱指数特征；y_i在像元i为经过硫磺熏蒸的中 药时，其取值为-1；在像元i为未经过硫磺熏蒸的中药时，其取值为1； 当f(x_j)<0时，则判别像元j为经过硫磺熏蒸的中药；当f(x_j)>0时，则 判别像元j为未经硫磺熏蒸的中药。

可选地，所述系统还包括：

波段选择单元，用于获取所述样本中药在所有波段的高光谱图 像，计算各波段的高光谱图像对应的空间自相关指数，将所述空间自 相关指数高于预设阈值的波段作为所述预设波段。

可选地，所述光谱指数特征为对中药物理化学参量敏感的光谱指 数特征。

本发明通过待鉴别中药在预设波段的高光谱图像及待鉴别中药 的光谱指数特征对所述待鉴别中药进行分类，从而提高了鉴别的精度 及效率。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的基于成像光谱仪的中药硫磺熏蒸鉴 别方法的流程图；

图2是本发明一种实施方式的基于成像光谱仪的中药硫磺熏蒸鉴 别系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明一种实施方式的基于成像光谱仪的中药硫磺熏蒸鉴 别方法的流程图；参照图1，所述方法包括：

S1：获取待鉴别中药在预设波段的高光谱图像，并根据所述待鉴 别中药在预设波段的高光谱图像计算对所述待鉴别中药的光谱指数 特征；

S2：根据所述待鉴别中药在预设波段的高光谱图像及所述待鉴别 中药的光谱指数特征对所述待鉴别中药进行分类，以确定所述待鉴别 中药是否经过硫磺熏蒸。

本实施方式通过待鉴别中药在预设波段的高光谱图像及待鉴别 中药的光谱指数特征对所述待鉴别中药进行分类，从而提高了鉴别的 精度及效率。

在具体实现中，为了便于实现对所述待鉴别中药进行分类，可选 地，步骤S1之前，所述方法还包括：

S0：获取样本中药在预设波段的高光谱图像，并根据所述样本中 药在预设波段的高光谱图像计算对所述样本中药的光谱指数特征；

在获取高光谱图像时，可使用卤素灯做光源，对待鉴别中药均匀 照明，采用搭建的成像光谱仪系统对中药材进行光谱成像，同时将已 知硫磺熏蒸和已知未经过熏蒸的同种中药放在同一视场中，当然，还 可通过其他的获取方式，本实施方式对此不加以限制。

相应地，步骤S2具体包括：

根据所述待鉴别中药在预设波段的高光谱图像、所述待鉴别中药 的光谱指数特征、所述样本中药在预设波段的高光谱图像及所述样本 中药的光谱指数特征对所述待鉴别中药进行分类，以确定所述待鉴别 中药是否经过硫磺熏蒸。

为进一步提高对所述待鉴别中药进行分类的效率，可选地，步骤 S2中，通过下式对所述待鉴别中药进行分类，

$f\left(x_j\right)=\mathrm{sgn}(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{y}_i{\alpha }_{i}K(x_i,x_j)+b),$

其中，K(x_i,x_j)＝μK₁(x_i,x_j)+(1-μ)K₂(x′_i,x′_j)；γ为大于0的常数；j为与待鉴别中药对应的像元； x_j为待鉴别中药在预设波段的高光谱图像上像元j对应的像素值；x′_j为 像元j对应的光谱指数特征；α_i及b为通过样本中药在预设波段的高光 谱图像及样本中药的光谱指数特征求解最优化问题求得的参数；μ为 在[0，1]区间内的常数；i为样本中药对应的像元；n为样本中药对应 的像元总数；x_i为样本中药在预设波段的高光谱图像上像元i对应的像 素值；x′_i为像元i对应的光谱指数特征；y_i在像元i为经过硫磺熏蒸的中 药时，其取值为-1；在像元i为未经过硫磺熏蒸的中药时，其取值为1； 当f(x_j)<0时，则判别像元j为经过硫磺熏蒸的中药；当f(x_j)>0时，则 判别像元j为未经硫磺熏蒸的中药。

由于高光谱图像的波段数多，波长覆盖范围广，但是部分波段的 图像质量较差，在进行分类时会带来严重的误分，为避免该问题，需 要先进行波段选择，即对获取的高光谱数据计算Geary’s c值，去除 Geary’s c值较大的波段，保留值较小的波段，进而去除图像质量差或 波段间相关性强的波段，降低高光谱数据的冗余，起到数据降维的作 用，可选地，步骤S0之前，所述方法还包括：

