【摘要】：馬鈴薯是世界四大主糧之一,隨著我國馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的實(shí)施,機(jī)械化作業(yè)在馬鈴薯生產(chǎn)中的比重將逐步加大,馬鈴薯塊莖采收及采后處理中的機(jī)械損傷問題日益突出,如何監(jiān)測機(jī)械損傷成為馬鈴薯生產(chǎn)中的重要課題。本研究首先結(jié)合有限元分析(Finite elementanalysis,FEA)和圖像處理技術(shù),構(gòu)建了馬鈴薯的跌落碰撞損傷模型,結(jié)合實(shí)測分析揭示了損傷產(chǎn)生規(guī)律;其次探討了馬鈴薯損傷與生物散斑活性之間的特異性關(guān)系;最后對散斑信號處理算法進(jìn)行改進(jìn),結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)對馬鈴薯隱形損傷的識別。本研究的主要內(nèi)容及研究結(jié)論如下:(1)基于圖像處理技術(shù)的馬鈴薯跌落碰撞FEA模型的構(gòu)建提出兩種圖像處理算法,輔助獲取馬鈴薯幾何模型和材料參數(shù),從而準(zhǔn)確構(gòu)建馬鈴薯FEA模型。使用圖像處理算法得到外形輪廓特征點(diǎn),構(gòu)成第1方向特征曲線,控制橫向結(jié)構(gòu)特征;以已建好的第1方向特征曲線為基準(zhǔn)組成第2方向特征曲線,控制縱向結(jié)構(gòu)特征。提出一種基于密切圓的計(jì)算平板壓縮中馬鈴薯上下接觸點(diǎn)處曲率半徑的圖像處理算法,計(jì)算得到彈性模量或時(shí)變彈性模量,從而確定馬鈴薯的彈性和粘彈性特征參數(shù)。兩種算法均進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得出算法可靠性的結(jié)論。(2)馬鈴薯跌落碰撞動態(tài)響應(yīng)和損傷模型分析應(yīng)用FEA模型和馬鈴薯跌落實(shí)驗(yàn)考察馬鈴薯的跌落碰撞動態(tài)響應(yīng),揭示馬鈴薯跌落損傷發(fā)生規(guī)律。在FEA和融合力傳感器及高速相機(jī)的跌落實(shí)驗(yàn)中將樣本從200、400和600mm自由跌落,分別提取碰撞時(shí)間及、力峰值時(shí)間Tp、最大沖擊力Fmax、最大形變Dmax和恢復(fù)系數(shù)r五個響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行對比。研究發(fā)現(xiàn),FEA中Tc和Tp均隨跌落高度的上升有較小幅度的下降,Fmax和Dmax均隨跌落高度的上升明顯增加,r與跌落高度沒有明顯相關(guān)關(guān)系,且保持較高水平。與彈性體相比,將馬鈴薯視作粘彈體時(shí)各參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更相近。分析粘彈性馬鈴薯在跌落碰撞中的損傷模型,包括影響因素分析、損傷的響應(yīng)參數(shù)監(jiān)測等,發(fā)現(xiàn)影響損傷產(chǎn)生的因素主次順序?yàn)?材料參數(shù)碰撞角度跌落高度質(zhì)量;響應(yīng)參數(shù)中Tc和最大應(yīng)力間存在較好的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,可用于監(jiān)測損傷的發(fā)生。馬鈴薯在碰撞過程中,表皮極易發(fā)生擦傷,內(nèi)部損傷首先發(fā)生在近表面處。(3)馬鈴薯生物散斑成像系統(tǒng)構(gòu)建及優(yōu)化構(gòu)建了馬鈴薯生物散斑成像系統(tǒng),基于高光譜成像技術(shù)優(yōu)選了散斑成像系統(tǒng)的激光波長,根據(jù)散斑圖像對比度優(yōu)化采集參數(shù),并從多尺度水平評價(jià)了散斑圖像。