CN101799410A - 一种基于红外光谱的普洱熟茶识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于红外光谱的普洱熟茶识别方法，其特征包括如下步骤：A、采集普洱熟茶及几种其它典型黑茶的中红外光谱，数据处理建立普洱熟茶光谱特征基；B、建立区分茶叶是否属于普洱熟茶的线性判别器；C、普洱熟茶样品的识别：将待检测茶叶光谱做相同预处理，将处理数据在特征基上投影，由上述判别器可对普洱熟茶进行有效识别。本发明根据茶叶的种类不同引起的红外光谱差异，能客观地对普洱熟茶进行有效识别。本发明具有如下优点：1、分析结果不受主观意识的影响，从而提供了一个客观的评定标准；2、检测茶叶红外光谱前，不需要对茶叶进行组份分离、提取等工作，操作简便，分析速度大大加快。降低了检测成本，也不污染环境。

Description

一种基于红外光谱的普洱熟茶识别方法

技术领域

本发明涉及一种基于红外光谱的普洱熟茶识别方法，属于光谱分析技术领域。

背景技术

茶是世界上最受人们欢迎的饮品之一。我国是茶的故乡，种茶、饮茶起源于我国。而普洱茶又是中国众多茶树种类中最宝贵的种植资源之一，且有降低血脂、减肥等多种功效，是茶中的养生极品。由于普通黑茶与普洱茶的外观形态比较接近，目前茶叶市场出现了以假乱真、以次充好的现象，如何快速而又准确的鉴别茶叶的真伪及其品质逐渐得到人们的关注。茶叶品质评定常用的方法有感官评定法和理化方法。前者易受人为因素和外界环境的干扰，会影响到结果的客观性；后者分析周期长，程序繁琐。现阶段，红外光谱法以其无污染、实时性、使用方便等特点成为检测的首选，广泛应用于快速检测物质成分和种类，尤其是在茶叶检测方面有了快速发展。张娅玲等利用傅里叶红外光谱法分析比较了普洱生、熟茶及不同发酵程度的普洱茶翻堆样。王怡林等运用傅里变换红外光谱，可对普洱熟茶、生茶进行分析鉴定；并发现了不同发酵加工方式及贮存时间对普洱熟茶光谱有一定影响。周健等对采用欧氏距离、主成分分析和系统聚类等方法对滇青、青饼和普洱熟茶的近红外化学指纹图谱进行了定性判别分析。杨群等利用傅里叶变换红外光谱法比较了不同发酵方法和贮存时间对普洱熟茶的影响。周湘萍等根据红外光谱的特征峰形和吸光度比可以区分生普洱和熟普洱。张俊瑜等采用FTIR法获取了不同厂家不同年份的三种普洱红茶的红外光谱，对所得的指纹图谱进行特征峰指认和对比分析，发现不同年份茶叶谱图存在一定区别。潘燕飞等采用FTIR法对不同等级的花茶、绿茶、普洱茶、乌龙茶进行测定，发现同类茶叶在特定区域有固定的特征谱带，茶叶品质的差异导致这些特征谱带出现波数、强度、形状的明显差异。在上述研究中，他们主要采用红外光谱技术，通过直接对比茶叶原始谱图的吸光度，对其进行定性区别，并未充分考虑样品检测过程中实验条件对光谱不确定度的影响；他们或通过现成的方法进行定性判别，只能对同种茶叶进行简单聚类，而没有统一标准对其进行判定。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于红外光谱的普洱熟茶识别方法，主要用以识别外形和颜色与普洱熟茶非常近似的黑茶是否属于普洱熟茶。通过对几种典型黑茶的中红外光谱数据进行进行特征提取，由主特征因子建立特征基，形成一个标准系统，并由中位线方法确定线性判别器，最后将待检测茶叶在特征基上投影，由线性判别器可对普洱熟茶进行快速、直观、准确的识别。