获取所述样本中药在所有波段的高光谱图像，计算各波段的高光 谱图像对应的空间自相关指数，将所述空间自相关指数高于预设阈值 的波段作为所述预设波段。

本实施方式中，所述空间自相关指数采用Geary’s c值来衡量， 计算公式如下：

$c=\frac{\underset{m}{\Sigma }\underset{n}{\Sigma }{w}_{\mathrm{mn}}{c}_{\mathrm{mn}}}{2\underset{m}{\Sigma }\underset{n}{\Sigma }{w}_{\mathrm{mn}}{\sigma }^2}$

其中，c为Geary’s c值，m和n为同一高光谱图像上的任意两个 像元，c_mn＝(z_m-z_n)²，z_m为像元m的灰度值，z_n为像元n的灰度值，w_mn为空间权重变量，在像元m和像元n之间距离是预设值时，取值为1， 否则取值为0，σ²为该高光谱图像上灰度的方差值。

其中，σ²的计算公式为：

${\sigma }^2=\frac{1}{n-1}\underset{m}{\Sigma }{(z_m-\bar{z})}^2$

其中，n为该高光谱图像上像元的总数，为该高光谱图像上灰 度的平均值。

需要说明的是，Geary’s c值能够反映图像质量(Geary’s c值越小， 图像质量越高；反之，图像质量越低)，并对波段去相关。

为了提高鉴别地准确性，可选地，所述光谱指数特征为对中药物 理化学参量敏感的光谱指数特征，经过反复验证，所述光谱指数特征 可选取50种，具体可参照下表：

图2是本发明一种实施方式的基于成像光谱仪的中药硫磺熏蒸鉴 别系统的结构框图；参照图2，所述系统包括：

待鉴别数据获取单元，用于获取待鉴别中药在预设波段的高光谱 图像，并根据所述待鉴别中药在预设波段的高光谱图像计算对所述待 鉴别中药的光谱指数特征；

待鉴别中药分类单元，用于根据所述待鉴别中药在预设波段的高 光谱图像及所述待鉴别中药的光谱指数特征对所述待鉴别中药进行 分类，以确定所述待鉴别中药是否经过硫磺熏蒸。

可选地，所述系统还包括：

样本数据获取单元，用于获取样本中药在预设波段的高光谱图 像，并根据所述样本中药在预设波段的高光谱图像计算对所述样本中 药的光谱指数特征；

相应地，所述待鉴别中药分类单元，还用于根据所述待鉴别中药 在预设波段的高光谱图像、所述待鉴别中药的光谱指数特征、所述样 本中药在预设波段的高光谱图像及所述样本中药的光谱指数特征对 所述待鉴别中药进行分类，以确定所述待鉴别中药是否经过硫磺熏 蒸。

可选地，所述待鉴别中药分类单元，还用于通过下式对所述待鉴 别中药进行分类，

$f\left(x_j\right)=\mathrm{sgn}(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{y}_i{\alpha }_{i}K(x_i,x_j)+b),$

其中，K(x_i,x_j)＝μK₁(x_i,x_j)+(1-μ)K₂(x′_i,x′_j)；γ为大于0的常数；j为与待鉴别中药对应的像元； x_j为待鉴别中药在预设波段的高光谱图像上像元j对应的像素值；x′_j为 像元j对应的光谱指数特征；α_i及b为通过样本中药在预设波段的高光 谱图像及样本中药的光谱指数特征求解最优化问题求得的参数；μ为 在[0，1]区间内的常数；i为样本中药对应的像元；n为样本中药对应 的像元总数；x_i为样本中药在预设波段的高光谱图像上像元i对应的像 素值；x′_i为像元i对应的光谱指数特征；y_i在像元i为经过硫磺熏蒸的中 药时，其取值为-1；在像元i为未经过硫磺熏蒸的中药时，其取值为1； 当f(x_j)<0时，则判别像元j为经过硫磺熏蒸的中药；当f(x_j)>0时，则 判别像元j为未经硫磺熏蒸的中药。

可选地，所述系统还包括：

波段选择单元，用于获取所述样本中药在所有波段的高光谱图 像，计算各波段的高光谱图像对应的空间自相关指数，将所述空间自 相关指数高于预设阈值的波段作为所述预设波段。

可选地，所述光谱指数特征为对中药物理化学参量敏感的光谱指 数特征。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关 技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明 的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。