首先根據(jù)研究對象/指標(biāo)選擇合適的系統(tǒng)構(gòu)件,然后調(diào)整優(yōu)化成像及采集參數(shù),最后對散斑圖像的質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)以驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性�；诟吖庾V成像技術(shù),發(fā)現(xiàn)相比其他光色區(qū)域,在紅光區(qū)域內(nèi)表皮擦傷、近表面損傷與正常馬鈴薯光譜差異均較大,為激光光色選擇提供理論支持。調(diào)整物距、ROI大小、曝光時(shí)間等參數(shù),使得散斑圖像的散斑粒子尺寸、飽和度和均勻度符合要求。(4)馬鈴薯生物散斑信號的處理方法改進(jìn)針對通用型散斑信號處理方法(時(shí)域IM和頻域WE)的缺點(diǎn),提出改進(jìn)方法,實(shí)現(xiàn)生物散斑有效處理。在原IM方法中加入異常點(diǎn)檢測,并提出相鄰幀相關(guān)系數(shù)法(Correlation of contiguous speckle patterns,CCSP)。在原 WE 中引入尺度增強(qiáng)因子,得到改進(jìn)小波熵(Modified wavelet entropy,MWE)。本研究共涉及 THSP__IM、CCSP_IM、THSP_WE、THSP_MWE、CCSP_WE和CCSP_MWE六種活性特征提取方法。針對不同的應(yīng)用場景根據(jù)分辨力、穩(wěn)定性和魯棒性原則選擇最優(yōu)處理方法。在本研究中,發(fā)現(xiàn)改進(jìn)方法表現(xiàn)較優(yōu)。(5)馬鈴薯損傷與生物散斑活性特異性變化規(guī)律基于FEA馬鈴薯損傷模型,結(jié)合馬鈴薯生物散斑圖像的活性特征,對比可見光圖像的顏色和紋理特征,探討馬鈴薯損傷與其散斑圖像的特異性變化規(guī)律。針對表皮擦傷,分別提取馬鈴薯樣本顏色、紋理和活性共16個特征。其中,活性特征由優(yōu)選的CCSP_IM和THSP_MWE兩種方法提取。對活性變化進(jìn)行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)在擦傷后存儲時(shí)間、樣本質(zhì)量和擦傷部位三個因素中,僅有時(shí)間對活性變化有顯著影響。散斑活性在擦傷1 d內(nèi)顯著增加,然后又迅速降低,直至接近正常組織活性。對近表面損傷同樣提取顏色、紋理和活性特征。優(yōu)選方法CCSP_WE和CCSP_MWE用于監(jiān)測活性。發(fā)現(xiàn)正常、輕微損傷和薯肉變色樣本的活性沒有顯著差異,且活性變化不依賴于損傷的深度。紋理特征對活性的影響較為顯著,且紋理越明顯,活性越低。(6)馬鈴薯近表面損傷定性和定量統(tǒng)計(jì)分析馬鈴薯近表面損傷有正常、輕微損傷和薯肉變色三種情況,對各損傷情況的分布規(guī)律(定性)和黑斑深度d1、高度d2(定量)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并考察質(zhì)量m、曲率半徑r、曲率比Ratio和紋理特征Con對損傷發(fā)生可能性、d1和d2的影響。研究發(fā)現(xiàn),m對損傷產(chǎn)生的可能性沒有影響,不同碰撞部位產(chǎn)生損傷的可能性從高到低依次為莖端芽端≈薯身,且在莖端位置產(chǎn)生的損傷最有可能發(fā)生黑變,形成薯肉變色。r和Con對于損傷發(fā)生的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P0.05),且表面越光滑、曲率半徑越小,越容易產(chǎn)生損傷。四個因素在0.05水平上對d1的影響均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,但是莖端部位d1相對其他兩個部位明顯偏小。對于d2,m和r的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P0.05),且質(zhì)量越大、曲率半徑越小,d2越大。(7)基于生物散斑活性的馬鈴薯表皮擦傷識別研究基于表皮擦傷生物散斑活性變化的規(guī)律,構(gòu)建馬鈴薯表皮擦傷分類器,并進(jìn)一步融合顏色和紋理特征,實(shí)現(xiàn)馬鈴薯表皮擦傷識別。