本发明的技术方案是这样实现的：这种基于红外光谱的普洱熟茶识别方法，其特征包括如下步骤：

A、采集普洱熟茶及几种其它典型黑茶的中红外光谱，建立普洱熟茶光谱特征基：

A-1、黑茶光谱采集：分别采集至少两种普洱熟茶及至少一种其它典型黑茶样本的400cm^-1-4000cm^-1的中红外光谱；

A-2、光谱数据处理：对步骤A-1中所得到的中红外光谱的包含指纹区的特定波段进行消除背景干扰和提高光谱分辨率的预处理，得到所述至少两种普洱熟茶及至少一种其它黑茶样本的校正光谱数据，由所述校正光谱数据建立标准化矩阵Z，该标准化矩阵Z的行数据代表同一样品在所述特定波段上对应于各波数的吸光度，列数据代表不同样品在所述特定波段上对应于同一波数的吸光度；

A-3、特征提取：分析处理标准化矩阵Z，进行特征提取，提取该标准化矩阵Z的协方差阵的相关矩阵R的特征向量，再选择该特征向量中能反映茶叶最重要特征的特征因子做出的二维坐标图作为特征基；

B、判别器的确定：将A-2的校正光谱数据在A-3特征基上投影，投影图上的每个点对应着一个茶叶样本，由两个边缘普洱点和一个最近的非普洱点构成一个三角形，由距离相等原则，将该三角形的与两个边缘普洱点构成的底边相平行的中位线所在的直线作为区分待检测的茶叶是否属于普洱熟茶的线性判别器；

C、普洱熟茶样品的识别：将待检测的茶叶以相同波段的光谱进行相同的A步骤处理得到这些茶叶样品在普洱熟茶光谱特征基上的二维投影图，由线性判别器对普洱熟茶进行识别，若被检测的茶叶样品点位于该线性判别器的具有所述底边的一侧，则该茶叶样品属于普洱熟茶；若在判别器的另一侧则不属于普洱熟茶。

所述的基于红外光谱的普洱熟茶识别方法，步骤A所述的普洱熟茶包括普洱熟砖、庆丰祥陈香普洱、巴达山野生饼、73枣香厚砖、云南普洱茶乔木古茶熟饼或云南七子饼茶；其它黑茶包括：白沙溪茯砖、六堡熟砖或王霞生普洱。

所述的基于红外光谱的普洱熟茶识别方法，步骤A-1所述的黑茶光谱采集包括：

(1)样品处理：将茶叶样本在40℃下干燥至恒重，放入粉碎机中粉碎，过200目筛，在红外灯照射下取8mg试样与960mg干燥的溴化钾粉末混合研磨10min，然后称取120mg，压片留待测定，实验时保持室内的温度和湿度基本一致；

(2)光谱采集：利用傅立叶红外光谱仪检测普洱熟茶和其它典型黑茶的中红外光谱，每个样本称取六次，分别压片，得到每个样品的谱图。

所述的基于红外光谱的普洱熟茶识别方法，步骤A-2所述的光谱数据处理包括：首先对采集黑茶样品的600cm^-1-1800cm^-1波段光谱依次进行矢量归一化、一阶求导和S-G九点平滑预处理，抵消背景干扰，得到的校正光谱数据构成标准化矩阵Z，其行数据代表同一样品在此波段上对应于各波数的吸光度，列数据代表不同样品在此波段上对应于同一波数的吸光度。

所述的基于红外光谱的普洱熟茶识别方法，步骤A-3所述的特征提取包括：对标准化矩阵Z进行特征提取，具体步骤如下：

(1)首先由①式计算标准化矩阵Z的协方差阵的相关矩阵R，其中r(x，y)是该相关矩阵R中第x行第y列数据，X代表所述标准化矩阵Z中某一列的数据，Y代表所述标准化矩阵Z中的另一列的数据，X为列X的平均值，Y为列Y的平均值；

