一种高光谱鉴别虫漏沉香的方法与流程

1.本发明涉及中药鉴定技术领域，具体涉及一种高光谱鉴别虫漏沉香的方法。


背景技术：

2.沉香(aquilaria sinensis lour.gilg)为瑞香科(thymelaeaceae)沉香属aquilaria植物含树脂的木材，《中国药典》2020版本收载的中药沉香。全世界约有19种沉香属的植物，大部分分布在中国、印度及东南亚国家，而国产沉香则以白木香作为沉香的主要植物来源，主产地为海南或两广地区，近年来在国内以白木香与奇楠沉香为首的两大沉香逐渐受到人们的关注，其结香方式更是受人瞩目，目前还没有公开的专利文件能鉴定虫漏沉香。
3.沉香属植物在受到侵害损伤时才有可能分泌产生多种次级代谢产物，如自然因素的雷劈、火烧、虫蛀或微生物入侵，传统人工结香技术由砍伤、掘洞等物理方法，现代人工结香技术以化学试剂侵害、接菌等生物化学为主的方法，在受伤后经复杂的结香过程后沉积在木质部后形成沉香。有关沉香的人工结香报道大多集中在打孔、砍伤、化学试剂滴注和殖菌等方面，但沉香以天然结香为优，天然结香中又以虫漏沉香为最佳品。
4.近年来，市场中沉香商品以及工艺种类类较多，混伪劣品混入现象严重，人们通过肉眼难以区分出混伪劣品，这严重影响中药沉香的入药疗效，有关沉香结香方式的鉴定研究取得一定进展，目前为止，虫漏沉香的有效鉴定上仍为空白。因此开发拓展新的技术，应用于虫漏沉香的鉴定是非常必要的。
5.高光谱影像是收集及处理整个跨电磁波谱的信息，其接触机制如虾蛄的眼睛它的光谱能够接触到红外线延伸到紫外线的范围。高光谱成像仪通过仪器内置的精密压电平移台，可实现精准的内部扫描成像；其内置制冷模块，可获得高信噪比的高光谱立方体数据，与传统狭缝与分光模式的高光谱仪相比，具有体积小，光通量高，采集速度快和无需扫描平台等优点，可以较精确检测不同技术结香的沉香木。本发明专利就是利用高光谱影像实现虫漏沉香高效准确鉴定。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有虫漏沉香检测鉴定技术的需求，提供一种高光谱技术用于虫漏沉香的科学鉴定方法。
7.本发明所述的一种高光谱鉴别虫漏沉香的方法，包括以下步骤：
8.a.设备准备：安装好高光谱成像仪并接通电源，校正底座平稳；
9.b.预处理：先扫描白色标准校正板，获得白板校正图像；
10.原理：为去除由实验环境引起的噪声，校正样本间由颗粒散射带来的误差，对所选区域光谱进行预处理，以挖掘所选波段中有效的光谱信息；另一方面，光源强度在不同波段下分布不均匀，光源分布较弱的波段所含噪声较大，因此，沉香的高光谱图像采集时也需要进行图像校正；
11.c.建立检测鉴定模型：(1)拍照与建模；使用高光谱影像仪拍照；对高光谱图像中，每种不同结香的沉香木材手动选取大小相同的像素区域region of interest(roi)若干个，将同种结沉木材的5个区域归为同一类，用同一颜色标记；不同结沉的沉香木用不同颜色标记，分类建模；(2)数据采集：对样品进行高光谱的投射值数据采集；(3)数据分析：为了减少模型输入变量和缩短分析计算时间，需要从全波段提取与沉香质量相关方面的特征变量波段，选取最有效的波长进行分析；
12.原理：由于沉香木的质量与特征性成分含量息息相关，导致不同种类的沉香木材对光谱的吸收程度不同，这是区分沉香木材的一个重要方面，因此需筛选出特征波长进行分析；
13.d.检测鉴定：(1)将待检测鉴定样品拍照，利用建立的模式检测鉴定；(2)得出鉴定结果，出检测报告。
14.优选地，所述的若干个为2、3、4、5或6个。
15.优选地，所述的不同技术结香的沉香木为虫漏沉香木、打洞结香沉香木、通体结香沉香木、虫漏未结香沉香木或白木香。
16.优选地，所述的特征波长为360-1000nm。
17.优选地，所述的选取特征波长进行分析是选取特征波长为横坐标，所对应的波数为纵坐标进行谱线绘制，对所作图表进行指数分析，作出如下指数回归方程：
18.虫漏沉香木的检测鉴定方程：y＝3.2652e
0.0949x
；
19.打洞结香沉香木的检测鉴定方程y＝8.3313e
0.0904x
；
20.通体结香沉香木的检测鉴定方程y＝9.3112e
0.0913x
；