選擇邏輯回歸(Logistic regression,LR)、決策樹(Decision tree,DT)和支持向量機(jī)(Support vector machine,SVM)三種分類器對馬鈴薯表皮擦傷情況進(jìn)行二分類。研究表明,LR分類模型相對DT和SVM效果更優(yōu),在擦傷1d以內(nèi)時(shí),活性特征分類效果明顯,而擦傷1d以后,顏色特征表現(xiàn)更好。將活性特征和顏色特征組合與LR相結(jié)合,構(gòu)成分類器Fusion_LR。不同時(shí)間段,正常樣本正確識別率、擦傷樣本正確識別率和總體正確識別率均值分別為89.76%、92.76%和91.28%。(8)基于生物散斑活性的馬鈴薯近表面損傷識別研究基子近表面損傷生物散斑活性變化的規(guī)律,構(gòu)建馬鈴薯近表面損傷分類器,并進(jìn)一步融合顏色和紋理特征,實(shí)現(xiàn)對正常、輕微損傷和薯肉變色馬鈴薯的識別。選擇分類器LR和DT用于二分類(正常-損傷),SVM同時(shí)用于二分類和三分類(正常-輕微損傷-薯肉變色)。結(jié)果表明,二分類情況下,芽端、莖端和薯身位置的最優(yōu)分類器分別為BA_DT、BA_LR和Fusion_DT,對正常樣本的識別正確率分別為47.8%、41.7%和53.3%,對損傷樣本的識別正確率分別為70.8%、84%和73.3%,總體識別正確率分別為61.2%、78%和66.1%。不考慮馬鈴薯的具體部位時(shí)的優(yōu)選分類器是Fusion_LR,對損傷的識別正確率提高至87.1%,但正常樣本中僅有34%能被正確識別,總體識別率為70.9%。三分類情況下,不同部位優(yōu)選的分類器均是Fusion_SVM,但對輕微損傷均沒有識別能力。
【圖文】：

馬鈴薯是僅次于玉米、小麥、水稻之后的世界第四大糧食作物，對維護(hù)全球糧食安逡逑全具有重要作用。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（ＦＡＯ）統(tǒng)計(jì)，２00５？２０丨４年的十年間世逡逑界和中國馬鈐薯種植面積和產(chǎn)量如圖１－丨所示�？梢姡覈R鈴薯種植面積和產(chǎn)量逐年逡逑提高，在２０１４年分別達(dá)到５．６５萬ｈｍ２和０見５億ｔ，比２0０５年增長了約丨５＿７％和３４．８％。逡逑目前我國馬鈴薯種植面積和產(chǎn)量均居世界首位（約占全世界的乃％），已成為世界上馬逡逑鈴薯生產(chǎn)第一大國。另外，我國馬鈐薯種植面積和產(chǎn)量占世界的比例有逐年增加的趨逡逑勢．但我國馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)多為耕地較為貧瘠、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較差，生產(chǎn)規(guī)模小而分散，逡逑生產(chǎn)方式粗放，脫毒種薯普及率低，，導(dǎo)致單產(chǎn)水平較低［２】》２０１４年，全國平均馬鈴薯單逡逑產(chǎn)為丨６．９１邋ｔ／ｈｍ２，僅為世界平均水平的８０％左右。逡逑（ａ）邐＿＊？盆界—１中２邐占比邐（ｂ｝邐？？登界？中ｓ邋—占比逡逑２００５邋２００６邋２００７邋２００８邋２００９邋２０１０邋２０１１邋２０１２邋２０１３邋２０１４邐

過一定的破壞應(yīng)力邊界時(shí)，便會發(fā)生損傷。馬鈴薯組織結(jié)構(gòu)對抵御機(jī)械損傷有直接關(guān)逡逑系，如薄壁組織中細(xì)胞的大小、形狀和排布能夠?qū)悠返臋C(jī)械性能產(chǎn)生影響［｜Ｇ］。馬鈴逡逑薯不同部位組織結(jié)構(gòu)不同，相應(yīng)的破壞應(yīng)力也不同。馬鈴薯塊莖解剖結(jié)構(gòu)如圖１－３所逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP391.41;S532

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