(2)再结合②式和③式求出所述相关矩阵R的特征值λ_i，及对应于该特征值λ_i的特征向量l_i，i取1，2，...，r，则列向量l₁，l₂，...，l_r组成特征向量矩阵L，且所述特征向量矩阵L所包含的列向量l₁，l₂，...，l_r是互不相关的，②和③式中E表示单位矩阵；

$r(x,y)=\frac{\mathrm{\Σ}(X-\stackrel{\‾}{X})(Y-\stackrel{\‾}{Y})}{\sqrt{\mathrm{\Σ}{(X-\stackrel{\‾}{X})}^2\·\mathrm{\Σ}{(Y-\stackrel{\‾}{Y})}^2}}$ ①

|λ_iE-R|＝0   ②

(λ_iE-R)l_i＝0 ③。

所述的基于红外光谱的普洱熟茶识别方法，步骤A所述的特征基的建立是根据最大方差原则，对所述特征向量L进行重排列，得到特征向量L₁，且L₁是由列向量l₁₁，l₁₂，...，l_1r组成的矩阵，它们所反映的光谱综合特征依次减弱，分别称为第一，第二，...，第r个特征因子；选取能反映茶叶最主要信息的两个特征因子l₁₁和l₁₂建立特征基。

所述的基于红外光谱的普洱熟茶识别方法，步骤C所述的普洱熟茶样品的识别包括：对待检测的茶叶以相同波段的光谱进行相同的A步骤处理，得到矩阵J，再由特征向量L₁乘以所述的矩阵J的转置J^T，得到该待检测茶叶在普洱熟茶光谱特征基上的投影值，由得到的投影值绘制二维投影图，横坐标代表第一特征因子，纵坐标代表第二特征因子；若代表该待检测的茶叶的点位于该线性判别器的具有所述底边的一侧，则该待检测的茶叶属于普洱熟茶，否则，则不属于普洱熟茶。

本发明利用本发明根据茶叶种类不同引起的红外光谱差异，利用特征提取、确定特征基，再建立判别器的方法，能客观的对普洱熟茶进行快速有效识别。具有如下优点：分析结果不受主观意识的影响，从而提供了一个客观的评定标准；检测茶叶红外光谱前，不需要对茶叶进行组份分离、提取等工作，操作简便，分析速度大大加快，降低了检测成本，也不污染环境。

附图说明

图1为基于红外光谱的普洱熟茶识别原理图

图2是红外光谱数据预处理程序图

图3是特征基建立及茶叶的判定程序图

图4是在600cm^-1-1800cm^-1波段几种黑茶样本在特征基上的投影及由其建立的判别器；

其中：1-6分别代表73枣香厚砖、云南七子饼茶、云南普洱茶乔木古茶熟饼、庆丰祥陈香普洱、六堡熟砖和白沙溪茯砖

图5是在600cm^-1-1800cm^-1波段所有茶叶样本在普洱熟茶特征基上的投影图，图中编号对应的茶叶名称见表1，判别器下方的即为普洱茶。其中：非普洱茶均由五角星和数字表示，1-13分别代表六堡熟砖、滇红、白毫银针、白牡丹、王霞生普洱、碧螺春、龙井、霍山黄芽、君山银针、正山小种、白沙溪茯砖、大红袍和铁观音；普洱茶由14-19表示，分别代表73枣香厚砖、普洱熟砖、云南七子饼茶、巴达山野生饼、云南普洱茶乔木古茶熟饼、庆丰祥陈香普洱。

表1图5中编号对应的茶叶名称

编号	1	2	3	4	5
						茶叶	六堡熟砖	滇红	白毫银针	白牡丹	王霞生普洱
编号	6	7	8	9	10
						茶叶	碧螺春	龙井	霍山黄芽	君山银针	正山小种
编号	11	12	13	14	15
						茶叶	白沙溪茯砖	大红袍	铁观音	73枣香厚砖	普洱熟砖
编号	16	17	18	19
						茶叶	云南七子饼茶	巴达山野生饼	云南普洱茶乔木古茶熟饼	庆丰祥陈香普洱