21.白木香的检测鉴定方程为y＝12.414e
0.0887x
；
22.虫漏未结香沉香木鉴定方程为y＝12.342e
0.0879x
。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明利用不同沉香结香方式不同导致木块所含物质不同，其高光谱也不相同的特点，鉴别沉香，开发出以高光谱仪作为检测仪器，利用不同波段的高光谱对比鉴别出虫漏沉香的方法，鉴定快速且易操作，鉴别效果准确且易懂易区分，利于虫漏沉香鉴定与科学评估。
附图说明
24.图1为虫漏沉香的全波谱图(a)及测定曲线与标准方程(b)。
25.图2为虫漏沉香与白木香的全波段图谱(a)及测定曲线与标准方程(b)。
26.图3为虫漏沉香与打洞结香沉香的全波段图谱(a)及测定曲线与标准方程(b)。
27.图4为虫漏沉香与通体结香沉香的全波段图谱(a)及测定曲线与标准方程(b)。
28.图5为虫漏沉香与虫漏未结香沉香的全波段图谱(a)及测定曲线与标准方程(b)。
29.图6为虫漏沉香、虫漏未结香沉香与白木香的全波段图谱(a)及测定曲线与标准方程(b)。
30.图7为虫漏沉香、通体结香沉香与白木香的全波段图谱(a)及测定曲线与标准方程(b)。
31.图8为虫漏沉香、白木香与打洞结香沉香的全波段图谱(a)及测定曲线与标准方程(b)。
32.图9为虫漏沉香、打洞结香沉香与虫漏未结香沉香的全波段图谱(a)及测定曲线与标准方程(b)。
33.图10为虫漏沉香、通体结香沉香与虫漏未结香沉香的全波段图谱(a)及测定曲线与标准方程(b)。
34.图11为虫漏沉香、白木香、通体结香沉香与打洞结香沉香的全波段图谱(a)及测定曲线与标准方程(b)。
35.图12为待检测的各类型沉香木(a)和经建模鉴定后分类的沉香木(b)。
具体实施方式
36.以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步阐述，但本发明所保护范围不限于此。
37.实施例1单一因子光谱模型鉴定虫漏沉香
38.1.设备准备：matespec高光谱成像仪(400～1700nm)，安装好并接通电源；校正底座平稳。
39.2.预处理：先扫描白色标准校正板，获得白板校正图像。使用软件his snapscan，在acquisition中的general栏中的stage position中拖动鼠标调节大致位置，调整integration time(ms)为13.00，在scanning options中调节maximumpixel blur为2.50，此时effective pixel blur为1.03，最后调节cube acquisition(4.86s)中的white reference reflectance为95％，打开automatic reflectance，至此便已准备好实验前设备预处理。
40.3.建立检测鉴定模型：拍照与建模；将虫漏沉香摆放好，使用高光谱影像仪拍照，对高光谱图像中，虫漏沉香木材手动选取大小约为30mm
×
30mm像素点的区域2-3个，用一颜色标记；建模，在cube display中设置选择立方体——选择立方体，选择his矩阵校正，在渲染烂中使用彩色，0分贝增益，1伽玛和0对比。在分类栏目中，classify选择imec sam分类器，maximum angle(degrees)选择4.00，minimum intensity选择0.00，clean up栏目中的minimum aggregate size选择0；数据采集：对样品进行高光谱的投射值数据进行采集。选取basic stats中第1-39波段所对应的wavelength平均值。如图1a所示的虫漏沉香全波段图谱。数据分析：为了减少模型输入变量和缩短分析计算时间，需要从全波段提取与沉香质量相关方面的特征变量波段，选取最有效的波长进行分析。由于沉香木的质量与特征性成分含量息息相关，导致不同种类的沉香木材对光谱的吸收程度不同，这是区分沉香木材的一个重要方面，因此需筛选出特征波长进行分析(即band 1-39)。选取波段1-39(波长为360-1000nm)为横坐标，所对应的波数为纵坐标进行谱线绘制，对所作图表进行指数分析做出指数回归方程y＝3.2652e
0.0949x
