园艺学报 ›› 2024, Vol. 51 ›› Issue (2): 385-395.doi: 10.16420/j.issn.0513-353x.2023-0645
王婷婷1, 谭占明1,*(), 程云霞1, 马新超1, 王永明2
收稿日期:
2023-11-28
修回日期:
2024-01-15
出版日期:
2024-02-25
发布日期:
2024-02-27
通讯作者:
基金资助:
WANG Tingting1, TAN Zhanming1,*(), CHENG Yunxia1, MA Xinchao1, WANG Yongming2
Received:
2023-11-28
Revised:
2024-01-15
Published:
2024-02-25
Online:
2024-02-27
摘要:
利用电学参数和机器学习建立番茄可溶性固形物含量的预测模型。使用LCR测试仪检测0.1、1、10、100、1 000 kHz频率下的番茄并联等效电容、并联等效电阻、品质因子等9项电学参数,利用皮尔逊相关系数分析并确定电学特性的特征变量,基于特征变量构建番茄可溶性固形物含量的3种无损检测模型:BP神经网络(BpNN)、多元线性回归(MLR)、支持向量回归(SVR)。结果表明,在10 kHz频段下,品质因子、损耗因子、偏转角、并联等效电容及并联等效电阻5个电学参数与番茄可溶性固形物含量相关性显著。将这5个电学参数作为模型输入变量,可溶性固形物含量作为输出变量,经验证SVR模型对可溶性固形物含量的预测效果最好,决定系数R2为0.951,均方根误差RMSE为0.122,平均绝对误差MAE为0.082。本研究为番茄采后可溶性固形物含量快速无损检测提供了一种新方法。
王婷婷, 谭占明, 程云霞, 马新超, 王永明. 利用电学参数和机器学习无损检测番茄可溶性固形物含量[J]. 园艺学报, 2024, 51(2): 385-395.
WANG Tingting, TAN Zhanming, CHENG Yunxia, MA Xinchao, WANG Yongming. Nondestructive Detection of Soluble Solids Content in Tomatoes Using Electrical Parameters and Machine Learning[J]. Acta Horticulturae Sinica, 2024, 51(2): 385-395.
|r| | 相关程度 Degree of relevance | |r| | 相关程度 Degree of relevance |
---|---|---|---|
0.8 ~ 1.0 | 极强相关 Extremely strongly correlated | 0.2 ~ 0.4 | 弱相关 Weak correlation |
0.6 ~ 0.8 | 强相关 Strong correlation | 0.0 ~ 0.2 | 极弱相关或无相关 Very weak or no correlation |
0.4 ~ 0.6 | 中等程度相关 Moderately relevant |
表1 皮尔逊相关系数
Table 1 Pearson correlation coefficient
|r| | 相关程度 Degree of relevance | |r| | 相关程度 Degree of relevance |
---|---|---|---|
0.8 ~ 1.0 | 极强相关 Extremely strongly correlated | 0.2 ~ 0.4 | 弱相关 Weak correlation |
0.6 ~ 0.8 | 强相关 Strong correlation | 0.0 ~ 0.2 | 极弱相关或无相关 Very weak or no correlation |
0.4 ~ 0.6 | 中等程度相关 Moderately relevant |
图4 番茄在不同频段下的电学参数与可溶性固形物含量之间的皮尔逊相关系数
Fig. 4 Pearson correlation coefficients between electrical parameters and SSC of tomato at different frequency bands
网络参数 Network parameter | 设置或取值 Set or take a value |
---|---|
Epoch | 100 |
Batch_size | 10 |
Learning_rate | 0.1 |
Activation function | Relu |
Number of layers | 3 |
表2 BpNN模型训练流程图
Table 2 BpNN paragraph settings
网络参数 Network parameter | 设置或取值 Set or take a value |
---|---|
Epoch | 100 |
Batch_size | 10 |
Learning_rate | 0.1 |
Activation function | Relu |
Number of layers | 3 |
输入变量 Input variables | R2 | RMSE | MAE |
---|---|---|---|
Q | 0.513 | 0.560 | 0.518 |
Q + D | 0.562 | 0.480 | 0.424 |
Q + D + θ | 0.680 | 0.387 | 0.358 |
Q + D + θ + Rp | 0.813 | 0.324 | 0.372 |
Q + D + θ + Rp + Cp | 0.856 | 0.252 | 0.116 |
表3 番茄可溶性固形物含量的MLR模型不同输入变量效果对比
Table 3 Comparison of the effects of different input variables in the MLR model of soluble solids content in tomato
输入变量 Input variables | R2 | RMSE | MAE |
---|---|---|---|
Q | 0.513 | 0.560 | 0.518 |
Q + D | 0.562 | 0.480 | 0.424 |
Q + D + θ | 0.680 | 0.387 | 0.358 |
Q + D + θ + Rp | 0.813 | 0.324 | 0.372 |
Q + D + θ + Rp + Cp | 0.856 | 0.252 | 0.116 |
参数 Pparameter | 设置或取值 Set or take a value |
---|---|
惩罚系数C | 1.8 |
Kernel | Linear |
Gamma | Auto |
Tol | 0.001 |
Shrinkin | Ture |
Cache_size | 200 |
Max_iter | -1 |
表4 SVR参数设置表
Table 4 SVR parameter settings
参数 Pparameter | 设置或取值 Set or take a value |
---|---|
惩罚系数C | 1.8 |
Kernel | Linear |
Gamma | Auto |
Tol | 0.001 |
Shrinkin | Ture |
Cache_size | 200 |
Max_iter | -1 |
模型 Model | R2 | RMSE | MAE | |
---|---|---|---|---|
BpNN | 0.865 | 0.143 | 0.153 | |
MLR | 0.856 | 0.252 | 0.116 | |
SVR | 0.951 | 0.122 | 0.082 |
表5 预测番茄可溶性固形物含量的3种模型精准度对比
Table 5 Comparison of the three models of soluble solids content in tomato
模型 Model | R2 | RMSE | MAE | |
---|---|---|---|---|
BpNN | 0.865 | 0.143 | 0.153 | |
MLR | 0.856 | 0.252 | 0.116 | |
SVR | 0.951 | 0.122 | 0.082 |
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