具体实施方式

本实验中的普洱熟茶包括：普洱熟砖、庆丰祥陈香普洱、巴达山野生饼、73枣香厚砖、云南普洱茶乔木古茶熟饼和云南七子饼茶。

其它黑茶包括：白沙溪茯砖、六堡熟砖、王霞生普洱。

非黑茶类包括：龙井、碧螺春、霍山黄芽、君山银针、白牡丹、白毫银针、正山小种、滇红、大红袍、铁观音。

(1)样品处理：将茶叶样本在40℃下干燥至恒重，放入粉碎机中粉碎，过200目筛，在红外灯照射下取8mg试样与960mg干燥的溴化钾粉末混合研磨10min，然后称取120mg，压片留待测定，实验时保持室内的温度和湿度基本一致。

(2)光谱采集：利用傅立叶红外光谱仪检测普洱熟茶(庆丰祥陈香普洱、73枣香厚砖、云南普洱茶乔木古茶熟饼和云南七子饼茶)和其它典型黑茶(白沙溪茯砖、六堡熟砖)的中红外光谱，每个样本称取六次，分别压片，共得到三十六张谱图。

(3)光谱预处理：首先对六种黑茶的600cm^-1-1800cm^-1波段光谱依次进行矢量归一化、一阶求导和S-G九点平滑预处理，矢量归一可以消除基线漂移和幅度的差异，使谱的矢量规范为1，保证谱图之间具有可比性；一阶求导能够放大谱图的形状变化，显示出其变化趋势，增大谱线差异；平滑光谱可以降低求导产生的噪声，有效剔除样品奇异点，使同种样品聚类效果更好。最终预处理后的光谱可抵消背景干扰，也可以把原来隐藏的信号差异放大出来，提高光谱的分辨率。由预处理后得到的校正光谱数据构成623×36的标准化矩阵Z，其行数据代表同一样品在此波段上对应于各波数的吸光度，列数据代表不同样品在此波段上对应于同一波数的吸光度。

(4)特征提取：对标准化矩阵Z进行特征提取，具体步骤如下：

(4-1)首先由①式计算标准化矩阵Z的协方差阵的相关矩阵R，其中r(x，y)是该相关矩阵R中第x行第y列数据，X代表所述标准化矩阵Z中某一列的数据，Y代表所述标准化矩阵Z中的另一列的数据，X为列X的平均值，Y为列Y的平均值；

(4-2)再结合②式和③式求出所述相关矩阵R的特征值λ_i，及对应于该特征值λ_i的特征向量l_i，i取1，2，...，r，则列向量l₁，l₂，...，l_r组成特征向量矩阵L，且所述特征向量矩阵L所包含的列向量l₁，l₂，...，l_r是互不相关的，②和③式中E表示单位矩阵；

$r(x,y)=\frac{\mathrm{\Σ}(X-\stackrel{\‾}{X})(Y-\stackrel{\‾}{Y})}{\sqrt{\mathrm{\Σ}{(X-\stackrel{\‾}{X})}^2\·\mathrm{\Σ}{(Y-\stackrel{\‾}{Y})}^2}}$ ①

|λ_iE-R|＝0     ②

(λ_iE-R)l_i＝0   ③

(5)特征基的建立：根据最大方差原则，对所述特征向量L进行重排列，得到特征向量L₁，且L₁是由列向量l₁₁，l₁₂，...，l_1r组成的矩阵，它们所反映的光谱综合特征依次减弱，分别称为第一，第二，...，第r个特征因子；选取能反映茶叶最主要信息的特征因子l₁₁和l₁₂建立特征基，再将校正光谱数据在特征基上投影，得到这些典型黑茶在两个特征因子上的分量，由图4可确定第一和第二特征因子的范围分别是-50-20和5-45；