。如图1b虫漏沉香的测定曲线和标准方程。
41.4.检测鉴定：(1)将待检测鉴定样品拍照，利用建立的模式检测鉴定。(2)得出鉴定结果，出检测报告。
42.实施例2双因子光谱模型鉴定虫漏沉香
43.1.设备准备：参考实施例1的步骤。
44.2.预处理：参考实施例1的步骤。
45.3.建立检测鉴定模型：拍照与建模；将打洞结香沉香木、虫漏未结香沉香木、白木
香、虫漏沉香木摆放好，使用高光谱影像仪拍照，对高光谱图像中，虫漏沉香木材手动选取大小约为30
×
30像素点的区域6个，用一颜色标记；建模，在cube display中设置选择立方体——选择立方体，选择his矩阵校正，在渲染烂中使用彩色，0分贝增益，1伽玛和0对比。在分类栏目中，classify选择imec sam分类器，maximum angle(degrees)选择4.00，minimum intensity选择0.00，clean up栏目中的minimum aggregate size选择0。数据采集：对样品进行高光谱的投射值进行数据采集。如图2a、3a、4a、5a中不同双因子类型的沉香全波段图谱。数据分析：选取波段1-39(波长为360-1000nm)为横坐标，所对应的波数为纵坐标进行谱线绘制，对所作图表如图2b、3b、4b、5b中不同双因子类型的沉香测定曲线和标准方程，进行指数分析做出指数回归方程得出虫漏沉香方程为y＝3.2652e
0.0949x
，白木香方程为y＝12.414e
0.0887x
。以同样双因子方法标记虫漏沉香木-打洞结香沉香木、虫漏沉香木+化学通体结香沉香木、虫漏沉香木-虫漏未结香沉香木得出以下不同方程：
46.虫漏沉香木-打洞结香沉香木方程：y＝3.2652e
0.0949x
与y＝8.3313e
0.0904x
，
47.虫漏沉香木-通体结香沉香木方程：y＝3.2652e
0.0949x
与y＝9.3112e
0.0913x
，
48.虫漏沉香木-虫漏未结香沉香木：y＝3.2652e
0.0949x
与y＝12.342e
0.0879x
。
49.4.检测鉴定：将待检测鉴定样品拍照，利用建立的模式检测鉴定；得出鉴定结果，出检测报告。
50.实施例3三因子光谱模型鉴定虫漏沉香
51.1.设备准备：参考实施例1的步骤。
52.2.预处理：参考实施例1的步骤。
53.3.建立检测鉴定模型：拍照与建模；将虫漏沉香木、打洞结香沉香木、通体结香沉香木和虫漏未结香沉香木摆放好，使用高光谱影像仪拍照，对高光谱图像中，虫漏沉香木材手动选取大小约为30
×
30像素点的区域6个，用一颜色标记；建模，在cube display中设置选择立方体——选择立方体，选择his矩阵校正，在渲染烂中使用彩色，0分贝增益，1伽玛和0对比。在分类栏目中，classify选择imec sam分类器，maximum angle(degrees)选择4.00，minimum intensity选择0.00，clean up栏目中的minimum aggregate size选择0。数据采集：对样品进行高光谱的投射值进行数据采集。如图6a、7a、8a、9a、10a中不同三因子类型的沉香全波段图谱。数据分析：选取波段1-39(波长为360-1000nm)为横坐标，所对应的波数为纵坐标进行谱线绘制，对所作图表进行指数分析做出指数回归方程得出虫漏沉香木的检测鉴定方程：
54.y＝3.2652e
0.0949x
、打洞结香沉香木的检测鉴定方程y＝8.3313e
0.0904x
与通体结香沉香木的检测鉴定方程y＝9.3112e
0.0913x
。如图6b、7b、8b、9b、10b中不同三因子类型的沉香测定曲线和标准方程，同样三因子标记虫漏-白木香-虫未、虫漏+白木香+通体、虫漏+白木香+打洞得出以下不同方程：
55.虫漏-白木香-虫未：y＝3.2652e
0.0949x
、y＝12.414e
0.0887x
、y＝12.342e
0.0879x
，
56.虫漏-白木香-通体：y＝3.2652e
0.0949x
、y＝12.414e
0.0887x
、y＝9.3112e
0.0913x
，
57.虫漏-白木香-打洞：y＝3.2652e
0.0949x
、y＝12.414e
0.0887x
、y＝8.3313e