(6)判别器的确定：将校正光谱数据在特征基上投影，投影图上的每个点对应着一个茶叶样本，由两个边缘普洱点(73枣香厚砖、庆丰祥陈香普洱)和一个最近的非普洱点(六堡熟砖)构成一个三角形，如图4中连接1、4、5的虚线所示，因为它最能反映普洱的特征，又能选定一个非普洱的参照，而三顶点到中位线距离相等，可将该三角形的与两个边缘普洱点构成的底边相平行的中位线所在的直线即可作为区分待检测的茶叶是否属于普洱熟茶的线性判别器，该线性判别器的一侧代表属于普洱熟茶，另一侧代表不属于普洱熟茶。

(7)普洱熟茶的识别：将本实施方案中其它茶叶作为待检测茶叶采集其红外光谱，取其相同波段的光谱进行相同的预处理得到矩阵J，再由特征向量L₁乘以所述的矩阵J的转置J^T，得到该待检测茶叶在普洱熟茶光谱特征基上的投影值，由得到的投影值绘制二维投影图，横坐标代表第一特征因子，纵坐标代表第二特征因子。由图5可知，同属普洱熟茶的样品位于线性判别器的所在中位线对应的底边一侧，而其余各类茶叶均位于判别器的另一侧，从而可将普洱熟茶和其他茶叶进行有效的区分，此判别器可对普洱熟茶样品进行快速、直观、准确的识别。

表2：庆丰祥沉香普洱对应于1800-1796cm^-1及604-600cm^-1的吸光度(中间数据省略)

其他茶叶样品采集的光谱形式与此相同

上述实施例亦可先从外形和颜色上将黑茶与绿茶、白茶、黄茶、青茶、红茶进行初步区分，排除其他品种留下黑茶进行检测。

本发明列举的实施例旨在更进一步地阐明这种基于红外光谱的普洱熟茶识别方法的具体操作和应用方向，而不对本发明的范围构成任何限制。

Claims (7)

1.一种基于红外光谱的普洱熟茶识别方法，其特征包括如下步骤：

A、采集普洱熟茶及几种其它典型黑茶的中红外光谱，建立普洱熟茶光谱特征基：

A-1、黑茶光谱采集：分别采集至少两种普洱熟茶及至少一种其它典型黑茶样本的400cm^-1-4000cm^-1的中红外光谱；

A-2、光谱数据处理：对步骤A-1中所得到的中红外光谱的包含指纹区的特定波段进行消除背景干扰和提高光谱分辨率的预处理，得到所述至少两种普洱熟茶及至少一种其它黑茶样本的校正光谱数据，由所述校正光谱数据建立标准化矩阵Z，该标准化矩阵Z的行数据代表同一样品在所述特定波段上对应于各波数的吸光度，列数据代表不同样品在所述特定波段上对应于同一波数的吸光度；

A-3、特征提取：分析处理标准化矩阵Z，进行特征提取，提取该标准化矩阵Z的协方差阵的相关矩阵R的特征向量，再选择该特征向量中能反映茶叶最重要特征的特征因子做出的二维坐标图作为特征基；

B、判别器的确定：将A-2的校正光谱数据在A-3特征基上投影，投影图上的每个点对应着一个茶叶样本，由两个边缘普洱点和一个最近的非普洱点构成一个三角形，由距离相等原则，将该三角形的与两个边缘普洱点构成的底边相平行的中位线所在的直线作为区分待检测的茶叶是否属于普洱熟茶的线性判别器；

C、普洱熟茶样品的识别：将待检测的茶叶以相同波段的光谱进行相同的A步骤处理得到这些茶叶样品在普洱熟茶光谱特征基上的二维投影图，由线性判别器对普洱熟茶进行识别，若被检测的茶叶样品点位于该线性判别器的具有所述底边的一侧，则该茶叶样品属于普洱熟茶；若在判别器的另一侧则不属于普洱熟茶。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外光谱的普洱熟茶识别方法，其特征在于：步骤A所述的普洱熟茶包括普洱熟砖、庆丰祥陈香普洱、巴达山野生饼、73枣香厚砖、云南普洱茶乔木古茶熟饼或云南七子饼茶；其它黑茶包括：白沙溪茯砖、六堡熟砖或王霞生普洱。

3.根据权利要求1所述的一种基于红外光谱的普洱熟茶识别方法，其特征在于：步骤A-1所述的黑茶光谱采集包括：

(1)样品处理：将茶叶样本在40℃下干燥至恒重，放入粉碎机中粉碎，过200目筛，在红外灯照射下取8mg试样与960mg干燥的溴化钾粉末混合研磨10min，然后称取120mg，压片留待测定，实验时保持室内的温度和湿度基本一致；

(2)光谱采集：利用傅立叶红外光谱仪检测普洱熟茶和其它典型黑茶的中红外光谱，每个样本称取六次，分别压片，得到每个样品的谱图。

4.根据权利要求1所述的一种基于红外光谱的普洱熟茶识别方法，其特征在于：步骤A-2所述的光谱数据处理包括：首先对采集黑茶样品的600cm^-1-1800cm^-1波段光谱依次进行矢量归一化、一阶求导和S-G九点平滑预处理，抵消背景干扰，得到的校正光谱数据构成标准化矩阵Z，其行数据代表同一样品在此波段上对应于各波数的吸光度，列数据代表不同样品在此波段上对应于同一波数的吸光度。

5.根据权利要求1所述的一种基于红外光谱的普洱熟茶识别方法，其特征在于：步骤A-3所述的特征提取包括：对标准化矩阵Z进行特征提取，具体步骤如下：

(1)首先由①式计算标准化矩阵Z的协方差阵的相关矩阵R，其中r(x，y)是该相关矩阵R中第x行第y列数据，X代表所述标准化矩阵Z中某一列的数据，Y代表所述标准化矩阵Z中的另一列的数据，X为列X的平均值，Y为列Y的平均值；

(2)再结合②式和③式求出所述相关矩阵R的特征值λ_i，及对应于该特征值λ_i的特征向量l_i，i取1，2，...，r，则列向量l₁，l₂，...，l_r组成特征向量矩阵L，且所述特征向量矩阵L所包含的列向量l₁，l₂，...，l_r是互不相关的，②和③式中E表示单位矩阵；

$r(x,y)=\frac{\mathrm{\Σ}(X-\stackrel{\‾}{X})(Y-\stackrel{\‾}{Y})}{\sqrt{\mathrm{\Σ}{(X-\stackrel{\‾}{X})}^2\·\mathrm{\Σ}{(Y-\stackrel{\‾}{Y})}^2}}$         ①

|λ_iE-R|＝0            ②

(λ_iE-R)l_i＝0          ③。

6.根据权利要求1和权利要求5所述的一种基于红外光谱的普洱熟茶识别方法，其特征在于：步骤A所述的特征基的建立是根据最大方差原则，对所述特征向量L进行重排列，得到特征向量L₁，且L₁是由列向量l₁₁，l₁₂，...，l_1r组成的矩阵，它们所反映的光谱综合特征依次减弱，分别称为第一，第二，...，第r个特征因子；选取能反映茶叶最主要信息的两个特征因子l₁₁和l₁₂建立特征基。

7.根据权利要求1所述的一种基于红外光谱的普洱熟茶识别方法，其特征在于：步骤C所述的普洱熟茶样品的识别包括：对待检测的茶叶以相同波段的光谱进行相同的A步骤处理，得到矩阵J，再由特征向量L₁乘以所述的矩阵J的转置J^T，得到该待检测茶叶在普洱熟茶光谱特征基上的投影值，由得到的投影值绘制二维投影图，横坐标代表第一特征因子，纵坐标代表第二特征因子；若代表该待检测的茶叶的点位于该线性判别器的具有所述底边的一侧，则该待检测的茶叶属于普洱熟茶，否则，则不属于普洱熟茶。

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