0.0904x
，
58.虫漏-打洞-虫未：y＝3.2652e
0.0949x
、y＝8.3313e
0.0904x
、y＝12.342e
0.0879x
，
59.虫漏-通体-虫未：y＝3.2652e
0.0949x
、y＝9.3112e
0.0913x
、y＝12.342e
0.0879x
。
60.4.检测鉴定：将待检测鉴定样品拍照，利用建立的模式检测鉴定。得出鉴定结果，
出检测报告。
61.实施例4四因子光谱模型鉴定虫漏沉香
62.1.设备准备：参考实施例1的步骤。
63.2.预处理：参考实施例1的步骤。
64.3.建立检测鉴定模型：拍照与建模；将白木香、虫漏沉香木、打洞结香沉香木和通体结香沉香木摆放好，使用高光谱影像仪拍照，对高光谱图像中，虫漏沉香木材手动选取大小约为30
×
30像素点的区域6个，用一颜色标记；建模，在cube display中设置选择立方体——选择立方体，选择his矩阵校正，在渲染烂中使用彩色，0分贝增益，1伽玛和0对比。在分类栏目中，classify选择imec sam分类器，maximum angle(degrees)选择4.00，minimum intensity选择0.00，clean up栏目中的minimum aggregate size选择0。数据采集：对样品进行高光谱的投射值进行数据采集。如图11a中四因子的沉香全波段图谱。数据分析：选取波段1-39(波长为360-1000nm)为横坐标，所对应的波数为纵坐标进行谱线绘制，对所作图表如图11b中为四因子的沉香测定曲线和标准方程。对所作图表进行指数分析做出指数回归方程得出：
65.虫漏沉香木的检测鉴定方程：y＝3.2652e
0.0949x
；
66.打洞结香沉香木的检测鉴定方程：y＝8.3313e
0.0904x
；
67.通体结香沉香木的检测鉴定方程：y＝9.3112e
0.0913x
；
68.白木香的检测鉴定方程：y＝12.414e
0.0887x
。
69.4.检测鉴定：将待检测鉴定样品拍照，利用建立的模式检测鉴定。得出鉴定结果，出检测报告。
70.实施例5光谱模型鉴定虫漏沉香实际操作
71.1.设备准备：参考实施例1的步骤。
72.2.预处理：参考实施例1的步骤。
73.3.建立检测鉴定模型：拍照与建模；将白木香、虫漏沉香木、打洞结香沉香木和通体结香沉香木摆放好，使用高光谱影像仪拍照，对高光谱图像中，虫漏沉香木材手动选取大小约为30
×
30像素点的区域6个，用一颜色标记；建模，在cube display中设置选择立方体——选择立方体，选择his矩阵校正，在渲染烂中使用彩色，0分贝增益，1伽玛和0对比。在分类栏目中，classify选择imec sam分类器，maximum angle(degrees)选择4.00，minimum intensity选择0.00，clean up栏目中的minimum aggregate size选择0。数据采集：对样品进行高光谱的投射值进行数据采集。数据分析：选取波段1-39(波长为360-1000nm)为横坐标，所对应的波数为纵坐标进行谱线绘制，对所作图表进行指数分析做出指数回归方程得出：
74.虫漏沉香木的检测鉴定方程：y＝3.2652e
0.0949x
；
75.打洞结香沉香木的检测鉴定方程y＝8.3313e
0.0904x
；
76.通体结香沉香木的检测鉴定方程y＝9.3112e
0.0913x
；
77.白木香的检测鉴定方程为y＝12.414e
0.0887x
。
78.4.检测鉴定：将待检测鉴定样品拍照，利用已拍照的各类型沉香与选取的图像波段回归方程进行鉴定。如图12a所示摆放好各类型沉香木(虫漏结香、通体结香、打洞结香、白木香与2个待测样品)。
79.得出鉴定结果，出检测报告。通过四因子建模后得出进行分类得出结果：虫漏沉香方程为：y＝3.2652e
0.0949x
；通体结香方程为：y＝9.3112e
0.0913x
；打洞沉香方程为：y＝8.3313e
0.0904x
；白木香方程为：y＝12.414e
0.0887x
；待测样品一方程为：y＝12.342e
0.0879x
；待测样品二方程为：y＝5.1294e
0.0951x
两待测样品为非虫漏结香(如图12b所示)。